基于Simulink的风电并网稳定性影响因素仿真分析

王晓冬，夏立伟，刘骁，汪旭旭

(1.湖北电力公司检修公司鄂西北运维分部，湖北 襄阳 441000；2.国家电网公司直流建设分公司宜昌建设工程部，湖北 宜昌 443000)

基于Simulink的风电并网稳定性影响因素仿真分析

王晓冬1，夏立伟1，刘骁1，汪旭旭2

(1.湖北电力公司检修公司鄂西北运维分部，湖北 襄阳 441000；2.国家电网公司直流建设分公司宜昌建设工程部，湖北 宜昌 443000)

随着风电的大力发展，风电场并网的稳定性成为了急需解决的一大问题。本文介绍了风电机组的种类，分析了双馈异步电机的数学模型，利用Simulink仿真软件建立了风电场模型，通过仿真分析，探究了风速改变和单相接地故障对电力系统暂态稳定性的影响。

风电并网；稳定性；Simulink；仿真分析

1 前言

随着各地风力发电的蓬勃发展，风电场的规模不断扩大，风电装机容量在系统中所占的比例不断增加，风电输出的不稳定性对电网的功率冲击效应也不断增大，对系统稳定性的影响就更加明显[1-2]。因此风电接入后电网电压稳定性、暂态稳定性及频率稳定性都会发生一定的变化。而由于风能稳定性差、不能保存、风电场的分布位置偏远等特点，无论风电场装机容量大小、采用何种风电机组技术，风电接入都会对接入地区电网的稳定性带来不同程度的影响。

因此，在风电场建设与接入电网之前，进行必要的包含风电场的电力系统分析计算，研究规划风电场与电力系统之间的相互影响、及风电接入后系统运行的稳定性变化情况，无论是对于风电场业主还是电网部门而言，都是非常必要的。

2 双馈异步发电机数学模型[3-4]

双馈异步风力发电系统主要由风力机、轴系统、桨距角控制系统、转速控制系统、双馈异步发电机、无功功率控制系统、变频器及其控制系统构成。双馈异步风力发电系统的模型结构图如图1所示。

图1 双馈异步风力发电系统模型结构图

电流正方向选取：规定定子电流以流出发电机的为正，当绕组流过正向的电流时，产生的磁链为负；否则，产生的磁链为正值。其T型等效电路如图2所示。

图2 双馈感应发电机的T型等值电路

双馈感应发电机的数学模型：

(1)

(2)

(3)

(4)

三相静止坐标系下双馈异步发电机的数学模型是一个高阶、非线性、多变量、强亲和的系统，很难进行控制系统的分析与控制。为了便于分析和控制，通常在两相d-q同步旋转坐标系下建立双馈感应发电机模型，模型如图3、4所示。

图3 双馈感应发电机d轴等效电路

图4 双馈感应发电机q轴等效电路

图3、4中的各量分别对应于定子、转子的d轴和q轴分量，Rs为定子绕组电阻,Rr为转子绕组电阻,ωs=ω1-ωr为d、q轴坐标系相对转子的角速度,P为微分算子，Ls=Lls+Lm为d、q坐标系下定子绕组间的等效电感,Lr=Llr+Lm为d、q坐标系下转子绕组间的等效电感(折合到定子侧的折合值)，Lm为d、q坐标系下同轴定转子绕组间的等效互感。

由双馈感应发电机d、q轴的等效电路可得定、转子绕组的电压方程:

定子绕组电压方程

(5)

转子绕组电压方程

(6)

定、转子磁链方程

(7)

功率方程

(8)

转子运动方程

(9)

式(9)中：Tm为发电机输入的机械转矩；Te为发电机输出的电磁转矩；Tj为转子惯性时间常数；Tm由机械部分参数确定；Te可由下式电磁转矩方程可计算得到。

(10)

3 风电并网稳定性概述及仿真分析

3.1 风电并网稳定性概述

随着风电场装机容量日益增加，风电场对电网的影响也越来越大，因为风能具有的随机性和不可控制性等诸多问题，当风电场装机容量在负荷中所占比例比较大的时候，风电场并网对电网的冲击也会加大，风电场所固有的一些特性会对电网的电压、频率等造成一定的影响。风电并网后，改变了电网原本的潮流分布、线路传输功率和系统惯量，会对电力系统的暂态稳定性产生一系列的影响，它的暂态稳定性的变化趋势由风力发电机的类型、电网的运行方式以及并网处电网的拓扑结构决定。风电的接入既有可能提高电力系统的暂态稳定性，又有可能使其降低，其结果需要通过具体仿真计算得出。

3.2 风电并网仿真分析

3.2.1 风电并网模型建立[5]

Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它可以给用户提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在仿真试验中，使用Simulink中的Simulink Power System库中原件，搭建风电并网仿真模型(见图5)。因为电压质量是电能质量的重要指标之一，其质量将关系到电网的安全、稳定、优质、经济运行。

图5 风电场并网仿真图

所以在本次仿真过程中，在风电场的出口处采用了有载调压模式和静止无功补偿模式两种控制模式，来保证电能质量。其中，有载调压是通过调节变压器的抽头来改变输出电压的静态调节，而静止无功补偿则为通过在风电场出口侧投切电容器来提供无功，维持电压在额定值附近的动态调节。

