风电场无功补偿及电压控制二

1、主讲：朱永强主讲：朱永强风电场的电压稳定分析风电场的电压稳定分析声明：教学资料请匆转载声明：教学资料请匆转载3.1电压稳定的概念和机理电压稳定的概念和机理3.2风电场风电场低电压穿越能力要求低电压穿越能力要求3.3风电场的静态电压稳定问题分析风电场的静态电压稳定问题分析3.4风电场的暂态电压稳定问题分析风电场的暂态电压稳定问题分析 三个基本概念：电压稳定、电压失稳、电压崩溃三个基本概念：电压稳定、电压失稳、电压崩溃电压稳定电压稳定：P.Kunder将电压稳定定义为将电压稳定定义为“电力系统在电力系统在正常运行或经受扰动后维持所有节点电压为可接受正常运行或经受扰动后维持所有节点电压为可接受值的能

2、力值的能力”。电压失稳电压失稳：指指“扰动引起的持续且不可控制的电压下扰动引起的持续且不可控制的电压下降过程降过程”。电压崩溃电压崩溃：指指“伴随着电压失稳的一系列事件导致系伴随着电压失稳的一系列事件导致系统的部分电压低到不可接受的过程统的部分电压低到不可接受的过程”3.1电压稳定的概念和机理电压稳定的概念和机理3.1电压稳定的概念和机理电压稳定的概念和机理并网风电场静态电压稳定性分析并网风电场静态电压稳定性分析的实质是的实质是风电机组的风电机组的有功、有功、无功特性无功特性与电网本身的坚强程度、电网或风电机组本身是与电网本身的坚强程度、电网或风电机组本身是否能够在风电机组连续运行中提供足够的

3、无功电压支持，否能够在风电机组连续运行中提供足够的无功电压支持，在小扰动情况下保证机组与电网的电压稳定性。在小扰动情况下保证机组与电网的电压稳定性。 3.23.2风电场风电场低电压穿越能力要求低电压穿越能力要求图1风电场低电压穿越能力要求国家电网公司出台的国家电网公司出台的风电场风电场接入电网技术规定指出：接入电网技术规定指出：风电风电场应具备场应具备低电压穿越低电压穿越能力：能力：a)风电场内的风电机组具有在并网风电场内的风电机组具有在并网点电压跌至点电压跌至20%额定电压额定电压时能够保持时能够保持并网运行并网运行625ms的低电压的低电压穿越能力；穿越能力；b)风电场并网点电压在发生风电

4、场并网点电压在发生跌落后跌落后3s内内能够能够恢复到恢复到额定电压的额定电压的90%时，风电场内的风电机组保持并网运行。时，风电场内的风电机组保持并网运行。 3.3 风电场的静态电压稳定问题分析风电场的静态电压稳定问题分析采用静态潮流计算的方法对电压稳定性的问题进行说明采用静态潮流计算的方法对电压稳定性的问题进行说明。无穷大系统S1=P1+jQ1Z=R+jX02U1UQgPgQgcPRQLQC/2QC/2S2=P2+jQ2图2 单机无穷大系统电压稳定分析示意图经过公式推导，得出并网点电压为：经过公式推导，得出并网点电压为：对上式进行化简，得到：对上式进行化简，得到：可以看出，风电机组可以看出，

5、风电机组机端电压机端电压的值与其发出的的值与其发出的有功、无功功有功、无功功率及等值线路的率及等值线路的R、X值值有密切的关系，当等值的线路参数有密切的关系，当等值的线路参数确定时，则机端电压水平完全由风电场与等值线路作为一个确定时，则机端电压水平完全由风电场与等值线路作为一个子系统的有功、无功决定子系统的有功、无功决定。)()()(412111112111RQXPjXQRPRQXPU22221UXQRPUU 3.3 风电场的静态电压稳定问题分析风电场的静态电压稳定问题分析（1）异步机风电场静态电压稳定性）异步机风电场静态电压稳定性由于在线路中的压降主要是由由于在线路中的压降主要是由无功传输无

