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[摘 要]风电场对系统的冲击是影响电力系统稳定运行的重要因素。本文以静态潮流计算方式对由直驱机组并网风电场所导致的电网电压失稳情况进行分析，同时借助Matlab仿真软件探查大风环境下出现三相短路时电压稳定性，所得结果为风电场的安全稳定运行提供了重要的理论基础。
[关键词]永磁同步发电机 电压稳定 Matlab仿真
中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）01-0039-01
引言
目前，我国正处于风电建设的高峰期，未来10年风电每年平均新增装机容量约为1200—1500万kW[1]。近年，风电穿透功率呈现增大趋势，这也会使得电压稳定问题愈加明显，加之电路中的电子零件成本有所下降，单机的容量逐渐增加，直驱永磁同步风电机也成为电网设备中的主力机型。由此可见，加强直驱风电机组并网风电场的研究对于提升整个电网系统的稳定性意义重大。
1、永磁直驱同步风电机组数学模型
1.1永磁同步发电机数学模型
在Matlab仿真软件中，永磁直驱同步风力发电机定子电压在d、q坐标系下的方程为： （1）
其中 、 、 和 分别为定子d轴、q轴电压和电流； 为发电机定子电阻； 为发电机的电角频率； 定子线圈自感； 为转子永磁同步体产生的磁链。电机的电磁转矩如式（2）所示。
其中， 为永磁同步电机的极对数。
1.2桨距角控制模型
风力机运行过程中，一般按照功率进行控制，由此可将输出功率控制在规定范围内。但是在风电机组出现紧急故障或者启停时会换为速控方式或以桨距角为控制依据[2]。本文以风电机组并网过程中的运行特点作为切入点，按照桨距角进行功率控制的模型如图1所示。
2、风电机组电压稳定性分析
2.1风电机组静态电压稳定性分析
在此对由直驱机并网引起的电网电压失稳原理进行分析所使用的计算方法为静态潮流计算法。图2所示，将风电场及电力系统之间的部分以等效电阻及等效电抗表示， 代表风电机组尾端位置的电容功率， 表示输电线路处于充电状态的功率。 代表处于无穷大状态下电网系统节点位置的电压值，假设相角恒定为 ， 表示为风电场出口位置的电压值。在不考虑等效电路图中并联支路的情况下，可得下式：
若直驱风电机组并网风电场稳态运行时采取恒功率因数1的控制方式（无功功率既不被发出也无法被吸收），该种情况下，系统中只有风电场与等值线路中子系统的输电线路为为无功电荷。若风电场本身处于出力幅度较大的状态时，那么就会增加电网电压失稳风险。主要原因为进行外送功时，线路本身的损耗使得电压值出现偏差，进而导致电机组本身的电压稳定性降低。
2.2风电机组暂态电压稳定性分析
对于自身包含风电场的电力系统，其输出功率的大小很大程度上取决于风速的变化，特别是在较短时间内风速出现大幅变化时，其输出功率也会表现为随其变化而变化的状态，这也就成为扰乱电压稳定性的一个重要因素，因此也更需注意在受到变化的风速影响时，电场节点未知的暂态电压的稳定性。除了风速条件为影响其稳定性的因素之外，线路自身的故障也是导致电网电压失稳的重要原因，因此，加强对于风速干扰及线路故障干扰两种情况的研究对于确保电网电压稳定性具有重要意义[3]。
直驱风电机组的全功率变频器可以有效控制电网线路发生故障的情况，因此当电网侧受到小的扰动时，风电机组受到的影响不大，可以继续并网运行；但是当线路出现如短路类较大故障时，其会导致电机机端的电压发生大幅波动，进而使得在短时内由电机输入到电网线路中的功率显著降低，而这种情况下桨距角也无法在短时给出适宜的应对措施，那么风力机所输入的机械功率也不会发生变化，在 这种情况下，发电机的转子此时处于一个不平衡的转矩当中，由此造成其转速明显加快。这会导致机端电压进一步下降。由此可见，当电网电路发生较大故障时，机端电压明显低于保护定值，此时就会出发保护装置跳闸，这样一来，风电机会停止运行，其本身的电功也无法有效送出，当处于退出状态的风电机数量上升至一定标准时，就 会严重影响电网系统的暂态电压，使其无法保持稳定。
2.3提高电压稳定性的措施
风电场进行电网调压的方式主要有三种，分别为：1）调节风电场主变抽头位置；2）利用风电场的无功补偿装置；3）利用风电机组本身的无功功率控制方式。
永磁直驱风电机组在以有功或者无功状态进行解耦控制，可以使其具有与同步发电机相类似的电机调节性能。直驱同步风电机组在实现无功控制时，是通过调节网侧变频器完成的。在这一过程中，所用的控制方式有三种形式，分别为恒功率因数控制、恒无功功率控制以及恒电压控制。
3、结语
由于直驱式风力发电机组的结构特点，如：没有加速齿轮箱，自身的无功调节能力，使其具有其它类型风电机组都不具备的优势。通过上文分析可知，含直驱机组的风电场对于提升系统的稳定性具有重要作用。随着电力科学技术的发展进步，直驱式风电机组的优势会愈加的明显，也必将得到更广泛的使用。
参考文献
[1]2011年中国风电装机容量统计。中国可再生能源学会风能专业委員会[R].2011
[2]张梅.直驱永磁同步风电机组建模及其控制系统仿真研究[D].西安：西安理工大学，2008
[3]赵海岭.含直驱机组风电场的电力系统电压稳定性研究[D].乌鲁木齐：新疆大学，2011.
