李培強　王繼飛　李欣然　郝元釗

摘要：清潔能源在電力系統(tǒng)中的大規(guī)模利用，使得風(fēng)電機組在電網(wǎng)中的占比日益擴大，其運行特性極大地影響電力系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性.本文分析了雙饋變速與直驅(qū)同步風(fēng)電機組的結(jié)構(gòu)特點，建立了各個機組的降階數(shù)學(xué)模型.在此基礎(chǔ)上，對兩區(qū)域系統(tǒng)進行了仿真計算.研究表明：風(fēng)電機組并網(wǎng)增加了系統(tǒng)與風(fēng)電機組強相關(guān)的振蕩模式，且有很好的阻尼特性.當(dāng)風(fēng)電機組在系統(tǒng)中容量比例提高時，雙饋機組會減弱新增局部振蕩模式的阻尼，直驅(qū)機組能提高區(qū)域內(nèi)相關(guān)的局部振蕩的阻尼.

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；風(fēng)力機組；模態(tài)分析；小干擾穩(wěn)定

中圖分類號：TM761；TM712 文獻標(biāo)識碼：A

隨著大規(guī)模電網(wǎng)的互聯(lián)，由于弱聯(lián)絡(luò)線等引起的振蕩問題不容忽視.伴隨著可再生能源的開發(fā)與利用、越來越多的風(fēng)電場接入電網(wǎng)的同時，對風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)后的影響進行分析研究成為電力系統(tǒng)急需解決的課題[1-9].大規(guī)模的風(fēng)電場接入會對原有系統(tǒng)的振蕩模式產(chǎn)生怎樣的影響，阻尼比增大還是減小，風(fēng)電場的接入是否利于系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定等問題，都是需要進行深入研究的.不同的風(fēng)電機組類型和容量比例對電網(wǎng)小干擾穩(wěn)定性的影響可能是多樣的.為了大規(guī)模利用風(fēng)能，研究這些因素對電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性的影響十分必要.

目前，國內(nèi)外的專家學(xué)者針對并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的各個方面進行了許多有意義的研究.文獻[10]根據(jù)風(fēng)電場不同容量下的系統(tǒng)穩(wěn)定情況提出了風(fēng)電場絕對安全容量的概念.文獻[11]概述了目前投入市場的各種不同類型的風(fēng)電機組，詳細討論了其不同的結(jié)構(gòu)、原理以及彼此相應(yīng)的對比.針對雙饋型風(fēng)力發(fā)電機組，文獻[12]提出了利用暫態(tài)穩(wěn)定指標(biāo)η與極限切除時間CCT共同來評估系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性.文獻[13]基于功角和頻率兩種穩(wěn)定判據(jù)，提出了一個在兩種運行方式下，采用3種擾動方式的風(fēng)電場極限穿透功率計算方法，并且通過仿真得到了影響該系統(tǒng)并網(wǎng)容量的主要因素是頻率波動的結(jié)論.文獻[14]介紹了雙饋感應(yīng)發(fā)電機與直驅(qū)同步發(fā)電機兩種變速風(fēng)機的數(shù)學(xué)模型，并通過比較模型對風(fēng)速的響應(yīng)數(shù)據(jù)與實際中測量的響應(yīng)數(shù)據(jù)，證明了模型的可用性.但上述文獻都沒有針對不同類型風(fēng)電機組對系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定進行對比研究.

本文分析了2種風(fēng)電機組的數(shù)學(xué)模型，通過強耦合兩區(qū)域系統(tǒng)的算例，得出風(fēng)機并網(wǎng)后，增加了系統(tǒng)的強相關(guān)的振蕩模式，而對系統(tǒng)阻尼特性的改變不明顯.當(dāng)風(fēng)電機組在系統(tǒng)中的容量提高時，系統(tǒng)原有的同步機組區(qū)間或局部振蕩模式改變不大，而振蕩特性有所變化，雙饋機組穿透功率的增加會減弱新增局部振蕩模式的阻尼，直驅(qū)機組穿透功率增加能提高區(qū)域內(nèi)發(fā)生的與風(fēng)電機組相關(guān)的局部振蕩的阻尼.

