0 引言

据国家能源局统计分析, 2017年全国新增风电装机容量15.03 GW, 累计并网装机容量达到164 GW, 占全部发电装机容量的9.2%, 其中双馈异步风电机组新增或累计装机容量的占比均在60%以上。全年风力发电量305.7 TWh, 占全部发电量的4.8%, 全年风电平均利用小时数1948 h, 弃风电量41.9TWh。随着风电并网装机容量的不断增大, 风电场运行与电网的相互影响也越发突出, 因此对于风电场运行模式的研究, 尤其是对双馈感应风电机组运行控制的研究具有实际意义。

1 研究现状

文献[1]以实际电网为背景分析由变速恒频双馈感应风电机组组成的风电场并网运行对系统电压稳定性的影响, 并对双馈感应风电机组采用不同控制模式进行比较, 得出变速恒频机组风电场通过装设SVC可以提高扰动后电压恢复能力的结论。文献[2]计算了风电场配置SVC接入前、后电网电压波动, 仿真结果表明, 风电场配置SVC后对电网电压质量有较大的改善。文献[3]提出以风电场不与系统交换无功功率为控制目标, 可以调用风电机组本身一定的无功出力能力, 优化风电场无功控制能力。文献[4]根据地区负荷特性以及火电装机等电网运行特点, 通过对比分析多种运行工况, 提出满足不同调压需求, 且经济合理的无功补偿优化方案。文献[5]研究结果认为含双馈异步风电机组并网系统的静态电压稳定性和电网接纳风电的能力, 要优于异步风电机组并网系统。文献[6]提出了基于P-V曲线的风电场接入电力系统稳态分析方法。文献[7]仿真分析了风电机组在恒功率因数和恒电压控制2种运行方式下的无功电压控制响应能力。文献[8]对双馈异步风电机组的2种无功控制方式进行仿真研究, 得出采用恒功率因数控制更有利于稳定风电并网系统频率的结论。文献[9]提出一种含有分布式风电场配电网电压波动的多目标抑制策略。

上述研究成果有的仅从风电机组本身的性能特性开展研究, 有的则以整个风电场的角度增加无功补偿, 均未考虑机组本身的无功能力, 本文以风电机组本身的无功能力为基础, 研究分析2种不同运行模式对风电场并网特性的影响。

2 双馈异步风电机组模型及控制模式简介 2.1 双馈异步风电机组模型

与普通异步发电机类似, 双馈异步发电机的数学模型可以定义为:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

其中, R_s和X_s分别为定子电阻和电抗; R_r和X_r分别为转子电阻和电抗; s为转差率, X_m为漏磁电抗; E_δ为电动势。定子电压U_s、定子电流I_s与转子电压U_r、转子电流I_r有关, 通过控制转子侧的电压U_r、电流I_r, 可以控制定子的有功功率与无功功率; I_m为漏电流。

由此得到双馈异步发电机的静态等值电路如图 1所示。

2.2 双馈异步风电机组控制模式

双馈异步风电机组可以通过控制系统和变频器实现对整个机组有功功率、无功功率的控制。在正常的运行电压和转速范围内, 根据其控制系统的控制目标, 双馈异步风电机组可在额定容量范围内的任意运行点运行。因此, 双馈异步风电机组以及双馈机组风电场都可以采用恒功率因数运行模式和恒电压运行模式^[10-11]。

目前, 双馈异步风电机组功率因数调节范围一般为-0.95~+0.95, 我国现役风电场的双馈异步风电机组几乎全部都采用恒功率因数为1.0的控制模式运行, 且功率因数不能实时在线调节。

原理上, 双馈异步风电机组能够控制本身的机端运行电压, 实现单机的恒电压运行模式; 甚至可以协调风电场内所有风电机组, 联合控制风电场并网点的运行电压。风电场并网后, 双馈异步风电机组在恒功率因数和恒电压运行模式下的性能差异, 对系统运行的稳态和暂态过程会有不同影响。

3 不同运行模式对风电场稳态运行的影响

以某300 MW双馈异步风电机组风电场为例, 研究风电机组采用恒功率因数模式和恒电压模式在运行特性方面的异同。对2种控制模式下风电场的稳态特性进行分析。采用恒功率因数模式, 风电机组690 V母线出口处功率因数设定为1.0, 恒电压模式, 风电机组690 V母线电压设定为1.02(p.u.), 系统仿真采用中国电力科学研究院代理的德国电力系统分析软件DIgSILENT/PowerFactory实现。