[关键词]永磁同步发电机 电压稳定 Matlab仿真
中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）01-0039-01
引言
目前，我国正处于风电建设的高峰期，未来10年风电每年平均新增装机容量约为1200—1500万kW[1]。近年，风电穿透功率呈现增大趋势，这也会使得电压稳定问题愈加明显，加之电路中的电子零件成本有所下降，单机的容量逐渐增加，直驱永磁同步风电机也成为电网设备中的主力机型。由此可见，加强直驱风电机组并网风电场的研究对于提升整个电网系统的稳定性意义重大。
1、永磁直驱同步风电机组数学模型
1.1永磁同步发电机数学模型
在Matlab仿真软件中，永磁直驱同步风力发电机定子电压在d、q坐标系下的方程为： （1）
其中 、 、 和 分别为定子d轴、q轴电压和电流； 为发电机定子电阻； 为发电机的电角频率； 定子线圈自感； 为转子永磁同步体产生的磁链。电机的电磁转矩如式（2）所示。
其中， 为永磁同步电机的极对数。
1.2桨距角控制模型
风力机运行过程中，一般按照功率进行控制，由此可将输出功率控制在规定范围内。但是在风电机组出现紧急故障或者启停时会换为速控方式或以桨距角为控制依据[2]。本文以风电机组并网过程中的运行特点作为切入点，按照桨距角进行功率控制的模型如图1所示。
2、风电机组电压稳定性分析
2.1风电机组静态电压稳定性分析
在此对由直驱机并网引起的电网电压失稳原理进行分析所使用的计算方法为静态潮流计算法。图2所示，将风电场及电力系统之间的部分以等效电阻及等效电抗表示， 代表风电机组尾端位置的电容功率， 表示输电线路处于充电状态的功率。 代表处于无穷大状态下电网系统节点位置的电压值，假设相角恒定为 ， 表示为风电场出口位置的电压值。在不考虑等效电路图中并联支路的情况下，可得下式：
若直驱风电机组并网风电场稳态运行时采取恒功率因数1的控制方式（无功功率既不被发出也无法被吸收），该种情况下，系统中只有风电场与等值线路中子系统的输电线路为为无功电荷。若风电场本身处于出力幅度较大的状态时，那么就会增加电网电压失稳风险。主要原因为进行外送功时，线路本身的损耗使得电压值出现偏差，进而导致电机组本身的电压稳定性降低。
2.2风电机组暂态电压稳定性分析
对于自身包含风电场的电力系统，其输出功率的大小很大程度上取决于风速的变化，特别是在较短时间内风速出现大幅变化时，其输出功率也会表现为随其变化而变化的状态，这也就成为扰乱电压稳定性的一个重要因素，因此也更需注意在受到变化的风速影响时，电场节点未知的暂态电压的稳定性。除了风速条件为影响其稳定性的因素之外，线路自身的故障也是导致电网电压失稳的重要原因，因此，加强对于风速干扰及线路故障干扰两种情况的研究对于确保电网电压稳定性具有重要意义[3]。
直驱风电机组的全功率变频器可以有效控制电网线路发生故障的情况，因此当电网侧受到小的扰动时，风电机组受到的影响不大，可以继续并网运行；但是当线路出现如短路类较大故障时，其会导致电机机端的电压发生大幅波动，进而使得在短时内由电机输入到电网线路中的功率显著降低，而这种情况下桨距角也无法在短时给出适宜的应对措施，那么风力机所输入的机械功率也不会发生变化，在 这种情况下，发电机的转子此时处于一个不平衡的转矩当中，由此造成其转速明显加快。这会导致机端电压进一步下降。由此可见，当电网电路发生较大故障时，机端电压明显低于保护定值，此时就会出发保护装置跳闸，这样一来，风电机会停止运行，其本身的电功也无法有效送出，当处于退出状态的风电机数量上升至一定标准时，就 会严重影响电网系统的暂态电压，使其无法保持稳定。
2.3提高电压稳定性的措施
风电场进行电网调压的方式主要有三种，分别为：1）调节风电场主变抽头位置；2）利用风电场的无功补偿装置；3）利用风电机组本身的无功功率控制方式。
永磁直驱风电机组在以有功或者无功状态进行解耦控制，可以使其具有与同步发电机相类似的电机调节性能。直驱同步风电机组在实现无功控制时，是通过调节网侧变频器完成的。在这一过程中，所用的控制方式有三种形式，分别为恒功率因数控制、恒无功功率控制以及恒电压控制。
3、结语
由于直驱式风力发电机组的结构特点，如：没有加速齿轮箱，自身的无功调节能力，使其具有其它类型风电机组都不具备的优势。通过上文分析可知，含直驱机组的风电场对于提升系统的稳定性具有重要作用。随着电力科学技术的发展进步，直驱式风电机组的优势会愈加的明显，也必将得到更广泛的使用。
参考文献
[1]2011年中国风电装机容量统计。中国可再生能源学会风能专业委員会[R].2011
[2]张梅.直驱永磁同步风电机组建模及其控制系统仿真研究[D].西安：西安理工大学，2008
[3]赵海岭.含直驱机组风电场的电力系统电压稳定性研究[D].乌鲁木齐：新疆大学，2011.