和萍，文福拴，薛禹勝，Ledwich Gerard

（1.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣州510640；2.鄭州輕工業(yè)學(xué)院電氣信息工程學(xué)院，鄭州450002；3.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州310027；4.網(wǎng)新創(chuàng)新研究開發(fā)有限公司，杭州310007；5.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院/南京南瑞集團(tuán)公司，南京210003；6.澳大利亞昆士蘭科技大學(xué)，布里斯班4001）

風(fēng)力發(fā)電對電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性影響述評(píng)

和萍1，2，文福拴3，4，薛禹勝5，Ledwich Gerard6

（1.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣州510640；2.鄭州輕工業(yè)學(xué)院電氣信息工程學(xué)院，鄭州450002；3.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州310027；4.網(wǎng)新創(chuàng)新研究開發(fā)有限公司，杭州310007；5.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院/南京南瑞集團(tuán)公司，南京210003；6.澳大利亞昆士蘭科技大學(xué)，布里斯班4001）

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的不斷進(jìn)步，風(fēng)電裝機(jī)容量逐步增加，在電力系統(tǒng)中的滲透率隨之提高，其對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響越來越顯著。在此背景下，系統(tǒng)地綜述了風(fēng)力發(fā)電對電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性的影響。概述了目前常用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組類型、結(jié)構(gòu)原理及特點(diǎn)，總結(jié)了國內(nèi)外就風(fēng)電并網(wǎng)后對小干擾穩(wěn)定性影響方面的研究熱點(diǎn)，闡述了風(fēng)電對系統(tǒng)振蕩特性和阻尼特性的影響，指出了有待進(jìn)一步研究的問題。最后，簡述了改善風(fēng)電并網(wǎng)后的系統(tǒng)阻尼特性的基本思路和控制策略。

電力系統(tǒng)；風(fēng)力發(fā)電；風(fēng)電并網(wǎng)；小干擾穩(wěn)定；阻尼特性；振蕩模式

在各種可再生能源中，風(fēng)能以其無污染、可再生、蓄量豐富而受到很多國家的重視[1]。全球風(fēng)能[2]約為2.74×1012kW，其中可開發(fā)利用的風(fēng)能約為2×1010kW，比地球上可開發(fā)利用的水能總量要大10倍左右[2]。據(jù)估計(jì)，地面上風(fēng)能的1%就能滿足全世界對能源的需求[1]。我國風(fēng)能資源比較豐富，陸地風(fēng)能資源理論儲(chǔ)量為32.26億kW，近海風(fēng)能資源儲(chǔ)量為2.53億kW，可開發(fā)風(fēng)能資源約為10億kW，相當(dāng)于我國電力總裝機(jī)容量[2]。隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)水平的不斷提高，風(fēng)力發(fā)電成本呈下降趨勢，考慮環(huán)保效益后風(fēng)電成本基本接近燃煤發(fā)電成本。大力開發(fā)風(fēng)能等可再生能源，實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展，已經(jīng)成為解決能源危機(jī)和環(huán)境問題的戰(zhàn)略選擇。

隨著風(fēng)電機(jī)組容量的不斷增大，風(fēng)電場接入電壓等級(jí)也從最初的配電系統(tǒng)發(fā)展到高壓輸電系統(tǒng)，風(fēng)電場對電力系統(tǒng)的影響越來越廣泛，已從簡單的局部電壓偏差、電壓閃變、頻率波動(dòng)、諧波污染等發(fā)展到整個(gè)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定、調(diào)頻調(diào)峰、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等各個(gè)方面[4，5]。近年來，研究風(fēng)電并網(wǎng)后對電力系統(tǒng)的影響和應(yīng)對策略在國內(nèi)外都受到了普遍關(guān)注[6～21]。我國的大區(qū)域互聯(lián)電力系統(tǒng)發(fā)展迅速，穩(wěn)定性成為影響互聯(lián)系統(tǒng)運(yùn)行的主要因素；與此同時(shí)，大量風(fēng)電并網(wǎng)后大規(guī)?；ヂ?lián)系統(tǒng)區(qū)域間和區(qū)域內(nèi)的負(fù)阻尼或者弱阻尼問題顯現(xiàn)，風(fēng)電并網(wǎng)接入點(diǎn)增多和容量增加對系統(tǒng)阻尼特性產(chǎn)生的不利影響趨于明顯。特別是一些位于偏遠(yuǎn)地區(qū)的、總裝機(jī)容量很大的風(fēng)電場經(jīng)長距離輸電線路向負(fù)荷中心送電，對系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定、系統(tǒng)振蕩特性和阻尼特性的影響這種情況。