6、功传输引起的，因此风电场引起的，因此风电场电压稳定性降低的原因主要是因为风电场及其等值线路作为电压稳定性降低的原因主要是因为风电场及其等值线路作为一个一个无功负荷需要吸收无功无功负荷需要吸收无功所致，当机端并联电容器提供的所致，当机端并联电容器提供的无功功率与线路充电无功功率之和大于风电场与等值线路消无功功率与线路充电无功功率之和大于风电场与等值线路消耗的无功时，风电场机端电压水平能够得到改善；耗的无功时，风电场机端电压水平能够得到改善； 3.3 风电场的静态电压稳定问题分析风电场的静态电压稳定问题分析（2）双馈感应电机风电场静态电压稳定性）双馈感应电机风电场静态电压稳定性由于双馈感应电机能够

7、实现有功、无功的解耦控制，因此基由于双馈感应电机能够实现有功、无功的解耦控制，因此基于双馈感应电机的变速风电场的无功特性取决于于双馈感应电机的变速风电场的无功特性取决于双馈风电机双馈风电机组的组的控制。控制。双馈风电机组构成的风电场能够控制其风电场出口与电网之双馈风电机组构成的风电场能够控制其风电场出口与电网之间不交换无功功率，其间不交换无功功率，其电压稳定性要明显好于异步机风电场电压稳定性要明显好于异步机风电场。 3.3 风电场的静态电压稳定问题分析风电场的静态电压稳定问题分析风电场的风电场的暂暂态电压稳定问题分析态电压稳定问题分析主要包括：主要包括：恒速风电机组暂态电压稳定分析恒速风电机组

8、暂态电压稳定分析 异步发电机的暂态电压稳定性分析异步发电机的暂态电压稳定性分析和和故障时轴系松弛特性故障时轴系松弛特性 对暂态电压稳定影响对暂态电压稳定影响。变速风电机组暂态电压稳定分析变速风电机组暂态电压稳定分析 转子侧变频器暂态电压控制模型转子侧变频器暂态电压控制模型、变频器保护系统变频器保护系统和和变速变速风电机组桨距角控制模型风电机组桨距角控制模型。 3.4 风电场的风电场的暂暂态电压稳定问题分析态电压稳定问题分析恒速风电机组暂态电压稳定分析恒速风电机组暂态电压稳定分析a) a) 异步发电机的暂态电压稳定性分析异步发电机的暂态电压稳定性分析对于风电机组的异步发电机，转子运动方程如对于风

9、电机组的异步发电机，转子运动方程如下下式式所示：所示： ：异步发电机轴上的机械转矩异步发电机轴上的机械转矩， ：异步发电机的电磁转矩异步发电机的电磁转矩。 3.4 风电场的风电场的暂暂态电压稳定问题分析态电压稳定问题分析EMggTTdtdH2MTETa) a) 异步发电机的暂态电压稳定性分析异步发电机的暂态电压稳定性分析 3.4 风电场的风电场的暂暂态电压稳定问题分析态电压稳定问题分析1.01.11.21.31.40.00.51.01.52.02.5TM (50%)krfcrncrKFKNA DCB0.7pu0.8pu0.9pugTETM (100%)1.0pu图3 异步发电机电磁转矩转速特性

10、曲线a)a)异步发电机的暂态电压稳定性分析异步发电机的暂态电压稳定性分析 当电网发生故障时，由于机端电压的降低导致发电机向当电网发生故障时，由于机端电压的降低导致发电机向电网注入的电网注入的电磁功率电磁功率也会也会降低降低，引起异步发电机，引起异步发电机加速加速，可以由图可以由图4的异步发电机故障前后的电磁转矩转速曲线的异步发电机故障前后的电磁转矩转速曲线来分析故障过程中发电机行为，来分析故障过程中发电机行为， 3.4 风电场的风电场的暂暂态电压稳定问题分析态电压稳定问题分析图4 异步发电机电压降低时电磁转矩转速特性曲线及动态稳定极限1.01.11.21.31.40.00.51.01.52.0

11、2.5FTM (70%)E减速面积krfcrncrKFKNA DCB0.8pugTETM (100%)1.0pu加速面积a)异步发电机的暂态电压稳定性分析 只要异步发电机故障时的只要异步发电机故障时的加速面积小于其减速面积加速面积小于其减速面积，异步发电机就是，异步发电机就是动动态稳定态稳定的；若加速面积的；若加速面积大于大于减速面积，则异步发电机转速就会减速面积，则异步发电机转速就会超出故障超出故障时的动态临界转速值时的动态临界转速值 ，异步发电机失去稳定。异步发电机的机械转矩曲，异步发电机失去稳定。异步发电机的机械转矩曲线与电磁转矩曲线在静态稳定极限点线与电磁转矩曲线在静态稳定极限点KN右

