发表时间：2020-12-07T15:37:49.933Z 来源：《中国电业》2020年7月20期 作者： 潘旻琪[导读] 由于化石能源枯竭和环境严重污染，清洁能源风能发电技术较成熟 潘旻琪
广东电网荔湾供电局 510370
【摘 要】由于化石能源枯竭和环境严重污染，清洁能源风能发电技术较成熟，逐渐引起人们的重视[1]。然而，风电的波动性、随机性和间歇性等特点对电网稳定性和安全性产生了冲击。因此，有必要对风电并网功率控制进行研究。本文基于双馈感应发电机（DFIG）风电场接入系统，通过仿真得出了以下结论，MPPT在不同风速下能够不断调整风机输出有功功率功率，使电网接收到更平稳的功率；静止无功补偿器（STATCOM）的就地补偿使风电场发出更稳定的无功功率[2]。
关键字：风电场；双馈感应发电机；功率控制；最大风能追踪（MPPT）；静止无功补偿器（STATCOM）
在本次仿真中使用到的模型是三机九节点模型，正常状态下的三机九节点模型情况，如下图4-1所示为不含风机部分的三机九节点线路图，图4-2所示为风电场部分，其中G1、G2是同步机组，同步机组包括发电机模型、励磁系统模型，不计及调速系统模型等其他动态元件，G1d是风力发电机，与之相连的还有变压器、逆变器等组成了三机九节点中的风电场部分；PCC风电场釆用同节的单机等值模型；风机的并联台数为5台，每台的有功出力为4.5MW，无功出力为0.2MW，功率因数为0.88。
而下图4-2则是本次三机九节点的风机部分模型图：
与风机相连的PCC母线上的电压、频率分别如下图4-3、图4-4示，风机的原始输出有功情况如下图4-4所示，仿真时间为100s。在点击初始化后进行RMS/EMT仿真，得到如下结果：
一开始的上升阶段是由于风机本身在运行后，转速慢慢上升，有功输出逐渐达到额定值，由于转轴达到额定速度不可能在一开始就达到额定频率。在达到额定转速后，从图4-5中可以看出输出的频率很稳定，系统处于正常状态。 一、有功仿真过程
衡量电能质量的一个重要指标就是频率[3]。电力系统要想实现在额定频率下的有功功率平衡，同时还有必要的备用容量，都是保证频率质量的基本前提。负荷变化会引起系统频率的偏移，当系统发电机发出的有功功率与有功负荷相等时，系统频率保持不变；当系统发电机发出的有功攻率大于负荷所消耗的有功功率时，系统频率会随着电机转速的增大而增大；当系统发电机发出的有功小于负荷所能消耗的有功时，系统频率会降低。以下仿真均建立在有足够风能的前提下完成[4]。 （一）当总负荷的有功变化时，系统频率的变化情况：
在连接好的三机九节点系统中的BUS A母线上新增一个负荷，仿真时间是10s：
事件一：设定新增负荷值为,开关原本为闭合状态，连接在母线上，在1s时对该负荷设置一个开关事件使开关断开与母线的连接，在1.025s时再设置一个开关事件为闭合开关使负荷再次接上母线，恢复为初始状态；
事件二：设定新增负荷值为,开关原本为闭合状态，连接在母线上，在1s时对该负荷设置一个开关事件使开关断开与母线的连接，在1.025s时再设置一个开关事件为闭合开关使负荷再次接上母线，恢复为初始状态；
事件三：设定新增负荷值为,开关原本为闭合状态，连接在母线上，在1s时对该负荷设置一个开关事件使开关断开与母线的连接，在1.025s时再设置一个开关事件为闭合开关使负荷再次接上母线，恢复为初始状态；
事件四：设定新增负荷值为,开关原本为闭合状态，连接在母线上，在1s时对该负荷设置一个开关事件使开关断开与母线的连接，在1.025s时再设置一个开关事件为闭合开关使负荷再次接上母线，恢复为初始状态；
开始仿真，分别在不同事件下观察PCC母线上的频率变化情况以及新增负荷的有功变化情况，分别如下图4-6、4-7所示：
可以看出，负荷变化值越大，频率波动幅度越大；反之，负荷变化值越小，频率波动幅度越小。负荷变化将会引起频率的偏移。我国规定风电场中只要其输出有功功率占总输出有功的20%及以上时，该风场必须有能够自动参与频率调整的能力，达到有差调节的目的。全系统的频率是统一不变的，调频问题涉及到整个系统。因此，对有功功率控制的程度会影响到系统频率的变化[5]。
图4-7 PCC母线频率变化图
（二）不同风速下，MPPT对风电场输出功率调节的影响[6]
在三机九节点模型中，把风电场的MPPT曲线设定好后，设定事件并进行时长为10s的仿真。