在上述背景下，本文對國內(nèi)外就風(fēng)電并網(wǎng)后對電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性影響方面的研究進(jìn)行系統(tǒng)地綜述，并提出改善風(fēng)電并網(wǎng)后系統(tǒng)阻尼特性的基本思路和控制策略。簡要介紹了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的類型和并網(wǎng)方式；概述了電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性分析的原理和方法；綜述了風(fēng)電并網(wǎng)對電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性影響分析方面國內(nèi)外的研究情況，包括建模和仿真、系統(tǒng)振蕩模式與阻尼特性，提出了改善風(fēng)電并網(wǎng)后系統(tǒng)阻尼特性的基本思路和控制策略。

1 并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)

大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要包括葉片、偏航裝置、剎車裝置、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、控制裝置、風(fēng)速計(jì)等組件[9]。風(fēng)力發(fā)電可利用風(fēng)速通常為3～30 m/s，風(fēng)輪機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。

按照與風(fēng)輪機(jī)相連接的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速是否恒定，風(fēng)力發(fā)電可分為恒速運(yùn)行與變速運(yùn)行2種方式；按照風(fēng)力發(fā)電機(jī)槳葉對風(fēng)能功率調(diào)節(jié)方式不同，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可分為定槳距調(diào)節(jié)型機(jī)組、變槳距調(diào)節(jié)型機(jī)組和主動(dòng)失速調(diào)節(jié)型機(jī)組。定槳距調(diào)節(jié)型機(jī)組的槳葉與輪轂固定連接，槳葉的迎風(fēng)角不能隨風(fēng)速變化而變化；變槳距調(diào)節(jié)型機(jī)組是定槳距風(fēng)力機(jī)的改進(jìn)和發(fā)展，機(jī)組的葉片可繞葉片中心軸旋轉(zhuǎn)，使得葉片節(jié)距角可在一定范圍調(diào)節(jié)；主動(dòng)失速調(diào)節(jié)型機(jī)組是前兩種功率調(diào)節(jié)方式的組合，通過調(diào)節(jié)槳葉的節(jié)距角，改變氣流對槳葉的功角，進(jìn)而控制風(fēng)輪捕獲的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩和氣動(dòng)功率，將功率調(diào)整在額定值上。

在目前的風(fēng)電場中，主要采用的風(fēng)力機(jī)型[9]有：籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組SCIG（squirrel cage induction generator）、雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組DFIG（doubly fed induction generator）和直驅(qū)永磁同步風(fēng)電機(jī)組DDPMSG（direct-drive permanent magnet synchronous generator）。

1.1 SCIG

基于籠型異步發(fā)電機(jī)的異步風(fēng)電機(jī)組由風(fēng)機(jī)、普通感應(yīng)發(fā)電機(jī)及一組用于無功補(bǔ)償?shù)牟⒙?lián)電容器組成，如圖1所示。風(fēng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的軸系通過齒輪箱連接，定子繞組直接與系統(tǒng)相連。

定槳距異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的槳距角控制方式一般為定槳距失速控制或主動(dòng)失速控制，也有少數(shù)采用槳距控制。這種類型的風(fēng)電機(jī)組一般運(yùn)行在很小的轉(zhuǎn)差范圍內(nèi)。變槳距異步發(fā)電機(jī)在轉(zhuǎn)子繞組中串接入一個(gè)可變電阻，通過調(diào)整該電阻值可以達(dá)到改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。一般采取槳距控制，與定槳距異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)相比轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍有所加大，但仍然很小。

圖1 籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組Fig.1Squirrel cage induction wind power generator

總之，籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)不能充分和有效利用風(fēng)能，且額定運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定裕度較小。

