毛俊華

摘 要：隨著我國電網(wǎng)建設步伐的加快，要求從電網(wǎng)區(qū)域互聯(lián)角度分析電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。以風力發(fā)電為典型代表，整個系統(tǒng)有大規(guī)模接風電場接入后將存在許多影響因素，難以保證系統(tǒng)安全可靠運行。而且現(xiàn)行關于阻尼特性、小干擾穩(wěn)定等方面研究仍表現(xiàn)出缺失的現(xiàn)狀，使風電機組投入使用后缺少相應的理論指導。對此，文章主要對小干擾穩(wěn)定性的相關概述、風電機組相關模型的構建、小干擾穩(wěn)定性在簡單發(fā)電系統(tǒng)中的體現(xiàn)、阻尼特性與小干擾穩(wěn)定受風電場的影響以及改善并網(wǎng)風電場的具體路徑進行探析。

關鍵詞：風電場；電力系統(tǒng)；阻尼特性；小干擾穩(wěn)定

前言

不可否認，我國近年來利用風能源進行發(fā)電取得較大的成就，在風電場裝機規(guī)模上便可看出其具備較大的規(guī)模，且國內(nèi)各省在電力系統(tǒng)建設過程中逐漸從風電接入方面著手，注重電能質(zhì)量的提高以及系統(tǒng)的可靠運行。但從大多關于風電場并入電網(wǎng)中的研究內(nèi)容上看，仍缺少關于小干擾穩(wěn)定性的分析，難以使電力系統(tǒng)在穩(wěn)定性以及阻尼特性等方面得以改善。因此，對小干擾穩(wěn)定性在電力系統(tǒng)中的應用研究具有十分重要的意義。

1 小干擾穩(wěn)定性的相關概述

現(xiàn)階段電網(wǎng)建設中更注重風電場的接入，其對系統(tǒng)運行方式以及整體結(jié)構都產(chǎn)生一定的影響。目前大多風電場電力系統(tǒng)運行中，小干擾通?？僧a(chǎn)生一定的振蕩情況，若能夠采取相應的抑制措施則可使系統(tǒng)長時間運行下保持穩(wěn)定，但小干擾振蕩難以控制，出現(xiàn)長時間的幅值變化，整個系統(tǒng)將保持不穩(wěn)定狀態(tài)。從目前大多電力系統(tǒng)運行現(xiàn)狀看，一旦出現(xiàn)小干擾問題，系統(tǒng)中控制裝置性能、元件緊密度以及運行狀態(tài)等都將發(fā)生變化。對此現(xiàn)狀，許多學者開始從系統(tǒng)在小干擾后穩(wěn)定性方面著手，以線性化方法為典型代表，其對于小干擾穩(wěn)定分析具有明顯作用。另外在系統(tǒng)振蕩方面，小干擾穩(wěn)定下的振蕩主要以兩種模態(tài)存在，其一為局部模態(tài)，主要指發(fā)電機組與系統(tǒng)其他內(nèi)容發(fā)生振蕩，其中轉(zhuǎn)子具有較大的慣性常數(shù)，該類型下振蕩頻率通常為1-2Hz。其二為區(qū)域間模態(tài)，該類型下振蕩主要發(fā)生在多臺發(fā)電機中，不同區(qū)域內(nèi)發(fā)電機慣性常數(shù)都較高，且在頻率方面保持0.50Hz左右。綜合來看，無論哪種類型機電震蕩，其形成的原因可歸納為：阻尼狀態(tài)下電力系統(tǒng)自身出現(xiàn)的功率振蕩；擾動狀態(tài)下功率振蕩受較弱的阻尼影響而無法穩(wěn)定；因振動下功率波動保持相同頻率，此時若阻尼較弱將使功率波動逐漸增大，出現(xiàn)功率振蕩情況。實際分析過程中要求從風電機組相關參數(shù)以及振蕩的類型著手，分析阻尼特性、小干擾穩(wěn)定等受風電場影響[1]。

