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1、第23卷第3期电工电能新技术Vol.23,No.32004年7月AdvancedTechnologyofElectricalEngineeringandEnergyJuly2004超导储能改善并网风电场稳定性的研究吴俊玲,吴畏,周双喜(清华大学电机系,北京100084)摘要:建立了风电机组和超导储能(SMES)装置的数学模型以研究SMES对并网风电场运行稳定性的改善。针对风电系统中经常出现的联络线短路故障和风电场的风速扰动,提出利用SMES安装点的电压偏差作为SMES有功控制器的控制信号的策略。对实例系统进行的仿真计算结果表明,SMES采
2、用该控制策略,不仅可以在网络故障后有效地提高风电场的稳定性,而且能够在快速的风速扰动下平滑风电场的功率输出,降低风电场对电网的冲击。关键词:风力发电;超导储能(SMES);电力系统稳定性中图分类号:TM712文献标识码:A文章编号:100323076(2004)0320059205并网风电场运行稳定性的改善。针对经常出现的联1引言络线短路故障和风电场的风速扰动,提出采用电压二十世纪八十年代中期以来,风力发电进入高偏差作为SMES有功控制器的控制信号的策略。对[1]速发展的时期。我国目前的风力发电设备多采用实例系统的仿真研究结果表明,采用新
3、控制策略的恒速风机─异步发电机系统,异步发电机在发出有SMES装置在改善并网风电场稳定性方面具有优良功功率的同时还要从系统吸收无功功率,给电网造的性能。成一定的负担。另外,风力发电的原动力是不可控2风电机组的建模的,风速的不稳定会引起风电输出的变化,造成电网电压的波动[2]。异步发电机的使用还会使电网在发动态仿真分析所用的风电机组数学模型的主要[3]环节包括:风能的吸收和转换装置─风机;起连接作生大扰动后引起暂态电压失稳。因此,研究并网用的中间环节─轮毂、齿轮箱、连轴器;机械能到电风电场的运行特性以及如何改善其运行的稳定性是[7]能的转换
4、装置─发电机,如图1所示,图中ÛE为风力发电技术中的重要问题。异步发电机的内电势,ωr为转子转速。高温超导和电力电子技术的发展促进了超导储能装置(SMES)在电力系统中的应用。SMES快速的功率吞吐能力和灵活的四象限调节能力,使它可以[4]有效地跟踪电气量的波动,提高系统的阻尼。文[5]、[6]研究了SMES对含风电的电力系统暂态稳图1简化风电机组模型框图定性的改善。其SMES的有功控制器均采用了异步Fig.1Simplifiedmodelofwindpowergeneratorset发电机的转速偏差量作为控制信号,但由于实际风电场中风机
5、分布的分散性,集中控制时不易选取转各部分的数学模型为:速信号,而选取有功功率信号又难以兼顾风速变化1)转矩模型32和电网故障引起的功率波动。RVwΩN-3Mm=015πρCp×10(1)λPN本文建立了风电机组和SMES单元的数学模其中Mm是风机叶片产生的转矩,ρ为空气密型,在MATLAB平台上编制仿真程序,研究SMES对收稿日期:2004202204基金项目:国家自然科学基金资助项目(50137020)作者简介:吴俊玲(19782),女,河北籍,硕士生,研究方向为超导储能和风力发电的应用;周双喜(19412),男,江苏籍,教授,主要研究
6、方向为电力系统分析和控制。60电工电能新技术第23卷度,R是风轮半径,Vw为作用于风轮机的风速,λ=b.注入电网的功率相等。P∑是所有风电机组ΩRPVw为叶尖速比,Ω为风机机械角速度,ΩN为风注入功率之和,Pi是第i台风电机组的注入功率,轮额定的机械角速度,PN为风机额定功率。即Cp是风能转换系数,反映了风轮机叶片捕获风nP=Pi(7)能的能力,是风机的一个重要参数,它是叶尖速比和∑i∑=1叶片桨距角β的非线性函数,本文采用如下的拟合3超导储能装置的数学模型和控制策略[8]函数:α-c(λ,0)Cp=c1(c2-c3β-c4β-c5)e6
7、(2)3.1SMES的数学模型其中,c1=015,c2=115VwPΩ,c3=0,c4=0122,c5=SMES与交流电网的连接如图2所示。考虑到6115,c6=0121VwPΩ,α=2。对于定桨距风机,β=SMES是一种并联补偿装置,可以等效为一个可控的0。对不同类型的风机要对参数进行一定的修正。电流源,因此它的直流系统与交流电网的连接环节2)传动部分模型采用电流源型换流桥。为充分发挥SMES的有功无忽略损耗和传动轴的柔性,传动部分可用一阶功的综合调节能力,采用双桥结构换流装置和不等[10]惯性环节模拟:触发角的控制方式,分别控制两个换
8、流桥的触发dMT1角来控制直流电压的大小以及交流侧电压与电流的=(Mm-MT)(3)dtTh相角差,从而控制超导线圈的充放电以及与系统交其中,MT为轮毂输出转矩,Th为轮毂惯性时间换的无功功率
