异步风力机风速突变对并网系统影响分析与防护措施

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(国网重庆武隆县供电有限责任公司，重庆 408500)

0 引 言

在目前形势下，国家已经把能源作为一个国家的重要发展战略。中国是世界风电机组装机容量最大的国家之一，异步风力机最早应用到风力发电中，各地区风电场中均含有异步风力发电机组。由于天气原因，风速具有不可预测性和间断性，将导致风力机组的有功出力出现随机变化，严重会影响到电网安全稳定。当大规模含异步风力发电机组的风电场并入电网时，风速发生突变时，风电场将不能正常运行，会对并网系统的安全稳定造成冲击和影响，甚至威胁其他挂网发电机组的正常运行，严重时会致使系统瓦解，造成重大经济损失。

目前，风速突变时对异步风力机组的影响研究较多，但对其接入电网后其电压等相关影响、风能利用率和对其的防护措施研究较少，文献[1]主要分析了在风速变突变时风电场出口电压的情况。文献[2]提出了采用小干扰稳定分析方法仿真分析了风力发电机组在风速突变下的数学模型，并对风电场和接入电网之间相互影响进行了全面分析。文献[3]研究了某实际风电场实际风电功率波动的时空分布特性及其内在趋势性特征，来系统评估风电波动对并网系统造成的影响。

现有研究中对风力机在风速突变下对并网系统影响分析的文献较多，但对异步风力机在风速突变下采取的防护措施的相关研究较少。于是针对异步风力机机组接入电网在风速突变时段的电压和风能利用率进行了分析，得到了在风速突变情况下，异步风力机对系统电压影响较大和风能利用率较小。提出了当风速突变时异步风力机采用无功补偿措施，电压在安全运行范围，风力机组的风能利用率明显上升；同时给出了平移突变风速和变桨距控制风速突变的可行性措施。

1 突变风速模型与风能转变模型

1.1 突变风速模型

风速一般可分为基本风、阵风、渐变风和随机风。突变风速一般为阵风，其模型如图1所示。

图1 突变风速模型图

突变风速数学表达式如式(1)所示。

(1)

式中,VB为基本风;Vcos为阵风风速;tG为阵风启动时间;tG1为阵风作用时间。

1.2 风能转变电能模型

风力发电中，风的能量与其风速的平方成正比。风力发电是风轮在流动的空气中获得了阻碍流动空气流速的部分机械能。风轮从空气中吸收的功率可以用公式(2)表示。

(2)

A=πR3

(3)

式中，P为风轮输出功率；Cp为风轮的功率系数；A为风轮扫掠面积；ρ为空气密度；V为风速；R为风轮半径。风轮可获得的最大风效率，即贝兹极限下Cp=59%[4]。

在风速低于额定风速时，风力机获得最佳功率与转速的关系式如下。

Popt=kn3

将公式(1)代入公式(4)中，可以得到风速与风力机获得最佳功率呈三次方变化。但在风速突变过程中，传动过程的惯性将会影响风力机获得最佳功率，不利于风力机对风能的利用率。

2 仿真系统模型与结果分析

2.1 异步风力发电机结构模型

因为风速不稳定和不确定性，很难保持转子转速始终为同步转速，所以目前大中型风力发电机多采用的是异步发电机。同时由于异步风力发电机结构简单、价格便宜、维护方便等特点，在国内风电场中大规模使用。异步风力机组接入电网结构如图2所示。

