海洋石油分散式风电接入研究

杨季平

摘要：本文在 DIgSILENT 仿真平台中构建了多机电力系统模型和 5MW 直驱永磁同步风电机组模型，风电机组分别以分布式和集中式两种方案接入电网。以夏季最大负荷为例，模拟了三种电网运行方式，研究了切机切负荷、短路、断线、风电功率波动等事件下的系统稳定性。

引言

随着风力发电的快速发展，电力系统中风电的渗透率不断提高。由于风电机组转速与电

网频率的解耦，大规模、高占比的风电接入使得电力系统总体惯性降低、调频能力减弱。同

时，风速变化导致风电功率具有较强的波动性和不确定性，也给电力系统的稳定运行造成严

重影响。在此背景下，迫切需要风电机组甚至风电场具备有功功率调节的能力，主动参与电

力系统调频，支撑电网频率稳定。本文主要对海洋石油分散式风电接入展开研究。

1风机接入方案

1.1并网风机参数

本项目构建了全功率大兆瓦的直驱永磁同步风力发电机组，具体结构和特征参数如表1所示。

表1 5MW 直驱风电机组的基础参数

1.2 风电机组仿真模型的构建

现代风力机依靠叶片获得的升力带动其旋转，将风能转化为风轮的机械能，进而带动发

电机发电。风所提供的气动转矩为风力机旋转提供了驱动力，而发电机电磁转矩则为风力机

旋转带来了制动力，二者经包括各传动轴在内的传动链连接，共同影响风力机转速。风力发

电系统电磁动态的响应时间要远远小于机械动态的响应时间，因此可以解耦处理电磁动态与

机械动态这两个快慢子系统。

1.2.1湍流风速

平均风速和湍流强度是描述湍流风速特征的两个重要的统计指标，前者反映风的强弱而

后者反映风速的波动范围。平均风速 定义为一段时间内风速的统计平均值，湍流强度 TI 则定义为一段时间内风速的标准差 与平均风速 的比值，即

（1）

湍流强度越大则表示风速的波动范围越大。而 IEC-61400-1 标准（第三版）将湍流强度划分

为 A、B、C 三个等级，湍流等级对应的湍流强度可由式(2)计算。

（2）

其中 A、B、C 三个等级分别对应I_ref为 0.16、0.14、0.12。

本文仿真所使用的风速序列使用 Bladed 软件构造，基于 Kaimal 谱生成。Bladed 是一款风电方面专业的商业仿真软件，具有多个功能模块，被广泛应用于风电相关领域。但在本文的工作中，Bladed 软件仅用来生成仿真风速，并未涉及该软件的其他功能。而仿真和实验中使用的风速序列的具体平均风速和湍流强度（或湍流等级）会在仿真和实验结果分析中列出。

1.2.2风力机气动模型

风力机所能够捕获到的风功率可由式(3)描述。

（3）

式中： v 为风速；p 为空气密度； R 为风轮半径； 为风能利用系数，是叶尖速比 和桨距角 的函数。叶尖速比 是风轮叶尖线速度和风速的比值，即 ，其中 为风轮转速。当风力机的叶尖速比达到最优值 时，风能利用系数取得最大值 （如图 1所示）。此时，风力机能够以最大效率捕获风能。

图 1 风能利用系数-叶尖速比关系曲线

由 可以得到风轮所获得的气动转矩

（4）

这里

（5）

1.2.3. 风力机传动链模型

如图2 所示，风力机的传动链可以看作一个双质量块模型，分为低速侧（风轮侧）和

高速侧（发电机侧），其动态由式(6)描述。

（6）

式中：

表示作用在风轮上的气动转矩，其与风轮捕获的风功率

的关系为 ； 和 分别表示低速轴和高速轴的转矩； 为发电机电磁转矩； 和  分别表示低速轴和发电机的转速； 表示风轮和低速轴之间的扭转角度； 和 分别表示风轮和发电机的外阻尼； 和 分别表示风轮和发电机的转动惯量； 和 分别表示低速轴扭转的刚度和阻尼系数； 为齿轮箱变速比。