1.2 DFIG

DFIG是一種采用脈寬調(diào)制PWM（pulse width modulation）技術(shù)的新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，是目前風(fēng)電場采用的主流機(jī)型。DFIG定子直接與電力系統(tǒng)相連，而轉(zhuǎn)子經(jīng)PWM變頻器與系統(tǒng)相連，如圖2所示。通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器調(diào)制系數(shù)，實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)子回路電流有功和無功分量的解耦控制，從而使風(fēng)電機(jī)組有功、無功功率與電力系統(tǒng)解耦。這樣的電氣結(jié)構(gòu)和控制方式能最大限度地吸收風(fēng)能，提高風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率，改善風(fēng)電場發(fā)電出力的功率因數(shù)和電壓穩(wěn)定性。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生低頻振蕩時(shí)，其控制系統(tǒng)不改變控制方案，僅通過定子感受系統(tǒng)電氣量變化，從而在轉(zhuǎn)子側(cè)感應(yīng)出振蕩電流，產(chǎn)生阻尼轉(zhuǎn)矩；然而，由于DFIG內(nèi)部電阻小，因此阻尼轉(zhuǎn)矩抑制振蕩的能力有限。

圖2 雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組Fig.2Doubly fed induction wind power generator

1.3 DDPMSG

如圖3所示，DDPMSG與發(fā)電機(jī)通過軸系連接，省去了齒輪箱、電刷和滑環(huán)，提高了機(jī)組運(yùn)行可靠性，減少了維護(hù)費(fèi)用；此外，通過全功率變換器與電力系統(tǒng)間接相聯(lián)，以防止風(fēng)電功率波動(dòng)對主網(wǎng)電能質(zhì)量造成不良影響。由于槳距控制與永磁同步發(fā)電機(jī)直接相連，所以稱為直驅(qū)永磁同步風(fēng)電機(jī)組；風(fēng)電機(jī)組輸出電磁功率受全功率變換器與槳距角控制，發(fā)電機(jī)輸出經(jīng)發(fā)電機(jī)側(cè)變換器整流后由電容支撐，再經(jīng)電力系統(tǒng)側(cè)變換器將電能送給系統(tǒng)。雖然發(fā)電機(jī)輸出功率的頻率隨風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速變化，但經(jīng)網(wǎng)側(cè)逆變器后，與系統(tǒng)頻率相同。全功率變換器使風(fēng)電機(jī)組與電力系統(tǒng)在電氣上完全解耦。然而，與DFIG相比，這種電機(jī)需要配備100%容量的變換器，因此造價(jià)較高，損耗也較大。

圖3 直驅(qū)永磁同步風(fēng)電機(jī)組Fig.3Direct drive permanent magnet synchronous wind power generator

2 小干擾穩(wěn)定性分析的原理與方法

電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定是指系統(tǒng)受到小擾動(dòng)后，不發(fā)生自發(fā)振蕩或非周期性失步，自動(dòng)恢復(fù)到起始運(yùn)行狀態(tài)的能力[8]。小干擾穩(wěn)定研究基于電力系統(tǒng)元件的動(dòng)態(tài)特性，系統(tǒng)狀態(tài)可用系統(tǒng)運(yùn)行點(diǎn)附近的線性化方程描述。小干擾穩(wěn)定性機(jī)理分析一般以發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程和轉(zhuǎn)矩特性為基礎(chǔ)，主要包括負(fù)阻尼機(jī)理、共振機(jī)理、非線性奇異和混沌機(jī)理等[22～25]。

影響電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性的原因有2種：①缺乏與功角增量成比例的同步轉(zhuǎn)矩而引起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角度持續(xù)增大；②缺乏與轉(zhuǎn)速增量成比例的阻尼轉(zhuǎn)矩而引起的轉(zhuǎn)子增幅振蕩。到目前為止，建立在線性化模型基礎(chǔ)上的電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性分析方法主要有2類：以狀態(tài)空間模型為基礎(chǔ)的特征值分析法和以傳遞函數(shù)矩陣為基礎(chǔ)的頻域分析法。