事件一：在0.5s处设定一个参数事件，将风速从原来的13.778m/s变到12m/s；然后，在1s处设定一个三相短路事件；最后，在1.025s处设定清除短路事件，将故障清除，观察风机对外输出有功功率的变化情况，并进行分析。
事件二：在0.5s处设定一个参数事件，将风速从原来的13.778m/s变到10m/s；然后，在1s时BUS B处设定一个短路事件；最后，在1.025s处设定清除短路事件，将故障清除，观察风机对外输出有功功率的变化情况，并进行分析。 开始仿真，观察不同事件下风机的出力变化情况，如下图4-8所示：
可以从图4-8中看出，事件一发生时，由于在0.5s处风速发生了改变，风速从原来的13.778m/s变为了12m/s，可以从图中清晰的看到风机有功输出明显下降了，原因是此时风机叶片上获得的动能减少，风机输出有功同样减少。然后在1s时，BUS B上出现了三相短路故障，从图上可以清晰看到此时的有功发生跌落接近为0，系统还发生了一定程度的震荡，可以看出此时的电网非常不稳定，在0.025s后将故障切除后，风机输出有功回升，并逐渐稳定下来，但是与之前的有功输出相比较有一定程度的下降。主要原因是风速的下降使得风能最大捕获点也下降了，此处风机输出功率发生变化的原因可以用风机最佳功率-转速曲线来解释。如下图4-9所示为风机最佳功率-转速曲线，假定风速在13.778m/s时风机在最大风能捕获情况下运行在E点，而风速为12m/s时风机在最大风能捕获情况下运行在C点。当风场风速从13.778m/s变到12m/s时，工作点会从点E转移到点D，因为在机械惯性的作用下，转速不会随风速的变化而立即改变，所以就会存在输出功率大于输入功率的情况，此时转速上升，在采用了闭环控制情况下，如选图4-10 所示，意思是控制系统会对风机的转速和功率进行实时监测，将此时风机的实际输出功率和最有输出功率值进行比对，利用两者之间的误差值作为信号对风机的输出功率进行调节，能让风机保持在最佳功率-转速曲线运行，工作点运行到点C时达到平衡，即当前点C为目前条件下的最大功率输出点。这就是在MPPT控制方式下风机实现了最大风能捕获，输出功率为当前条件下的最大值。像点C、点E是和曲线的交叉点（即最大风能捕获点）。
图4-9 风机最佳转速-功率曲线
可以从上图4-11中的PCC母线相应的频率变化看出当风速变小时，由于风机的机械惯性，输出功率大于输入功率，则转速也会上升，转速与频率的关系式为，因此频率也随之上升，而当1s发生短路故障后，系统失稳，导致频率急剧减少，在故障清除后，随着发电机转速恢复至当前情况下的最大风能捕获点时，频率也由一开始的震荡波动到最后的稳定。二、无功仿真过程
电压是衡量电能质量的一个重要指标。电力系统的运行电压水平取决于无功功率的平衡。假设系统的频率维持在额定值不变时，系统中各种无功电源的无功功率输出（简称无功出力）应能满足系统负荷和网络损耗在额定电压下对无功功率的需求，否则电压将会偏离额定值。
为了确保系统的运行电压具有正常水平，系统拥有的无功功率电源必须满足正常电压水平下的无功需求，并且有必要的备用容量。从改善电压质量和减少网损角度出发，必须尽力做到无功功率的就地平衡，减少无功功率长距离和跨电压级的传送。这是实现有效的电压调整的基本条件。
（一）不同的负荷值突增对系统电压的影响：
在三机九节点系统中，在无STATCOM进行无功补偿情况下，对BUS A母线分四次设置四个不同事件，仿真时长为10s：
事件一：负荷初始状态为不与母线连接，在1s时设置开关事件使开关闭合接入系统，然后在1.025s时设置新的开关事件使得开关断开，负荷退出系统运行，观察节点电压的变化；
事件二：负荷初始状态为不与母线连接，在1s时设置开关事件使开关闭合接入系统，然后在1.025s时设置新的开关事件使得开关断开，负荷退出系统运行，观察节点电压的变化；
事件三：负荷初始状态为不与母线连接，在1s时设置开关事件使开关闭合接入系统，然后在1.025s时设置新的开关事件使得开关断开，负荷退出系统运行，观察节点电压的变化；
事件四：负荷初始状态为不与母线连接，在1s时设置开关事件使开关闭合接入系统，然后在1.025s时设置新的开关事件使得开关断开，负荷退出系统运行，观察节点电压的变化。
开始仿真，观察系统在不同事件下PCC母线上的电压变化情况，如下图4-12所示：
（二）是否有STATCOM对系统无功的补偿情况：
在连接好的三机九节点系统中进行仿真，仿真时长为10s，分别实行不同事件，研究分析并得出相应结论：