在本次试验中，选取了几种典型的因素进行仿真分析，即在考虑有载调压和静止无功补偿两种调节手段的情况下，风速变化和单相接地故障对电力系统的暂态稳定性的影响。本课题考虑的四种方式为:风速从8m/s变化到14m/s时(渐变风)，风电场并网能否稳定运行；25kV系统节点2、3之间的输电线路发生单相接地时风电场并网运行会发生如何变化。

3.2.2 风速变化对电网暂态稳定性影响

图6和图7是风速从8m/s变化到14m/s时，电网运行情况的仿真曲线。图6是有载调压模式下风速变化对节点4、节点2的电压及节点2的有功功率和无功功率的影响。在仿真图中，风速变化引起的局部电网电压波动幅度较小，而风电场出力大幅度增加导致节点2的出力大幅度降低，从对系统提供有功功率变化到吸收系统的无功，缺少的功率部分将由风电场提供。另外，为了保证风电场的无功功率平衡，其他电厂发出的无功功率明显增多。根据仿真结果显示，这样的风速变化对系统的稳定运行没有很大的影响，并不会对电力系统的暂态稳定性造成威胁。

图7为静止无功补偿模式下，风速变化对节点4、节点2电压及节点2的有功功率和无功功率的影响。风速的变化时，与有载调压模式相比较，节点2、节点4的电压基本不变，有功功率和无功功率的变化与图6相似，由于采用了无功补偿模式，其他发电厂发出的无功功率下降。同时，节点2的电压略微有些增加，最后稳定在1.011(p.u.)左右。由此可见在静止无功补偿模式下，系统的运行是稳定的。

图6 风速变化对电网的影响仿真图(有载调压模式)

3.2.3 单相接地故障对电网的影响

25kV系统节点2、3之间的输电线路发生单相接地故障时对电网节点4、节点2电压及节点2的有功功率和无功功率的影响。故障发生时间为t=5.1s，故障切除时间为t=5.2s，故障持续时间为100ms。图8所示为有载调压模式下，节点2、3间出现单相接地故障对电网节点2、节点4的电压及有功功率和无功功率的变化影响，节点2的电压波动很大，但故障一经切除，系统又恢复了正常运行状态，由此可见，这样的故障对系统的正常运行影响不大。

图7 风速变化对电网运行的影响仿真图(静止无功补偿模式)

图8 单相接地对电网的影响仿真图(有载调压模式)

图9是在静止无功补偿模式下，节点2、3之间的输电线路出现单相接地故障时的仿真曲线。由图可知，风电场输出的有功有所减少，功率差额由电网的其他发电机组承担，电网的输出的有功功率较静止调压模式有所增加。故障期间电网发出的无功功率大量增加，有利于维持风力发电机机组出口电压稳定。

图9 单相接地对电网的影响仿真图(静止无功补偿模式)

4 总结

本文研究分析了当风速改变和单相接地故障时，风电场并网对电力系统暂态稳定性的影响，利用MATLAB/Simulink软件，根据接线图，通过Simulink搭建仿真模型，仿真了在风速改变和系统单相接地故障的情况下系统的暂态稳定性变化，得出以下结论：

(1)有载调压模式下风速变化虽然引起的局部电网电压波动幅度并不大，但风电场出力大幅度增加导致其他节点的出力大幅度降低，从对系统提供有功功率变化到吸收系统的无功，缺少的功率部分将由风电场提供；静止无功补偿模式下风速变化对系统的影响要优于有载调压模式的并网模式。

(2)输电线路发生单相接地故障时，系统采用有载调压模式将引起节点电压波动，立即切除接地故障可使系统恢复正常状态；系统采用静止无功补偿模式，风电场有功输出降低但是系统有功输出增加，优于有载调压模式。

[1] 邵志敏.大规模风电并网对对系统暂态稳定性的影响[D].湖南大学，2011.

[2] 赵璐璐.大型风电并网暂态稳定性研究[D].北京交通大学，2010.

[3] 李宾宾，吴琼，杨为.双馈风电机组并网暂态稳定性研究[J].电工电气，2011：11-12.

[4] 雷巧红.双馈感应风电机组并网运行动态仿真分析及研究[D].太原理工大学，2007.

[5] 齐雯.大型风电场等值建模及其并网稳定性研究[D].北京交通大学，2013.

The Stability Factors Analysis of Grid-connected Wind Farm Based on Simulink Software

WANGXiao-dong1,XIALi-wei1,LIUXiao1,WANGXu-xu2

(1.State Grid Corporation of Hubei Electric Power Company Maintenance Company E Northeast Operations Division,Xiangyang 441000,China；2.DC Construction Branch Yichang Construction Engineering of State Grid,Huebi Yichang 443000,China)

With the development of wind power,the stability of grid-connected wind farm has become an urgent problem need to solve.The types of wind turbines and the mathematical model of doubly-fed induction motor is introduced in this paper.A wind farm model is established by Simulink simulation software.The impact of changes in wind speed and single-phase fault on the stability of power systems is showed through simulation analysis.

grid-connected wind farm;stability;Simulink;simulation analysis

1004-289X(2016)06-0031-04

TM8

A

2015-09-07