特征值分析法是小干擾穩(wěn)定分析中應(yīng)用最廣泛的方法，其以線性系統(tǒng)理論和李亞普諾夫第一定律為理論基礎(chǔ)，將電力系統(tǒng)模型線性化后用狀態(tài)空間法將其描述成一般的線性系統(tǒng)，求取其狀態(tài)矩陣的特征值和特征向量，然后給出描述系統(tǒng)穩(wěn)定性的定性和定量信息，如振蕩性過渡過程的特征，包括振蕩頻率、衰減因子、影響因子和相應(yīng)強(qiáng)相關(guān)狀態(tài)變量等。特征值分析法是研究系統(tǒng)振蕩模式和阻尼特性的有力工具，已成功應(yīng)用于電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、阻尼控制器安裝地點(diǎn)確定及參數(shù)優(yōu)化等方面[26～28]。

頻域分析法則根據(jù)所研究的具體問題，適當(dāng)選擇系統(tǒng)的輸入和輸出變量，建立以傳遞函數(shù)矩陣形式描述的系統(tǒng)頻域模型，即

式中：y（s）為輸出向量；G（s）為傳遞函數(shù)矩陣；u（s）為輸入向量。系統(tǒng)如果是小干擾穩(wěn)定的，則G（s）的全部極點(diǎn)的實(shí)部都為負(fù)，通常采用多變量Nyquist穩(wěn)定準(zhǔn)則來檢驗(yàn)。電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定分析的頻域法就是以此準(zhǔn)則為基礎(chǔ)的，這種方法受系統(tǒng)規(guī)模影響較小，適用于大規(guī)模電力系統(tǒng)，同特征值分析方法相比，其缺點(diǎn)是其所能提供的信息量不足，因此頻域法曾一度陷入停頓狀態(tài)。隨著適用于多變量控制系統(tǒng)的現(xiàn)代頻域理論的發(fā)展，頻域法又重新受到重視，在電力系統(tǒng)領(lǐng)域中也得到了發(fā)展和應(yīng)用。文獻(xiàn)[29]建立了包括高壓直流輸電線路的電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定的頻域分析模型；文獻(xiàn)[30]則將頻域法運(yùn)用于電力系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性分析。

電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS（power system stabilizer）作為勵(lì)磁系統(tǒng)的一種附加控制裝置，能夠在發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路中提供附加的阻尼轉(zhuǎn)矩[22，26，27]，從而增強(qiáng)電力系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性，抑制低頻振蕩。近年來，智能優(yōu)化算法被逐漸引入到PSS的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)之中[28]，一些結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強(qiáng)、魯棒性好的PSS已經(jīng)在大規(guī)?；ヂ?lián)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性控制中被逐步采用。

3 風(fēng)電并網(wǎng)對小干擾穩(wěn)定性的影響

3.1 建模和仿真

在風(fēng)電場接入系統(tǒng)后的小干擾穩(wěn)定分析的建模和仿真方面，國內(nèi)外已做了大量研究工作[14～16，31～35]，其中包括對各類風(fēng)力發(fā)電機(jī)組入網(wǎng)后的建模與仿真，但研究最多的則是雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)。

文獻(xiàn)[14]給出了DFIG的動(dòng)態(tài)模型，包括其控制和保護(hù)電路，可用于仿真單鼠籠式轉(zhuǎn)子和雙鼠籠式轉(zhuǎn)子的風(fēng)力發(fā)電機(jī)；文獻(xiàn)[15]研究了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)連接雙邊PWM功率變換器時(shí)并網(wǎng)DFIG的數(shù)學(xué)模型，對于其在低于同步轉(zhuǎn)速和高于同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)也適用；文獻(xiàn)[16]分析了在超同步和次同步區(qū)域DFIG的穩(wěn)態(tài)特性，給出了其等效電路，給出了最大化發(fā)電機(jī)輸出功率的最優(yōu)控制策略，但該電路忽略了鐵心損失和諧波損失；文獻(xiàn)[31]根據(jù)磁鏈、電勢和電流的關(guān)系導(dǎo)出了DFIG動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，但該模型沒有考慮轉(zhuǎn)子繞組勵(lì)磁電壓特性控制變量和發(fā)電機(jī)電氣受控變量之間的控制關(guān)系。文獻(xiàn)[32]采用Matlab/Simulink軟件實(shí)現(xiàn)了DFIG的8階、5階和3階模型，其中8階模型包括完整的傳動(dòng)系統(tǒng)模型、定子模型和轉(zhuǎn)子模型，5階模型包括定子模型、轉(zhuǎn)子模型和簡化的傳動(dòng)系統(tǒng)模型，忽略定子的暫態(tài)過程后，3階模型包括轉(zhuǎn)子模型和簡化的傳動(dòng)系統(tǒng)模型，仿真比較了各自模型的響應(yīng)特性；文獻(xiàn)[33]采用Matlab分析了異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)和雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)接入無窮大系統(tǒng)時(shí)對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，對不同風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速、有功和無功功率、風(fēng)電場出口電壓的變化情況進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明，雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)變速平穩(wěn)、低電壓穿越能力較強(qiáng)；文獻(xiàn)[34]討論了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)建模思想，綜合分析了國內(nèi)外在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組建模方面采用的方法及其應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)，并介紹了模型簡化方法和線性化方法。

