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大规模风力发电是解决能源危机和环境污染的有效途径,早期风电场容量小且大多采用感应发电机,直接连接在配电网上,主要影响接入地区的电压稳定性。随着新型变速恒频机组的应用,风电机组单机容量和风电场的装机容量越来越大,接入电网的电压等级也越来越高,其对电网电压的影响范围和影响程度越来越大,甚至使并网系统的功角稳定和频率稳定受到显著影响,本文着重对基于变速恒频双馈风电机组的大型风电场接入电力系统后的电压稳定性做了深入研究,主要的研究内容及结论如下:
(1)广泛调研当今风电场接入电力系统稳定性技术研究的发展现状,以风电并网系统稳定性研究为主线,着重从新型风电机组的建模及其电压控制策略、FACTS装置的应用以及电压稳定分析方法三个方面介绍了当前风电接入电网电压稳定性研究概况,简要阐述了大规模风电功率注入电网对电力系统暂态稳定性和频率稳定性的影响。
(2)在阐述风力发电原理基础上分别构建了风速模型、风力机的空气动力学模型以及机械传动部分的轴系模型,针对整个风电系统中的核心部件-双馈感应发电机组,在同步旋转坐标系下推导出其简化动态数学模型,并指出风电场进行等值仿真计算时应该考虑风电机组的型号和所处位置、尾流效应等困素,简单搭建了双馈型风电场的等值仿真模型。
(3)详细阐述了变速恒频双馈风电机组的控制系统结构,建立了风力机的桨距角控制策略,在推导出双馈风电机组转子侧变流器和网侧变流器的控制原理基础上分别采用基于定子磁链定向的转子侧变流器矢量控制方案实现对双馈发电机组定子侧有功和无功功率的解耦控制,采用基于电网电压定向的矢量控制方法实现网侧变流器与电网之间传输的有功和无功的解耦控制,制订了故障期间转子侧变流器的保护方案并探讨了变流器参数设计对其性能的影响。
(4)分析比较了双馈风电机组与常规同步发电机的励磁特性,通过仿真研究表明适当的变流器紧急应对措施可以使风机迅速恢复控制能力,从而通过灵活地调节其转子磁链矢量的幅值和相角使电压快速重建；而仅安装励磁调节器的传统同步发电机由于励磁响应慢且控制量单一,使其调控能力较前者低且长时间的电压跌落极易造成机组暂态功角失稳。此外,当选择合适的交流器参数使直流侧电容额定容量接近变流器的额定无功容量时,网侧变流器抵抗不对称短路故障期间所产生负序电流的能力更强。
(5)详细分析了风电场接入电力系统后对电压稳定性的影响机理,说明了风电场的功率特性是决定风电并网系统电压稳定的重要因素,阐述了双馈风电机组的有功功率和无功功率特性,针对恒功率因数和恒电压控制两种运行方式分别建立了相应的无功电压控制策略,并运用静态连续潮流法、准静态时域仿真法以及时域仿真法三种方法结合算例探讨了双馈型风电场功率特性对并网系统电压稳定性带来的影响,并指出充分发挥双馈风电机组无功调节功能的恒电压控制方式在改善系统电压稳定性方面比恒功率因数控制方式具有更大的优越性。
(6)针对常用于改善风电场并网电压稳定性的新型无功补偿装置SVC和STATCOM的基本原理与控制策略展开研究,详细比较了两种装置在应对风速变化和电压跌落时的性能,指出安装在同一位置且具备相同容量STATCOM装置比SVC装置的无功补偿效果更理想。
(7)针对装设新型变速恒频双馈风电机组的异步型风电场提出一种无功协调控制策略,充分发挥新装机组无功调控潜能并利用新装机组的无功控制能力来尽可能地补偿原有传统异步风电机组的无功消耗,通过结合算例表明本文提出的无功配合管理机制可以有效地提高风电并网系统的静态电压稳定裕度,同时在系统受到大扰动后使其具备更好的暂态电压和功角稳定性。