電力系統(tǒng)仿真模型

下面通過一系列仿真來分析電網(wǎng)故障時雙饋風電系統(tǒng)的動態(tài)響應及其對電力系統(tǒng)的動態(tài)影響，從而提高雙饋風電系統(tǒng)的故障不脫網(wǎng)運行能力和整個電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在仿真分析中，假定雙饋風電場在額定容量下運行，此時對電力系統(tǒng)的影響是最惡劣的。
電力系統(tǒng)仿真模型如圖5所示，是基于丹麥電力傳輸系統(tǒng)運行商Energinet.dk開發(fā)的小型電力傳輸系統(tǒng)模型提出的[8]。該模型包含了具有代表性的電力傳輸網(wǎng)絡，適用于對電力傳輸系統(tǒng)和風電場在電網(wǎng)故障時進行動態(tài)性能仿真分析。如圖5所示的電力系統(tǒng)仿真模型包括4個傳統(tǒng)的同步發(fā)電廠，若干個負載，1個基于傳統(tǒng)感應發(fā)電機的常規(guī)風電場和1個基于雙饋發(fā)電機的近海風電場。其中雙饋風電場由80個2MW的近海風電機組組成，在仿真中，在不影響仿真精度的前提條件下，為降低仿真的復雜性和減少仿真時間，所有的風電機組由1個合成等效風電場模型來代替[9]。仿真是在電力工廠仿真軟件(DIgSILENT PowerFactory)中實現(xiàn)的，該仿真軟件針對風力發(fā)電提供了相應的模塊，易于根據(jù)需要建立所需的風電控制和保護系統(tǒng)并進行相關的電力系統(tǒng)運行分析[10]。

如圖5所示，假設在雙饋風電場的公共接入點(PCC, Point of Common Connection)發(fā)生了持續(xù)時間為300ms的三相短路故障，圖6為相應的仿真結果。
在圖6中，虛線為未引入故障運行模式控制策略時雙饋風電系統(tǒng)的仿真結果，實線為引入了本文前述故障運行模式下控制策略的仿真結果。由仿真結果圖6(a)可知，短路故障在風力發(fā)電機端引起很顯著的電壓跌落，同時發(fā)電機產(chǎn)生的有功功率也明顯降低，如圖6(b)所示。由于故障發(fā)生時的瞬態(tài)大電流，轉子過流保護裝置在故障發(fā)生后立即觸發(fā)。電壓跌落也引起雙饋發(fā)電機磁通的降低和勵磁的減弱。如圖6(c)所示，無功功率在故障發(fā)生時突增到峰值也表明勵磁的驟減。有功功率降低了，電磁轉矩也降低，發(fā)電機轉速會增加，但是槳矩角控制可以限制轉速升高在允許范圍內，不會超速，如圖6(d)所示。轉速的波動也可以映射到發(fā)電機端電壓的波動。

圖7 機械振蕩阻尼控制器的仿真結果
對比圖6中實線和虛線的仿真結果可知，當風電場具備了前述的控制策略后，一旦發(fā)生故障并且轉子過流保護裝置被觸發(fā)時，網(wǎng)側變換器的無功功率泵升控制也被激活，可以在故障發(fā)生后有效的提高電壓值。有功功率的兩個仿真結果基本近似，但由于電壓值的提高也使有功功率有一定的增加。當轉子過流保護被取消后，電壓的控制又重新由轉子側變換器來負責控制。由于能提供一定的無功功率，因此電壓可以較快的恢復。轉速的波動也顯著減小。
由于機械時間常數(shù)遠大于機電時間常數(shù)，因此不能相同的時間軸來描述機械過渡過程和機電過渡過程。圖7是機械振蕩阻尼控制器的仿真結果，虛線為無機械振蕩阻尼控制時的仿真結果，實線為有機械振蕩阻尼控制時的仿真結果。可見，無阻尼控制時，在故障發(fā)生并清除后約10s時，仍然存在一定的振蕩。有阻尼控制時，機械振蕩明顯減弱，并在2.5s左右就基本結束了；而且機械轉矩只有一次過零。