12、侧的交右侧的交点点(电压电压1.0pu时为时为B点，点，电压电压0.8pu时为时为D点）为异步发电机的动态稳点）为异步发电机的动态稳定定极限点，其对应的转速为极限点，其对应的转速为动态稳定极限转速。动态稳定极限转速。 3.4 风电场的风电场的暂暂态电压稳定问题分析态电压稳定问题分析1.01.11.21.31.40.00.51.01.52.02.5FTM (70%)E减速面积krfcrncrKFKNA DCB0.8pugTETM (100%)1.0pu加速面积b)故障时轴系松弛特性对暂态电压稳定影响风电机组两质块的轴系运动方程风电机组两质块的轴系运动方程: 3.4 风电场的风电场的暂暂态电压稳定

13、问题分析态电压稳定问题分析)(220gtsggEssggttsstttdtdDTKdtdHDKTdtdH风力机轴具有较大的风力机轴具有较大的柔性柔性，在电网中发生三相短路故障、电，在电网中发生三相短路故障、电压降低风电机组电磁转矩降低的情况下，风力机的轴会发生压降低风电机组电磁转矩降低的情况下，风力机的轴会发生“释放扭转再释放再扭转释放扭转再释放再扭转”这样一个反复的振荡过程，这样一个反复的振荡过程，即角度即角度 发生振荡变化。发生振荡变化。从发电机侧来看，机械转矩从发电机侧来看，机械转矩 其大小也是不断波动的，其大小也是不断波动的，则轴系的故障时的则轴系的故障时的松弛特性松弛特性，也会影响到

14、风电机组的暂态电，也会影响到风电机组的暂态电压稳定性。压稳定性。sssMKTb)故障时轴系松弛特性对暂态电压稳定影响轴的扭转一部分弹性势能储存在轴系轴的扭转一部分弹性势能储存在轴系 3.4 风电场的风电场的暂暂态电压稳定问题分析态电压稳定问题分析sMsssKTKW222121旋转的两质块轴系的动能为旋转的两质块轴系的动能为22ggttHHE对故障前后的两质块轴系系统应用能量守恒定律：对故障前后的两质块轴系系统应用能量守恒定律：faultpostsfaultpresEWEW)()(b)故障时轴系松弛特性对暂态电压稳定影响由于由于轴系松弛引起的发电机转速增加值为：轴系松弛引起的发电机转速增加值为：

15、 3.4 风电场的风电场的暂暂态电压稳定问题分析态电压稳定问题分析22221gggggsMHHKTsgMgKHT221在电网发生故障时，轴系松弛过程会导致发电机转速在电网发生故障时，轴系松弛过程会导致发电机转速升高更多；并且当发电机的惯量较小且轴系的刚度系升高更多；并且当发电机的惯量较小且轴系的刚度系数数 较小时，由于轴系松弛引起的发电机转速的增较小时，由于轴系松弛引起的发电机转速的增加值会更大。加值会更大。sK变速风电机组暂态电压稳定分析变速风电机组暂态电压稳定分析基于双馈感应电机的变速风电机组由于能够基于双馈感应电机的变速风电机组由于能够通过变频器控制通过变频器控制系统将发电机有功、无功功

16、率实现解耦控制，改善风电场功系统将发电机有功、无功功率实现解耦控制，改善风电场功率因数及电压稳定性，因此其率因数及电压稳定性，因此其静态及暂态电压稳定性要远远静态及暂态电压稳定性要远远好于基于普通异步发电机的恒速风电机组好于基于普通异步发电机的恒速风电机组，基于双馈变速风，基于双馈变速风电机组的风电场其电机组的风电场其静态及暂态电网稳定性静态及暂态电网稳定性的好坏完全取决于的好坏完全取决于其其控制系统的静态控制策略及其暂态控制能力控制系统的静态控制策略及其暂态控制能力。 3.4 风电场的风电场的暂暂态电压稳定问题分析态电压稳定问题分析变速风电机组暂态电压稳定分析变速风电机组暂态电压稳定分析正常