從現(xiàn)有的文獻(xiàn)來看，基于空氣動(dòng)力學(xué)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)建模技術(shù)相對比較成熟，在很多商業(yè)化仿真軟件中已有典型的風(fēng)機(jī)模型模塊，例如DIgSILEN/PowerFactory、PSASP、PSCAD/EMTDC、Matlab等。在對實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行分析時(shí)，可以根據(jù)研究目標(biāo)和研究對象的具體情況采用詳細(xì)或簡化風(fēng)機(jī)模型，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)后電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定分析模型并進(jìn)行仿真研究。

3.2 風(fēng)電并網(wǎng)對系統(tǒng)振蕩模式和阻尼特性的影響

文獻(xiàn)[12]于2003年率先開展了恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)和變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)對電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性影響的研究，研究重點(diǎn)集中在系統(tǒng)模式分析和時(shí)域仿真方面，采用特征值分析和時(shí)域仿真分析研究風(fēng)電接入對系統(tǒng)振蕩模式和阻尼特性的影響；文獻(xiàn)[13]利用電力系統(tǒng)綜合分析程序PSASP（power system analysis software package）的用戶自定義功能，將SCIG線性化模型與PSASP連接，通過對大容量風(fēng)電場接入大規(guī)模實(shí)際電力系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定特性進(jìn)行分析，得出大容量風(fēng)電場接入系統(tǒng)沒有改變系統(tǒng)內(nèi)各大機(jī)群間原有的振蕩模式，但振蕩特性會(huì)發(fā)生變化。系統(tǒng)內(nèi)增加了與風(fēng)電場強(qiáng)相關(guān)的振蕩模式，這些振蕩模式具有較好的阻尼特性，而外部系統(tǒng)的阻尼特性隨著風(fēng)電并網(wǎng)比例的增大呈下降趨勢；文獻(xiàn)[17]分析了在新西蘭電力系統(tǒng)中并網(wǎng)風(fēng)電對系統(tǒng)阻尼特性的影響，通過對不同工況下機(jī)電振蕩模式的比較，發(fā)現(xiàn)不同類型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組投入對系統(tǒng)阻尼特性的影響不大；文獻(xiàn)[18]研究表明風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)容量、并網(wǎng)接入點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)阻塞程度的不同會(huì)導(dǎo)致大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定造成正面或負(fù)面影響，并通過特征值分析、概率特征值分析和時(shí)域仿真進(jìn)行了驗(yàn)證；文獻(xiàn)[19]針對挪威和北歐電力系統(tǒng)研究了大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對系統(tǒng)阻尼特性的影響；文獻(xiàn)[20]分析了雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組對系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性的影響；文獻(xiàn)[11]表明恒速風(fēng)電機(jī)組對系統(tǒng)功率振蕩有一定的阻尼作用，而變速風(fēng)電機(jī)組因?yàn)樽兞髌鞯淖饔茫L(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速與電力系統(tǒng)頻率解耦，阻尼作用因而被削弱了；文獻(xiàn)[21]建立了適合小干擾穩(wěn)定分析的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)了考慮同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為的全系統(tǒng)狀態(tài)矩陣。采用特征值分析方法所求得的結(jié)果表明，風(fēng)電并網(wǎng)對系統(tǒng)中與同步發(fā)電機(jī)強(qiáng)相關(guān)的振蕩模式的頻率影響不大，但當(dāng)風(fēng)電出力增加時(shí)，相關(guān)振蕩模式的阻尼增強(qiáng)，這有利于系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性。對于風(fēng)電場接入受電端區(qū)域的情況，由于區(qū)域間振蕩模式阻尼特性相對差一些，就更容易發(fā)生振蕩；文獻(xiàn)[35]采用李雅普諾夫穩(wěn)定性分析方法，將表示風(fēng)力發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型的非線性方程組在其穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)處線性化，得到系統(tǒng)狀態(tài)方程；然后，通過求解狀態(tài)矩陣的特征值，得到風(fēng)機(jī)接入后系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定情況。分別在單機(jī)無窮大和三機(jī)系統(tǒng)上仿真分析了異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)外電抗變化和風(fēng)電機(jī)組出力變化對系統(tǒng)阻尼特性的影響，結(jié)果表明常規(guī)異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對系統(tǒng)原有振蕩模式和振蕩特性的影響很??；文獻(xiàn)[36]采用DIgSILENT/Power Factory進(jìn)行頻域分析和時(shí)域仿真，以分析SCIG對電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性及阻尼特性的影響，將系統(tǒng)頻率偏差信號(hào)引入槳距角控制系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)槳距角控制異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率，這樣就使風(fēng)電場輸出功率與系統(tǒng)功率振蕩頻率相關(guān)；文獻(xiàn)[37]研究了DFIG出力增加時(shí)對系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性和暫態(tài)穩(wěn)定性的影響，采用特征值靈敏度分析了雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)接入點(diǎn)的選擇問題，采用特征值分析和故障情況下的時(shí)域仿真研究了系統(tǒng)阻尼特性隨風(fēng)機(jī)出力增加而變化的情況；文獻(xiàn)[38]在PSCAD/EMTDC環(huán)境下針對DFIG的小干擾穩(wěn)定分析模型及其控制和轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行了時(shí)域仿真分析。