图2 异步风力发电机组接入电网

2.2 含异步风力机组风电场仿真系统

基于异步风力机组模型搭建了该机型等值风电场接入电网的仿真系统，其系统基本结构如图3所示。

图3 仿真动态系统模型

仿真过程中的风速采用阵风模型，其基本风为7 m/s，风速从2 s开始经过2.5 s突增到17 m/s，再经过2.5 s从17 m/s下降至7 m/s。

含异步风力机组等值风电场容量为10 MW，将以上突变风速引入，对风电场PCC点的电压、电流、有功和无功波动曲线进行仿真和分析。

2.3 仿真结果分析

在风速突变时段，异步风力机风电场接入电网的PCC点母线电压、电流、有功功率、无功功率图形，如图4、5、6、7所示。

对图4分析可知，风力发电机组将风能转化为电能时由于传动惯量有时间延迟。

在风速扰动时段，异步风电场PCC母线电压跌落0.14UN，0.5 s后并网侧低电压继电器保护动作，将该等值风电场切除，其与并网系统解列。

图4 异步风电场PCC母线电压

图5 异步风力发电机组电流波动

图6 异步风力发电机组有功功率

图7 异步风力发电机组无功功率

对图5分析可知，等值异步风力机风电场风能转化为电能的时间延迟为1 s，变化趋势基本与风速一致；电流随着风速增大而增大，但当风速达到额定风速值时，电流没有达到额定出力值，最后异步风力机因电压跌落与电网解列，电流为数字。

对图6分析可知，异步风力机有功功率随风速增大而减小的趋势，仿真中异步风力机随风速增大而有功功率降低，最后在5.35 s时刻，并网侧低压继电保护动作将风电场解列。

从图7可以得出在风速突变时断，异步风力发电机一直对电网发出无功功率，直至解列为止。

从以上仿真结果图形中，可知在对异步风力机组引入突变风速时段，异步风力机电压跌落明显；电流随风速增大而增大；有功功率有下跌趋势；无功功率随风速变化。

3 异步风力机风速突变防护措施

3.1 加无功补偿装置

在异步风力机风电场的出口接入无功补偿装置时，引入同一突变风速，接入同一电网，仿真结果如图8、9、10所示。

图8 无功补偿后异步风力发电机组风速扰动时电压

图9 加无功补偿后异步风力发电机组电流

图10 加无功补偿后异步风力发电机组有功功率

图11 加无功补偿后异步风力发电机组无功功率

通过图4、5、6、7与图8、9、10、11对比，明显可知，加入无功补偿装置STATCOM后，异步风力机风电场能正常运行风速突变时段，电压稳定在正常安全电压下，风能利用率明显提高，有效地解决了异步风力机在风速突变时段引起电压跌落问题。

3.2 平移突变风速

风速通过叶片带动齿轮箱，然后带动风力发电机发电。在异步风力机设计时，考虑到风速突变(突增)，可在风力机内部风能转化为动能后，将动能进行平移。如使齿轮箱的传递齿轮的加速度达到一定值时趋于饱和，不使转速上升，进而对突变风速进行平移，最后使风力机正常运行。

3.3 变桨距控制

在异步风力机的叶片上，安装变桨距控制系统。对风速实时监测，将测得的风速反馈给变桨距控制系统，使该系统进行变桨距控制，变桨距控制使风力机的叶片攻角在一定范围内(0°～90°)变化，从而调节输入风速，达到对突变风速的控制。

4 结 论

这里针对的是等值风电场，风电场的容量相对较小，实际中风电场较大，当在此类的风电场风速突变时，将形成的效果和影响会更大。对平移风速、变桨距控制上未作仿真研究，后续将进一步分析研究。由以上研究结果给出两点结论如下。

(1)由动态仿真结果表明，基于异步风力机风电场风速突变时段，风电场会解列接入电网，对电网造成危害。同时基于电压、电流、有功、无功波动和风能利用率考虑时，应考虑该类型机组在风速突变情况下的防护措施，当加STATCOM装置后，仿真结果表明该类型风力机此时电压在风速突变时较缓和，且对此时的风能利用率较高，使并网系统安全稳定运行。

(2)异步风力机组在风速突变(风速突增)时，电压下降，当风速突变到某一值时，由于电压低于风力机低电压保护整定值，继电器动作，切除该风电场，这将对电网安全造成很大的影响。例如2011年4月甘肃酒泉某风电场由于低电压穿越能力不行，风电场解列，对西北电网造成巨大影响。风电场的异步风力发电机组应注重在风速突变时，风力机组的电压跌落问题，如添加STATCOM、风力机内部进行平移突变风速势能、变桨距控制等。

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