3.1 P-V曲线对比

图 2为随着风电场出力的变化, 接入点母线电压、风电场升压变高压侧母线和风电机机端母线电压的变化情况。

通过对比图 2中2种控制模式下电压变化曲线可知, 随着风电出力的变化, 风电机组采用恒功率因数控制模式时对电网风电场内母线电压的影响大于恒电压控制模式, 尤其是该风电场出力大于200 MW时。在恒电压模式下, 风电机组可以维持其机端电压为1.02(p.u.), 且对电网造成的电压波动影响很小。

3.2 P-Q曲线对比

图 3为随着有功出力的变化, 风电场与电网无功交换和功率因数的变化曲线。其中, 无功交换为负时说明无功功率从电网流向风电场^[12-13]。

通过图 3可以从无功电压的角度更清晰地阐述恒功率因数运行模式和恒电压运行模式下双馈异步机组风电场稳态特性的差异。该风电场出力小于200 MW时, 电网电压水平较高, 风电机组只需发出较少的无功即可维持其机端电压恒定; 在这个出力范围内, 恒电压控制模式风电场从电网吸入的容性无功多于恒功率因数模式, 因此, 在风电场出力比例较低的运行点造成电网电压的增幅要小于恒功率因数模式。

该风电场出力大于200 MW时, 由于风电场内线路和送出线路上有功功率流动增大, 需要从电网中吸收大量的容性无功。在这个出力范围内, 恒电压控制模式下为了维持机端母线电压恒定, 风电机组的无功出力要大于恒功率因数模式, 风电场从电网中吸入的容性无功也就少于恒功率因数模式, 因此, 在风电场出力比例较高的运行点, 恒电压控制模式引起电网电压的降幅也要小于恒功率因数模式。

由以上分析可知, 双馈异步风电机组采用恒电压运行模式接入电网的稳态特性要优于采用恒功率因数运行模式。

4 不同运行模式对风电场暂态运行的影响

双馈异步风电机组在恒功率因数模式和恒电压控制模式下运行的暂态性能也有一定区别。以上述同样的算例仿真分析, 设定风电场接入点与其他母线之间的220 kV线路在接入点母线侧发生全相短路, 且在0.12 s后跳闸切出故障。图 4为2种控制模式下, 电网发生故障及恢复过程中相关母线的暂态电压曲线; 图 5为风电场有功出力和无功出力的暂态变化曲线。

通过图 4中双馈异步风电机组分别采用的2种不同控制模式的对比曲线可知, 电网故障清除后, 双馈异步风电机组在恒电压控制模式下, 系统电压恢复速度明显优于恒功率因数控制模式, 暂态过程中机端电压的变化幅度也小于恒功率因数模式的幅度。

通过图 5中双馈异步风电机组分别采用2种模式的曲线对比可知, 故障过程中, 采用恒电压控制模式的风电机组可以更快地提供连续无功支持, 电网故障清除后, 更有利于系统电压的恢复。采用恒功率因数模式时, 电网故障清除后风电场与电网之间的无功交换有较大波动, 并且不能向电网提供容性无功支持。在有功出力方面, 电网故障清除后, 采用恒电压控制模式的风电场其有功出力的恢复也更为迅速。

因此, 从风电场暂态运行特性来看, 双馈异步风电机组采用恒电压控制模式对系统稳定性的影响要优于恒功率因数模式。

5 结论与建议

综合以上研究分析可知:风电场并网运行, 双馈异步风电机组采用恒电压控制模式, 能够发出更多的无功功率支撑电网电压, 对电力系统运行的稳态特性和暂态特性的影响都要优于采用恒功率因数控制模式; 风电场内风电机组通过采用恒电压控制模式维持系统稳定性, 可以提高电力外送能力, 减少限电损失, 有益于提高风电场的可用率和发电量。

同时提出以下建议:电网运行部门单位应根据不同电源的运行特性合理制定风电场无功功率考核办法; 风电场宜与风电机组生产厂家积极研究实现风电机组的灵活运行模式, 充分利用风电机组的无功能力。