图 2 风力机传动链模型

若将风力机的传动链近似看作是刚性的，即假定 ，则其可以简化为如式(7)所示

的单质量块模型。

（7）

其中 。单质量块模型实际上是对双质量块模型的简化，考虑到实际风力机传动轴的刚度很大，单质量块模型将传动链假设为刚体，忽略其弹性形变。若 =1，即为直驱传动系统。

1.2.4 MPPT 控制的实现

MPPT 控制是实现风力机最大化风能捕获的主要手段。风力机捕获的风能可以用式(8)

表示。

（8）

从式中可以看出，对于一个确定的风力机，其风能捕获由空气密度 、风速 v 和风能利

用系数 所共同决定。前两者的大小难以人为改变，因此风能利用系数 的高低直接决定了风力机捕获风能的多少。因此当风能利用系数达到其最大值 时，其捕获的风功率同样达到最大值

（9）

由于最大风能利用系数 与最优叶尖速比  相对应，因此若 始终维持在其最优值 便能够使风能利用系数始终保持最大，进而使风力机获得最高的风能捕获效率。正因如此，风力机的最大化风能捕获问题一般会被转化为一个转速跟踪问题，即通过转矩调节使风轮转速跟踪由实时风速所决定的最优转速：

（10）

上述最优转速的跟踪有多种实现方法，在工程实际中被广泛应用的是最优转矩法（功率

信号反馈法）。最优转矩法是依据风力机“转速—最大气动功率”曲线使风力机转速和电磁转

矩维持一个特定的关系。由于简单易行，且不需要获取实时风速信息，最优转矩法在工程中

已得到广泛的应用。传统的最优转矩法的控制器的控制律可由式(11)描

述。

（11）

其中 表示控制器下达给发电机的参考电磁转矩指令， 为转矩增益系数，其计算方法如

式(12)所示

（12）

该方法仅需测量风力机的实时运行转速，不需要为求取最优转速而获取实时风速信息，

因此具有较强的工程实用性。

1.2.5风电机组模型的运行特性

本文在 DIgSILENT 仿真平台下构建了额定功率为 5MW 的直驱永磁风力发电机组，如图

3所示。

图 3 5MW 直驱永磁风力发电机组仿真模型

1.3升压变压器参数

风电并网方案一，如表2所述。

表2风电并网方案一升压变压器参数

风电并网方案二，如表3所述。

表3 风电并网方案二升压变压器参数

1.4风机接入点

（1）方案 1：10.5kV 接入

3 台相同型号的风机分别在三个不同的地方接入：

接入点一：WHPD，采用 10.5kV 3x120mm² 2.0km 电缆接入。

接入点二：WHPB，采用 10.5kV 3x120mm² 2.2km 电缆接入。

接入点三：WHPE，采用 10.5kV 3x120mm² 1.7km 电缆接入。

（2）方案 2：35kV 接入

3 台相同型号的风机在同一个地方接入：

接入点：CEPB，采用 35kV 3x185mm² 2.2km 电缆接入。

2 仿真分析结果

2.1 风机 接入方案一

在风电并网方案一中，3 台额定功率为 5MW 的直驱永磁同步风力发电机组分别在 10.5kV母线 WHPB、WHPD 和 WHPE 并网。三台风机的湍流风速由 BLADED 软件生成，平均风速为 8m/s，湍流强度为 IEC 标准 C 级。湍流风速序列如图4所示。

图4 平均风速为 8m/s 的 C 级湍流风速

2.1.1运行方式一

当系统处于运行方式一时，主电站 RUP 和 FP 中分别有一台额定功率 28.772MW 和

24.0904MW 的机组因故障或检修而停机，在电网稳态运行时进行潮流分析，潮流计算采用

DIgSILENT 内置的牛顿拉夫逊方法，潮流分析结果如表 4 和表5 所示。

表4 母线电压

表5 电源功率

2.1.2. 运行方式二

当系统处于运行方式二时，主电站 CEPB 和 FP 中分别有一台额定功率 25MW 和

24.0904MW 的机组因故障或检修而停机，在电网稳态运行时进行潮流分析，潮流计算采用

DIgSILENT 内置的牛顿拉夫逊方法，潮流分析结果如表 6 和表7 所示。

表6母线电压

表 7 电源功率

发电机	有功功率（MW）	无功功率（Mvar）
RUP-G1	19.421	-2.08
RUP-G2	20	3
FP-G3	17	1.327
FP-G4	0	0
WHPC-G5	5	2
CEPB-G6	20	3.81
CEPB-G7	0	0
CEPB-G8	14	0.1
WHPB风机1	3	0.12
WHPD风机2	3	0.12
WHPE风机3	3	0.12