17、控制策略下双馈风电机组控制系统在电网侧发生大扰动正常控制策略下双馈风电机组控制系统在电网侧发生大扰动故障如三相短路时，故障如三相短路时，无法提供动态电压支持无法提供动态电压支持，另外由于故障，另外由于故障线路切除导致电网结构更弱，机端电压降低。风电机组有功线路切除导致电网结构更弱，机端电压降低。风电机组有功功率无法完全送出功率无法完全送出，机械转矩大于电磁转矩引起风电机组，机械转矩大于电磁转矩引起风电机组超超速速，会导致整个风电场内所有风电机组超速保护动作将风电，会导致整个风电场内所有风电机组超速保护动作将风电机组切除，影响到了风电场的运行及电网的安全，因此，有机组切除，影响到了风电场的运行及

18、电网的安全，因此，有必要研究改善基于双馈感应发电机并网风电场暂态电压稳定必要研究改善基于双馈感应发电机并网风电场暂态电压稳定性的措施。性的措施。 3.4 风电场的风电场的暂暂态电压稳定问题分析态电压稳定问题分析变速风电机组暂态电压稳定分析变速风电机组暂态电压稳定分析a)转子侧变频器暂态电压控制模型转子侧变频器暂态电压控制模型图图5 5 转子侧变频器暂态电压控制器转子侧变频器暂态电压控制器根据给定的电压参考值根据给定的电压参考值 与故障过程中实际测得的电压值与故障过程中实际测得的电压值比较，其误差信号经过比较，其误差信号经过PI控制器，确定转子侧变频器需要控制器，确定转子侧变频器需要发出的发出的

19、无功参考值无功参考值 ，再通过内环的电流控制来调整风电，再通过内环的电流控制来调整风电机组实际发出无功功率以帮助双馈感应电机在故障后重建机组实际发出无功功率以帮助双馈感应电机在故障后重建机端电压至给定的参考值。机端电压至给定的参考值。 3.4 风电场的风电场的暂暂态电压稳定问题分析态电压稳定问题分析measgridUrefrotorqi,mqrotorP,refgridUmeasgridQrefgridQmeasrotorqi,)11 (uusTK)11 (QQsTK)11 (qqsTK变速风电机组暂态电压稳定分析变速风电机组暂态电压稳定分析b)变频器保护系统变频器保护系统在电网发生暂态扰动时

20、，变流器中的电力电子器件可能会在电网发生暂态扰动时，变流器中的电力电子器件可能会被烧坏被烧坏，而对于风电机组在，而对于风电机组在具备低电压穿越的条件具备低电压穿越的条件下，不下，不允许将风电机组从电网中切除，因此，允许将风电机组从电网中切除，因此，变速风电机组的变变速风电机组的变频器必须频器必须配置保护系统配置保护系统。在电网发生故障时，能够保护变在电网发生故障时，能够保护变频器不被电流损坏，双馈风电机组在转子侧都装有转子短频器不被电流损坏，双馈风电机组在转子侧都装有转子短路器。路器。 3.4 风电场的风电场的暂暂态电压稳定问题分析态电压稳定问题分析b)变频器保护系统变频器保护系统保护原理：保

21、护原理：转子每一相都串连一个转子每一相都串连一个可关断晶闸管和一个电阻器可关断晶闸管和一个电阻器，与，与转子侧变频器并联。电阻器转子侧变频器并联。电阻器阻抗值阻抗值的选择的选择不能太大不能太大，以防止转子侧变频，以防止转子侧变频器器过电压过电压，阻值阻值也也不可以过小不可以过小，不然难以达到，不然难以达到限制电流限制电流的目的，具体数的目的，具体数值要根据具体情况而定。外部系统故障清除后，转子短路器晶闸管关断，值要根据具体情况而定。外部系统故障清除后，转子短路器晶闸管关断，转子侧变频器解除闭锁，可继续对双馈电机进行控制。转子侧变频器解除闭锁，可继续对双馈电机进行控制。当转子电流当转子电流超出超出其额定电流其额定电流2倍倍时，转子短路器保护动作投入，投入时间固定为时，转子短路器保护动作投入，投入时间固定为60ms，即短接转子回路的时间为即短接转子回路的时间为60ms以躲过暂态扰动导致的暂态过流时间。以躲过暂态扰动导致的暂态过流时间。 3.4 风电场的风电场的暂暂态电压稳定问题分析态电压稳定问题分析双馈机转子短路器(Crow-bar)转子侧变频器图图6 转子侧变频器暂态电压控制器转子侧变频器暂态电压控制器c)变速风电机组桨距角控制模型变速风电机组桨距角控制模型桨距角控制能够在桨距角控制能够在很短的时间很短的时间内实