綜上所述，SCIG定子繞組直接與系統(tǒng)相連能夠?qū)ο到y(tǒng)振蕩起到阻尼作用。DFIG機(jī)組僅通過定子與電力系統(tǒng)相連，由轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器實(shí)現(xiàn)對機(jī)組輸出有功、無功的解耦控制，減小了相應(yīng)振蕩模式的阻尼，不利于抑制系統(tǒng)振蕩。DDPMSG機(jī)組與系統(tǒng)間通過全功率變頻器相連，完全隔離了風(fēng)電機(jī)組與系統(tǒng)的電氣聯(lián)系，因此與SCIG和DFIG相比，其導(dǎo)致的系統(tǒng)阻尼降低程度最為嚴(yán)重。當(dāng)然，大規(guī)模電力系統(tǒng)區(qū)域間或區(qū)域內(nèi)部的振蕩特性和阻尼情況與電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其特性等因素有關(guān)，風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)容量、并網(wǎng)接入點(diǎn)等因素也會(huì)對并網(wǎng)后的系統(tǒng)阻尼特性帶來不同影響。因此，風(fēng)電場并入不同性質(zhì)電力系統(tǒng)后需根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)和風(fēng)電場的具體情況進(jìn)行小干擾穩(wěn)定性分析。

3.3 改善風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)阻尼特性的控制策略研究

風(fēng)電并網(wǎng)后對系統(tǒng)阻尼特性的影響有正面的也有負(fù)面的，特別是投入大容量風(fēng)電時(shí)，這種情況尤為明顯。因此，如何改善風(fēng)電并網(wǎng)后的系統(tǒng)阻尼特性引起了廣泛關(guān)注。