2.2风机接入方案二

在风电并网方案二中，3台额定功率为5MW的直驱永磁同步风力发电机组集中通过35kV母线 WF_PCC 接入 CEPB 电站内。三台风机的湍流风速由 BLADED 软件生成，平均风速为8m/s，湍流强度为 IEC 标准 C 级。

2.2.1运行方式一

当系统处于运行方式一时，主电站 RUP 和 FP 中分别有一台额定功率 28.772MW 和

24.0904MW 的机组因故障或检修而停机，在电网稳态运行时进行潮流分析，潮流计算采用

DIgSILENT 内置的牛顿拉夫逊方法，潮流分析结果如表8 和表9所示。

表 8 母线电压

母线	额定电压（kV）	实际电压（p.u）	相角（deg）
RUP/BUS-MA RUP/BUS-MB	10.50	1.00	0.00
FP/BUS-MA FP/BUS-MB	10.50	1.00	0.31
CEPB/BUS-HA CEPB/BUS-HB	35.00	1.00	2.22
CEPB/BUS-MA CEPB/BUS-MB	10.50	1.00	3.15
WHPA	10.50	0.99	-5.89
WHPB	10.50	1.00	-1.31
WHPD	10.50	0.98	-5.09
WHPC	10.50	1.00	-3.71
WHPE	10.50	0.99	-3.02
WHPF	10.50	0.97	-5.91
WHPG	10.50	0.95	-6.68
WHPJ	10.50	0.99	0.34
WHPM	10.50	0.99	-7.10
WHPV	10.50	0.99	0.42
风电场WF-PCC	35.00	1.00	2.61

表9电源功率

2.2.2运行方式二

当系统处于运行方式二时，主电站 CEPB 和 FP 中分别有一台额定功率 25MW 和24.0904MW 的机组因故障或检修而停机，在电网稳态运行时进行潮流分析，潮流计算采用

DIgSILENT 内置的牛顿拉夫逊方法，潮流分析结果如表 10 和表 11所示。

表10 母线电压

表 11 电源功率

发电机	有功功率（MW）	无功功率（Mvar）
RUP-G1	19.567	-1.502
RUP-G2	20	3
FP-G3	17	1.327
FP-G4	0	0
WHPC-G5	5	2
CEPB-G6	20	3.943
CEPB-G7	0	0
CEPB-G8	14	0.1
WHPB风机1	3	0.12
WHPD风机2	3	0.12
WHPE风机3	3	0.12

3仿真验证

在本文所研究的电力系统中，以风电接入方案二，电网运行方式一为例，当主电WHPC中的发电机 G5 在 100 秒时因故障脱网时，对比风机传统控制方法和综合惯性控制方法对系统频率稳定性的影响。电网频率如图 5 所示，风机转速如图 6 所示，风电场有功功率如图7所示。

图5 电网频率

图6 风机转速

图7 风电场有功功率

根据仿真结果可知，在综合惯性控制的作用下，风电机组通过降低转速，释放转子动能，增加了系统的惯性水平，在同步发电机切机的严重故障下，电网频率稳定性得到一定程度改善。

参考文献

[1] 曹伟, 王勇. 分散式风电接入对地区电网运行影响的研究[J]. 百科论坛电子杂志, 2019.

[2] 王亦昕. 分散式风电接入对电网的影响研究[J].

作者简介：杨季平（1976.12），男，汉族，四川省南部县人，大学本科，高级工程师，从事研究方向或职业：海洋油气工程电气专业设计。