1風(fēng)電機組的數(shù)學(xué)模型

1.1雙饋風(fēng)電機組模型

3強耦合系統(tǒng)的兩區(qū)域算例

為分析風(fēng)力發(fā)電機組對電力系統(tǒng)特征值的影響，本文構(gòu)建了如圖1所示測試系統(tǒng).它由兩部分組成，一部分是大型強耦合系統(tǒng)，用無窮大母線表示，另一部分由兩臺同步發(fā)電機組成.為了考慮不同類型風(fēng)電機組的影響，節(jié)點3的同步發(fā)電機分別由雙饋機組以及直驅(qū)機組代替.阻抗以2 500 MVA為基值的標(biāo)幺值表示，負荷采用恒功率模型.發(fā)電機發(fā)出功率均為2 500 MW，節(jié)點電壓為1.025p.u..母線2與母線1的聯(lián)絡(luò)線阻抗為0.1+j1.0.母線2與母線3，4的聯(lián)絡(luò)線阻抗均為0.01+j0.1.頻率為50 Hz，電壓等級為220 kV.

通過計算，共軛復(fù)數(shù)特征值與發(fā)電機轉(zhuǎn)子運動方程對應(yīng)，稱為低頻振蕩模式，實部反映了低頻振蕩的衰減特性，虛部反映了低頻振蕩的頻率，復(fù)特征值σ±jω所對應(yīng)振蕩模式的阻尼比和頻率分別為-σ/σ2+ω2與ω/2π.小擾動隨時可能發(fā)生，且當(dāng)系統(tǒng)阻尼比較弱時，都有可能造成系統(tǒng)動態(tài)失穩(wěn)，通常要求系統(tǒng)正常運行下區(qū)域振蕩模式的阻尼比不小于0.04.

4.3分析與討論

1）風(fēng)電機組在系統(tǒng)中容量的提高，對系統(tǒng)原有的區(qū)間或局部振蕩模式改變不大，振蕩特性有所變化.

2）雙饋機組由于發(fā)電機內(nèi)部轉(zhuǎn)子電阻較小，阻尼轉(zhuǎn)矩抑制振蕩能力有限，會導(dǎo)致增加一個風(fēng)機所在區(qū)域的局部振蕩模式，其穿透功率的增加會減弱此局部振蕩模式的阻尼.

3）直驅(qū)機組的發(fā)電機由于通過電力電子變流器與電力系統(tǒng)完全解耦，換流器控制轉(zhuǎn)速和電氣功率，隨著穿透功率的增加能提高區(qū)域內(nèi)發(fā)生的與風(fēng)電機組相關(guān)的局部振蕩的阻尼.

4）雙饋機組系統(tǒng)都增加了與風(fēng)電場強相關(guān)的振蕩模式，但這些振蕩模式具有較好的阻尼特性.

5結(jié)語

本文分析了兩種風(fēng)電機組的數(shù)學(xué)模型，通過強耦合兩區(qū)域系統(tǒng)的算例，得出風(fēng)機并網(wǎng)后，增加了系統(tǒng)的強相關(guān)的振蕩模式，且有很好的阻尼特性，而對系統(tǒng)阻尼特性的改變不明顯.當(dāng)風(fēng)電機組在系統(tǒng)中的容量提高時，對系統(tǒng)原有的同步機組區(qū)間或局部振蕩模式改變不大，而振蕩特性有所變化.雙饋機組穿透功率的增加會減弱新增局部振蕩模式的阻尼，直驅(qū)機組穿透功率增加能提高區(qū)域內(nèi)發(fā)生的與風(fēng)電機組相關(guān)的局部振蕩的阻尼.

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