论双馈风电机组故障行为及对电力系统暂态稳定性的影响

论双馈风电机组故障行为及对电力系统暂态稳定性的影响

曾庆达

广西龙源风力发电有限公司

摘要：双馈风机电阻的故障行为是指在故障穿越的过程中，风电机组自身通过有功功率、无功功率、有功恢复等方式进行的机组控制，以促使机组稳态运行。本文将结合目前双馈风电机组的故障穿越来对其故障行为进行论述，并从中深刻分析其对电力系统暂态稳定性所产生的影响，同时结合技术手法，归纳出针对所造成影响的解决策略。

关键词：故障穿越；机组控制；发电机转子轨迹；系统惯性

前言

随着技术发展，双馈风电机组的故障穿越技术已经不能够选用传统的矢量控制方式来实现。在非正常电压下，电网电压一旦出现跌落，矢量控制方式就无法对系统完全耦合做出保障，因此在充分考量了励磁电流的动态过程之后，现代技术选用前馈定子电压作为瞬态补偿从而使转子侧电流变换器得到控制的前馈瞬态电流控制技术，来满足现代双馈风电机组的故障穿越。

一、双馈风电机组的故障行为

（一）双馈风电机组的故障有功控制

在故障发生的过程中，双馈风电机组为了进行系统控制，会表现出有功控制的故障行为，这种有功控制的现象可以通过负电阻的等值电路图进行表示，并需要利用送电系统当中的发电机输出功率进行计算。计算中，首先要将发电机自阻抗和互阻抗联立，从而借由自阻抗和互阻抗角度求得自阻抗虚部和双馈风电机组的有功功率。通过计算本文发现，在故障行为中，双馈风电机组的自阻抗虚部与有功功率定值呈现平方负相关关系，实部绝对值则与有功功率呈正相关关系。

（二）双馈风电机组的故障无功控制

在双馈风电机组发生故障时，故障行为中单端送电系统会对同步发电输出中的功率电阻产生一定影响，对单端送电系统的同步发电机输出功率进行计算后可以发现，单端送电系统的同步发电输出功率是双馈风电机组无功功率的单调增函数，且在故障期间会表现出无功功率定值不断增大且使得功率曲线出现明显的拉伸变化，并在一定程度上减小了加速面积。

（三）双馈风电机组故障清除的有功恢复

在故障清除之后，双馈风电机组会形成有功恢复的故障行为，其计算方式与有功控制相似，结果中自阻抗虚部与双馈风电机组有功功率、自阻抗实部与双馈风电机组有功功率的定值相关关系与前者相同。不过，当阻抗角大于90°时，则角度与双馈风电机组的有功功率定值呈负相关。此外，在故障清除后，同步发电机组的机械功率相较于故障清除后的电磁功率为低，转子出现减速运动，并形成对应的功角。

二、故障行为对暂态稳定性的影响

（一）故障行为对系统惯性的影响

对于系统的暂态稳定性来说，系统当中的惯性时间常数、机械功率是构成暂态稳定的核心要素。其中惯性时间常数在双控风电机组中是构成系统本征结构的参数，其变化规律相对固定，因此在系统出现故障的过程中，系统内部的同步发电机组不能被取代，因此会导致惯性时间常数发生变化。在双馈风电机组中，机械功率的暂态稳定过程无法快速得到调节，在以往的调速器或者风力机控制器的应用中，机械功率的快速调节结果都不理想。因此在暂态理论当中，往往会对暂态期间的发电机机械功率的机械变化采取忽略和淡化的处理办法。虽然机械变化可以在一定程度上忽略不计，但是当机组发生故障时，电气量的稳定值会发生较大的变化，从而造成总负荷和总损耗的增加。

（二）故障行为对转子轨迹的影响

双馈风电机组的系统暂态稳定性中，发电机转速和功角的暂态行为是稳定性的关键性保证之一。在双馈风电机组的故障过程中，会出现在无功控制时因发动机自身的转子运动出现暂态响应导致变化趋势发生改变；或者对暂态相应的变化过程造成影响。本文在对故障过程进行分析中发现，机械功率在故障发生期间无论是有功控制还是无功控制，都不会出现大规模的变化，而惯性时间常数与其相反，变化较为巨大。从系统动态功率的平衡角度进行考量，不同的暂态功率响应特性，都是由于暂态分布规律的变化影响暂态功率的输出。此外，电磁功率的暂态响应与其自身的发电功角的运行状态关系同样密切，由此可以得知双馈风电机组的接入容量和暂态功率响应会造成电磁功率的暂态变化，并深刻受到电气联系的影响。