為了改善風(fēng)電接入系統(tǒng)后的同步穩(wěn)定性，文獻(xiàn)[10]采用基于能量守恒的方法構(gòu)造了含有風(fēng)電機(jī)組的電力系統(tǒng)能量存儲(chǔ)函數(shù)，利用風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化存儲(chǔ)故障過程中系統(tǒng)的不平衡能量從而改善其接入系統(tǒng)的同步穩(wěn)定特性；基于耗散理論構(gòu)造了滿足漸近穩(wěn)定條件的風(fēng)電場穩(wěn)定控制策略，分析了機(jī)組運(yùn)行約束對控制效果的影響。研究結(jié)果表明，針對系統(tǒng)同步穩(wěn)定所設(shè)計(jì)的控制策略不會(huì)惡化系統(tǒng)電壓穩(wěn)定特性，變速恒頻風(fēng)電機(jī)組采用所設(shè)計(jì)的控制策略不會(huì)對其他風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。

針對含雙饋感應(yīng)風(fēng)電場的一類典型混合輸電系統(tǒng)，文獻(xiàn)[39]通過分析DFIG的頻率-功率動(dòng)態(tài)特性，考察其并網(wǎng)后對系統(tǒng)阻尼貢獻(xiàn)的性質(zhì)和程度。研究表明這與勵(lì)磁控制器的參數(shù)密切相關(guān)，雙閉環(huán)PI控制器的比例系數(shù)、積分系數(shù)對DFIG的頻率-功率動(dòng)態(tài)特性有顯著影響，這導(dǎo)致DFIG的阻尼強(qiáng)度甚至阻尼性質(zhì)會(huì)因調(diào)節(jié)器參數(shù)變化而顯著改變。為增強(qiáng)含有大型風(fēng)電場的電力系統(tǒng)的機(jī)電阻尼，文獻(xiàn)[40]在傳統(tǒng)雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上提出了一種雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組附加阻尼控制策略的設(shè)計(jì)方法并提出了風(fēng)電場動(dòng)態(tài)頻率特性的概念，研究表明當(dāng)風(fēng)電場動(dòng)態(tài)頻率特性在低頻段的相位等于180°時(shí)，風(fēng)電場對其接入的電力系統(tǒng)產(chǎn)生純阻尼作用，阻尼的大小取決于低頻段幅頻特性的幅值。

傳統(tǒng)的PSS也逐漸被用于改善風(fēng)電并網(wǎng)后的系統(tǒng)阻尼特性。文獻(xiàn)[41]提出將雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差信號(hào)引入到轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器控制模型中，通過改變轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電壓的相角，調(diào)節(jié)雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組與振蕩相關(guān)的輸出功率，達(dá)到使風(fēng)電場能夠改善系統(tǒng)阻尼的目的。在DIgSILENT/Power Factory中對在雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組增加PSS前后的系統(tǒng)進(jìn)行特征值分析和系統(tǒng)故障時(shí)域仿真，結(jié)果表明增加了PSS控制模塊的雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組能夠有效增加系統(tǒng)阻尼，這在一定程度上能夠抑制系統(tǒng)功率振蕩；文獻(xiàn)[42]采用特征值分析和時(shí)域仿真，研究了PSS應(yīng)用到雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)時(shí)對風(fēng)電并網(wǎng)后的系統(tǒng)阻尼特性改善情況，但所采用的PSS中沒有超前和滯后環(huán)節(jié)；文獻(xiàn)[43]采用特征值靈敏度方法設(shè)計(jì)了雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的阻尼控制器，用以改善系統(tǒng)的阻尼特性；文獻(xiàn)[44]采用差分進(jìn)化算法設(shè)計(jì)了雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的多目標(biāo)優(yōu)化控制器，基于閉環(huán)矢量控制，在不同工況下對轉(zhuǎn)子側(cè)和系統(tǒng)側(cè)轉(zhuǎn)換器的控制器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最后在單機(jī)無窮大和九節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)上驗(yàn)證了所優(yōu)化的控制器參數(shù)的有效性；粒子群算法也被用于優(yōu)化雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制器參數(shù)[45]；文獻(xiàn)[46]采用模糊邏輯槳距角阻尼控制來設(shè)計(jì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器，以修正風(fēng)機(jī)的非線性空氣動(dòng)力學(xué)特性，進(jìn)而改善風(fēng)電并網(wǎng)后的系統(tǒng)阻尼特性。