2 風電機組相關模型的構建

風電機組構建過程中首先需正確認識機械系統(tǒng)在機組中的體現(xiàn)，可歸納為機械傳動與風力機兩方面系統(tǒng)。一旦電力系統(tǒng)中有風電機組接入，勢必出現(xiàn)振蕩問題，加上現(xiàn)行電力系統(tǒng)運行中要求利用網(wǎng)絡技術，如果發(fā)生網(wǎng)絡異常情況很可能使振蕩問題表現(xiàn)更為突出，對此便需構建相應的風電機組模型。根據(jù)以往學者研究，模型構建中主要從三方面著手。第一，以空氣動力學為基礎構建的模型，其主要對系統(tǒng)功率與風速存在的關系進行描述，若保持恒定風速可對系統(tǒng)功率與漿距角關系進行分析。第二，以漿距角控制為基礎所構建的模型，該類模型的應用多集中于變速風電機組方面，可使能源利用率得以提高，并防止輸入功率超出風力機組可承受的標準值。第三，以風力機軸系為基礎所構建的模型，其功能在于對電磁、機械等功率關系進行分析。但實際構建中需注意不同類型下模型往往存在許多影響因素，使小干擾穩(wěn)定性難以得到準確判斷，如空氣動力學模型下，在構建中應結(jié)合以往學者提出的葉素理論對風力機的轉(zhuǎn)軸、葉片等進行分析，考慮到葉片受力情況無法確定且需要引入大量計算環(huán)節(jié)，要求進行建模中進行簡化使具體參數(shù)如機械功率、葉片槳距角等得以明確[2]。

3 小干擾穩(wěn)定性在簡單發(fā)電系統(tǒng)中的體現(xiàn)

現(xiàn)階段風力發(fā)電中在機組選擇方面主要為異步發(fā)電機，分析小干擾穩(wěn)定性過程中需從振蕩模態(tài)為主，但由于涉及的參數(shù)較多，需要從簡化電力系統(tǒng)著手，可使小干擾穩(wěn)定的研究更為準確。小干擾穩(wěn)定性在整個系統(tǒng)中具體體現(xiàn)在以下幾方面。

3.1 小干擾穩(wěn)定在異步發(fā)電系統(tǒng)中的體現(xiàn)

關于異步發(fā)電機的應用，以往研究中進行模型構建多以狀態(tài)方程著手。以三相異步發(fā)電機為例，其轉(zhuǎn)子、定子繞組分別與外部無源電路以及對稱電源保持相連，其中定子電磁能夠使轉(zhuǎn)子電流體現(xiàn)出來。因此綜合來看，異步風電機組在運行中無需引入附加系統(tǒng)，只需保證電磁轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等合理便可使其有效運行。但需注意運行中該類型發(fā)電機組要求進行無功功率的吸收，所以需將電容器組設置其中實現(xiàn)無功補償?shù)哪繕?。另外，從簡單系統(tǒng)角度，該類發(fā)電系統(tǒng)在構成上主要以升壓變壓器、無窮母線以及變壓器為主，進行小干擾穩(wěn)定性研究中可利用相應的系統(tǒng)方程對系統(tǒng)運行參數(shù)、阻尼特性、振蕩頻率等進行分析。但需注意異步風電機組本身可細化為漿距角可調(diào)與不可調(diào)兩種，需根據(jù)機組不同運行狀態(tài)下漿距角的表現(xiàn)進行小干擾穩(wěn)定性分析，如可調(diào)類型機組在分析過程中可通過分析平均風速變化調(diào)節(jié)漿距角。因此，只需對控制漿距角具體環(huán)節(jié)分析便可推出小干擾穩(wěn)定性[3]。

3.2 小干擾穩(wěn)定在變速機組中的體現(xiàn)

變速機組主要為雙饋風電機組，其應用的優(yōu)勢主要在于對無功交換進行控制，且可通過對有功功率的控制實現(xiàn)風電機組穩(wěn)定運行的目標。整個機組控制目標得以實現(xiàn)主要得益于對漿距角、轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器的有效控制。因此，在分析小干擾穩(wěn)定性在其中的表現(xiàn)時要求進行變頻器、控制系統(tǒng)、感應發(fā)電機等模型的構建，在此基礎上完成簡單系統(tǒng)的分析。綜合以往實踐研究可發(fā)現(xiàn)，該類型風電機組在振蕩頻率方面表現(xiàn)出較大的差異，轉(zhuǎn)子磁通與機組轉(zhuǎn)差率是影響振蕩模態(tài)的關鍵所在。另外，若變頻器電壓、系統(tǒng)運行參數(shù)以及漿距角發(fā)生變化可能出現(xiàn)衰減模態(tài)[4]。

3.3 小干擾穩(wěn)定在永磁同步發(fā)電系統(tǒng)中的體現(xiàn)