（1）不带附加负荷：
事件一：风电场中的STATCOM是接入系统的状态并运行，观察节点电压的变化； 事件二：风电场中的STATCOM退出系统运行，观察节点电压的变化。
开始进行仿真，同时观察不同事件下PCC母线电压的变化情况，如上图4-13所示：
因为STATCOM的原因，在正常情况下对系统的无功进行少许补偿，节点电压比没有STATCOM时的电压值高了一点，但这不会对系统正常运行造成影响。 （2）带附加负荷：
在连接好的三机九节点模型中，在BUS A上接入新负荷，在1s时设置开关事件，负荷开关闭合接入系统，在1.025s时设置开关事件，负荷开关断开退出系统运行，仿真时长10s：
事件一：风电场中的STATCOM接入系统运行，对系统进行无功补偿； 事件二：风电场中的STATCOM退出系统运行，系统没有无功补偿装置。
开始进行仿真，同时观察对比不同事件的PCC母线电压异同点，如下图4-14所示：
对比两个事件，可以观察出它们的相同点是在受到相同的小扰动时，两事件中PCC母线上的电压跌落都是一样的；不同点是有STATCOM对系统进行无功补偿下的电压不会跌落到太小的值，相反没有STATCOM进行无功补偿时，节点电压会下跌到更低值。可以得出无功补偿装置对电网电压的稳定有着无可替代的作用。
（三）当三相短路时，是否有无功补偿对系统电压的影响： 在三机九节点模型中，设定事件并进行10s的仿真：
事件一：将STATCOM与系统相连接，在1s时BUS B上设定三相短路事件，在1.025s时将短路清除，观察PCC母线上的电压变化，并进行分析；
事件二：将STATCOM退出系统运行，在1s时BUS B上设定三相短路事件，在1.025s时将短路清除，观察PCC母线上的电压变化，与事件一进行对比并分析。
开始进行仿真，同时观察不同事件下PCC母线电压的变化情况，如下图4-15所示：
可以从下图4-15中观察得出，在系统没有STATCOM参与调节时，当发生大扰动时，系统会出现失压情况，节点电压不断下降，当故障被清除后，系统电压将恢复到一定水平，从事件一中得出，由于没有无功补偿器为系统就地提供无功进行补偿，只能依靠风电机组本身进行一定的无功调节，系统功率因数为0.88，能够为自身提供一定的无功支持，因此最终系统节点电压能够恢复到原来的水平，从故障清除后需要0.5s恢复到原电压水平；从事件二中得出，有STATCOM进行无功的就地补偿，因此事件二只需要0.25s就能够使节点电压恢复到原来的水平。因此，可以得出有无功补偿的系统更为稳定，受到大扰动后能够更加迅速的恢复，对生活生产的影响较小。
在有功部分的仿真中，得出在有MPPT（最大风能追踪）方式下，当系统在不同风速下，风机最终都会达到在该条件下输出的最大功率，让风电机组尽可能在接入系统时输出当前状态下最大有功功率，尽量让系统输出的有功维持在一定水平内，让风电场输出的功率尽可能的稳定，满足调度中心对风电场所发电量的要求，并达到有功控制的目的。 在无功部分的仿真中，通过对比有无无功补偿器（STATCOM）下，在系统受到大扰动后，通过对比从故障后恢复到原先水平的用时长短来分析出，在有STATCOM时，节点电压恢复的时间比没有STATCOM参与调控的时间短。得出结论为无功补偿器对系统稳定起了很大作用[7]。 参考文献[1] 王婉琳.我国新能源与可再生能源立法研究.环境经济[N].2014(3).50-57 [2] 赵宇,郭清滔,王奔等.基于变结构控制的交流励磁变速恒频风力发电机励磁控制研究[J].电力系统保护与控制, 2010, 34(15):12-17 [3] 张文通.风电场有功功率控制策略研究[D]. 硕士：华北电力大学.2013.6 [4] 胡绍猫，陈秉均.基于Matlab的双馈风力发电机的模型研究与仿真[[J].机械与电子，2006,(8):25-27. [5] 张晓杰.风电场有功功率控制方法研究[D].硕士：北京交通大学.2016.3 [6] 陈思卓，郭鹏，范晓旭.双馈式风力发电系统最大风能跟踪控制的研究[[J].电力科学与工程，2010, 26(1): 01-04. [7] 张锋，晃勤.STATCOM改善风电场暂态电压稳定性的研究[[J].电网技术，2008,32(9): 70-73
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