（三）故障行为对区域互联的影响

随着电力系统的不断发展，多区域互联利用特高压线路组成大型同步电网已经初具规模，其中华北、华东、华中“三华”的区域电网互联最引人注目，这也标志着我国电网的区域互联已经取得不俗的成绩。在多区域互联的电网当中，双馈风电机组在任意两区域之间，都会因转速和功角出现相对摇摆，从而形成这两个区域之间的区域转速与功角独立的暂态响应偏差值，在系统稳态时，系统频率、电角速度之间的偏差值不会太过明显，但由于遭受到故障行为的影响，并出现一定的系统暂态稳定性的起伏，就会使区域间相对转速的暂态响应出现较为巨大的变化，从而影响各区域之间的暂态功率平衡，甚至还会使各区域发电机总惯量发生波动。

三、暂态稳定性的提升策略

（一）双馈风电机组的并网暂态控制

目前我国的风电主要的接入特征为大规模、集中式，因此为了解决双馈风电机组的暂态稳定性问题时，本文选择了尚未得到大规模普及的并网方式。利用并网接入送端区域及两区域互联系统，使功率输出和区域间相对摇摆区域固定。在接入过程中，并网方式需要针对区域互联中超前、滞后两个区域，并通过在故障期间所具有的功率附加磁励控制策略，来判断系统暂态稳定模式，从而解决问题，同时搜集故障信息和暂态稳定模式信息。

（二）双馈风电机组的有功功率调节

在双馈风电机组的故障期间，转子电流的安全稳定运行裕度直接影响有功功率附加励磁控制的电流参考值。虽然在系统当中会采用欠励的方式进行系统稳定性控制，并且对于转子电流的最小值，变流器一般不做明确要求，但是对于系统暂态稳定性的来说，如何促使变流器的工况限制与系统暂态相应相结合仍旧是技术难点。因此本文通过利用转子的暂态运行裕度和稳态运行裕度进行暂态有功功率调节，实现对系统暂态稳定性的控制和提高。对于暂态转子的分量过励磁裕度来说，需要在考虑系统的无功功率控制策略的同时，进行有功功率的励磁电流极限值降低，从而使机端电压跌落幅度满足故障期间过励磁裕度要求，限制功率输出总额。

（三）积极开展有关机组运行的仿真验证

为了提升系统中暂态稳定性，还需要针对双馈风电机组展开相应的方针验证，从而实时了解其运行情况。例如在并网设计当中，并网是如何接入送端区域、如何保证在故障期间暂态有功功率对转速影响效果不变，这些内容都是提升暂态稳定性的核心，需要通过仿真验证来获知。首先需要对仿真场景进行设定，例如设定系统出现双回三相短路故障，位置位于区域间传输线路系统运行2秒内的中端节点，并经过0.3秒后得以切除，仿真验证即根据这一场景进行最大功率的追踪控制模式模拟，从而使无功功率控制具备零输出模式，无暂态控制附加。

结论

综上所述，在现阶段双馈风电机组的故障发生过程中，故障行为对于系统的暂态稳定影响十分巨大。本文通过对集中暂态稳定的影响进行分析，发现在转子轨迹、电磁功率等方面影响巨大，并深刻关系着我国目前的区域互联建设，因此制定出关于并网方式及有功功率调节等策略，降低其影响。

参考文献

[1]张艳霞，童锐，赵杰，等.双馈风电机组暂态特性分析及低电压穿越方案[J].电力系统自动化，2013，37(6):7-11.

[2]郝正航.双馈风电机组的暂态行为及其对电力系统稳定性影响[D].天津:天津大学，2011.

[3]刘其辉，贺益康，张建华.交流励磁变速恒频风力发电机的运行控制及建模仿真[J].中国电机工程学报，2006，26(5):43-50.

[4]徐海亮，章玮，贺益康，等.双馈型风电机组低电压穿越技术要点及展望[J].电力系统自动化，2013，37(20):8-15.