該類型發(fā)電系統(tǒng)在電磁結(jié)構方面極為復雜，要求模型構建中既需考慮發(fā)電機模型，還需做好變頻器、控制系統(tǒng)與機械系統(tǒng)等模型的構建，在此基礎上對簡單系統(tǒng)進行分析。根據(jù)實踐研究發(fā)現(xiàn)，該類風電機組在振蕩模態(tài)方面主要受控制系統(tǒng)、風力機暫態(tài)以及發(fā)電機轉(zhuǎn)速等影響，而控制系統(tǒng)參數(shù)以及電壓情況則影響衰減模態(tài)[5]。

4 阻尼特性與小干擾穩(wěn)定受風電場的影響

對風電場的影響可從不同風電機組接入后相應的參數(shù)方面著手。首先，從異步機風電場方面，在接入系統(tǒng)后，無論開停機計劃是否改變，阻尼特性在出力上升的情況下表現(xiàn)出增大態(tài)勢。但需注意開機計劃不變時，系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用量將逐漸增加，若保持容量不變，阻尼特性不會發(fā)生較大的變化。其次，從雙饋機組角度，相比異步發(fā)電機，即使在雙饋機組風電場中引入電容器也難以使無功補償容量提高。研究中可發(fā)現(xiàn)該類型風電機組由于本身在發(fā)電機方面具有較小的電阻，因振蕩現(xiàn)象引起的阻尼問題無法被定子所感應，因此系統(tǒng)阻尼很大程度受變速機組負面影響。最后，從永磁直驅(qū)機角度，其在變頻器使用上主要以全功率為主，系統(tǒng)功率振蕩不會因定子側(cè)而發(fā)生較大反映，因此振蕩情況下阻尼特性也不明顯。但若描述風電機組中采用等效負荷為負值，風電場在接入后將使阻尼特性持續(xù)下降，影響整個振蕩模態(tài)[6]。

5 改善并網(wǎng)風電場的具體路徑

在對系統(tǒng)阻尼進行改善過程中應結(jié)合不同類型風電機組接入后阻尼特性以及小干擾穩(wěn)定性現(xiàn)狀。例如，針對雙饋變速類型，在改善過程中可在輸入信號方面選擇機組轉(zhuǎn)差率，通過穩(wěn)定控制模型的構建使振蕩情況出現(xiàn)后阻尼功率可直接顯示出來，這樣便可達到振蕩平息的效果。而在永磁直驅(qū)類型方面，其輸入信號可選擇系統(tǒng)頻率，保證振蕩情況逐漸削弱，有利于系統(tǒng)恢復運行。但該類型機組在改善阻尼特性過程中往往存在許多影響因素，如風力機轉(zhuǎn)速，因此風電場接入時可考慮做好風力機轉(zhuǎn)速的提高，以此使系統(tǒng)運行得以控制[7]。

6 結(jié)束語

小干擾穩(wěn)定性的分析是保證電力系統(tǒng)可靠運行的關鍵所在。實際分析中應正確認識其基本內(nèi)涵，結(jié)合不同類型風電機組如異步風電機組、雙饋變速機組以及永磁驅(qū)動機組等進行相應模型的構建，通過研究其中阻尼特性在不同運行參數(shù)的表現(xiàn)特征得出具體結(jié)論，并在此基礎上結(jié)合不同類型機組采取相應的完善策略，為電力系統(tǒng)的可靠運行提供保障。

參考文獻

[1]和萍.大規(guī)模風電接入對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性影響及控制措施研究[D].華南理工大學，2014.

[2]岳昊.考慮并網(wǎng)風電隨機波動的電力系統(tǒng)小干擾概率穩(wěn)定研究[D].華北電力大學，2014.

[3]李揚.大規(guī)模風電集中接入對電網(wǎng)小干擾穩(wěn)定性的影響研究[D].華北電力大學，2013.

[4]邊曉燕，李廣躍，王克文，等.多運行方式下含風電場電力系統(tǒng)的小干擾概率穩(wěn)定性研究[J].電網(wǎng)技術，2013，11：3046-3054.

[5]劉劍青.含雙饋型風電場接入的電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定分析研究[D].廣西大學，2014.

[6]邊曉燕，楊立寧，黃鑫鑫，等.基于BPA的大規(guī)模風電場接入電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析[J].電氣應用，2014，23：164-169.

[7]張志科.雙饋風電機組小干擾穩(wěn)定性分析及參與調(diào)頻控制策略研究[D].重慶大學，2013.