在風(fēng)電機(jī)組側(cè)加裝阻尼控制裝置是改善風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)后的系統(tǒng)阻尼特性所普遍采用的方法，效果比較顯著。相關(guān)的研究集中于阻尼控制器設(shè)計(jì)、輸入信號(hào)選擇、阻尼控制器參數(shù)優(yōu)化算法、槳距角控制算法、PSS應(yīng)用等方面。

4 結(jié)論

（1）并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組一般采用普通籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)、雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)和直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)。普遍認(rèn)為，SCIG能夠增強(qiáng)系統(tǒng)阻尼，而DFIG則會(huì)削弱系統(tǒng)阻尼。事實(shí)上，風(fēng)機(jī)類型、并網(wǎng)方式、并網(wǎng)接入點(diǎn)、并網(wǎng)容量比例等因素會(huì)對系統(tǒng)阻尼特性帶來不同影響，結(jié)果可能是正面的也可能是負(fù)面的，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行具體分析。

（2）風(fēng)電并網(wǎng)后對系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性分析的研究熱點(diǎn)集中在系統(tǒng)模式分析和時(shí)域仿真；換言之，一般通過特征值分析和時(shí)域仿真分析研究風(fēng)電接入對系統(tǒng)振蕩模式和阻尼特性的影響。

（3）改善風(fēng)電并網(wǎng)后系統(tǒng)阻尼特性的研究則主要集中在風(fēng)機(jī)附加阻尼控制策略的設(shè)計(jì)方面，主要包括：阻尼控制器設(shè)計(jì)、輸入信號(hào)選擇、阻尼控制器參數(shù)優(yōu)化算法、槳距角控制算法、特征值靈敏度方法、PSS應(yīng)用等。

（4）研究風(fēng)電并網(wǎng)所采用的商業(yè)化軟件主要包括：DIgSILEN/Power Factory、PSASP、PSCAD/EMTDC和MATLAB。這些軟件中大都有可供小干擾穩(wěn)定分析用的典型的風(fēng)電機(jī)組模型模塊。

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Survey on Impact of Wind Power on Small Signal Stability in Power System

HE Ping1，2，WEN Fu-shuan3，4，XUE Yu-sheng5，Ledwich Gerard6
（1.School of Electric Power，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China；2.College of Electric and Information engineering，Zhengzhou University of Light Industry，Zhengzhou 450002，China；3.College of Electrical Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China；4.INSIGMA Innovative Research and Development Ltd.，Hangzhou 310007，China；5.State Grid Electric Power Research Institute，Nanjing 210003，China；6.Queensland University of Technology，Brisbane 4001，Australia）

With the advancement of wind generation technology，the installed capacity of wind generation and its penetration level in a power system have been increasing in the past decade.As a result，the impacts of wind generation on stability of power system are becoming more and more significant.Under this background，the impacts of wind generation on small-signal stability in power system are systematically surveyed in this work.First，the principles and characteristics of the widely-used types of wind power generators are described，and the researches associated with the impacts of wind generation on small-signal stability in power system are clarified.Then，the impacts of wind power on oscillation and damping characteristics of power system are systematically addressed，and the problems to be studied are pointed out.Finally，some basic ideas and control strategies for improving the damping characteristics of power system with wind power integration are presented.

power system；wind power generation；wind farm integration；small-signal stability；damping characteristic；oscillation mode

TM711

A

1003-8930（2014）01-0001-07

和萍（1980—），女，博士研究生，講師，從事電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與控制方面的研究。Email：hplkz@126.com

2013-04-12；

2013-08-06

國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（2011BAA07B02）；澳大利亞國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（DP120101345）

文福拴（1965—），男，通信作者，博士，特聘教授，博士生導(dǎo)師，從事電力系統(tǒng)故障診斷與系統(tǒng)恢復(fù)、電力經(jīng)濟(jì)與電力市場、智能電網(wǎng)與電動(dòng)汽車等方面的研究。Email：fushuan. wen@gmail.com

薛禹勝（1941—），男，博士，中國工程院院士，博士生導(dǎo)師，從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化方面的研究。Email：xueyusheng@sgepri. sgcc.com.cn