高海濤

（新疆水利水電（高級(jí)技工）學(xué)校，新疆 烏魯木齊830000）

在現(xiàn)代化背景下，電能憑借其優(yōu)異的轉(zhuǎn)化能力與傳輸效果而成為社會(huì)必需能源，風(fēng)力發(fā)電具有可再生、無污染優(yōu)勢(shì)，在可持續(xù)發(fā)展理念指導(dǎo)下，風(fēng)電項(xiàng)目受重視程度逐漸提升。據(jù)國(guó)家能源局發(fā)布的全國(guó)電力工業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2020 年新增電源裝機(jī)總量19087 萬(wàn)千瓦，其中風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)7167 萬(wàn)千瓦，遠(yuǎn)超2019 年風(fēng)電新增并網(wǎng)裝機(jī)2574 萬(wàn)千瓦，由此可見，風(fēng)電并網(wǎng)在電力行業(yè)中的地位。

1 大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)環(huán)境下系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響因素

1.1 風(fēng)電機(jī)組類型

處于同一風(fēng)電系統(tǒng)的不同類型風(fēng)電機(jī)組可對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)產(chǎn)生一定干擾，降低其穩(wěn)定性，風(fēng)電機(jī)組在系統(tǒng)內(nèi)的初始潮流相等，但數(shù)學(xué)模型不同，所呈現(xiàn)出的數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)存在差異，恒速異步風(fēng)電機(jī)（CSWT）對(duì)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)效果較差，而雙饋感應(yīng)電機(jī)（DFIG）與直驅(qū)同步風(fēng)機(jī)（DDSG）可實(shí)現(xiàn)有功功率、電壓、槳距角調(diào)節(jié)，系統(tǒng)控制過程可對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)暫態(tài)造成一定波動(dòng)，并產(chǎn)生電氣阻尼，因此若風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)參數(shù)設(shè)置不合理則會(huì)進(jìn)一步降低系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性。設(shè)定風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)基準(zhǔn)容量、火電機(jī)組額定有功、額定電壓、機(jī)端電壓分別為100MVA、00MW、20kV，并設(shè)定系統(tǒng)機(jī)械阻尼為0，電壓220kV，系統(tǒng)內(nèi)線路電抗為0.1p.u.，同時(shí)設(shè)置50 臺(tái)2MW 機(jī)組構(gòu)成風(fēng)電機(jī)組，潮流計(jì)算時(shí)風(fēng)電功率因數(shù)為1.0[1]。借助仿真實(shí)驗(yàn)了解CSWT、DFIG、DDSG 三種不同類型的風(fēng)電機(jī)組對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響，仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)間為5s，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1 所示，CSWT 機(jī)組并網(wǎng)后，系統(tǒng)同步機(jī)穩(wěn)定性較好，波動(dòng)程度最小，而DDSG、DFIG 機(jī)組并網(wǎng)時(shí)，系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性嚴(yán)重下降，由此可見，不同機(jī)組類型對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性具有不同反映。計(jì)算震蕩阻尼比可得，CSWT、DFIG、DDSG 并網(wǎng)后振蕩阻尼比分別為0.1361、-0.0014、-0.0009，DFIG、DDSG 機(jī)組并入系統(tǒng)后存在負(fù)阻尼，使系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性有所降低，而CSWT 振蕩阻尼比為正數(shù)，可在一定程度上提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性。

圖1 CSWT、DFIG、DDSG 并網(wǎng)后同步機(jī)功角變化

1.2 風(fēng)電接入位置

設(shè)定風(fēng)電系統(tǒng)存在bus（1～4）四個(gè)接口，發(fā)電機(jī)到無窮大系統(tǒng)的電抗、發(fā)電機(jī)到bus2 接入位置的電抗、風(fēng)電接入位置到無窮大系統(tǒng)的電抗分別為X∑、X1、X2，三者存在以下關(guān)系：X∑=X1+X2，設(shè)定風(fēng)電機(jī)組為負(fù)阻抗（Xwind），在星角變換公式應(yīng)用下可得系統(tǒng)等值電抗為：

由式（1）可知，當(dāng)X1、X2數(shù)值相等時(shí)，X 取值最小，此時(shí)風(fēng)電系統(tǒng)同步機(jī)存在輸送功率最大值，公式為：

式（3）中，P0為風(fēng)電系統(tǒng)同步機(jī)電磁功率。同步機(jī)電磁功率與機(jī)械功率數(shù)值近似相等，根據(jù)式（2）、式（3）可知，同步機(jī)靜穩(wěn)裕度隨著輸送功率的增加而增加，此時(shí)風(fēng)電系統(tǒng)受到大規(guī)模并網(wǎng)的影響較小，阻尼越大，則風(fēng)險(xiǎn)越小，系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性提高。

1.3 風(fēng)電滲透率

風(fēng)電滲透率可決定風(fēng)電系統(tǒng)初始潮流，繼而對(duì)系統(tǒng)同步機(jī)靜穩(wěn)裕度造成干擾，根據(jù)特征根分析法來看，系統(tǒng)初始潮流變化可引起狀態(tài)矩陣變化，繼而干擾系統(tǒng)穩(wěn)定性，CSWT 可產(chǎn)生正阻尼比，可抑制同步機(jī)功角變化，因此，若CSWT 滲透率增高，則風(fēng)電機(jī)組阻尼比增大，繼而起到提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的作用。表1為不同風(fēng)電滲透率下的風(fēng)電系統(tǒng)振蕩阻尼比，由表1 可知，CSWT 機(jī)組系統(tǒng)振蕩阻尼比隨著風(fēng)電滲透率的增高而增高，而DDSG 的負(fù)阻尼表現(xiàn)為降低，DFIG 的振蕩阻尼比并非呈現(xiàn)出線性關(guān)系。在此算例中可知，風(fēng)電滲透率可提高系統(tǒng)負(fù)載率，DFIG機(jī)組并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性可能同時(shí)受風(fēng)電滲透率與系統(tǒng)負(fù)載率的影響，而CSWT、DDSG 機(jī)組隨著風(fēng)電滲透率的提升而系統(tǒng)逐漸穩(wěn)定。

1.4 風(fēng)電負(fù)載率

不同風(fēng)電機(jī)組動(dòng)態(tài)可導(dǎo)致系統(tǒng)同步機(jī)功角產(chǎn)生波動(dòng)，不同風(fēng)電滲透率導(dǎo)致系統(tǒng)負(fù)載率產(chǎn)生變化，而風(fēng)電機(jī)組在不同系統(tǒng)負(fù)載條件下的動(dòng)態(tài)行為亦存在差異。CSWT 機(jī)組無法調(diào)節(jié)槳距角，因此CSWT 類型機(jī)組系統(tǒng)的負(fù)載率取決于風(fēng)速變化，而DFIG、DDSG 機(jī)組具有可調(diào)節(jié)功能，可通過改變機(jī)組槳距角調(diào)節(jié)風(fēng)功率利用率，繼而改變風(fēng)電系統(tǒng)機(jī)械功率與負(fù)載率。為更好地分析風(fēng)電負(fù)載率對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響，由于CSWT 機(jī)組無法自主調(diào)節(jié)系統(tǒng)負(fù)載率，本次影響因素實(shí)驗(yàn)僅圍繞DFIG 與DDSG 并網(wǎng)系統(tǒng)展開。將DFIG 兩個(gè)并網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)置的相等初始潮流，依次保障系統(tǒng)內(nèi)同步機(jī)在同一運(yùn)行點(diǎn)展開變化，在此基礎(chǔ)上設(shè)定A 與B 兩種情況，情況A 條件下，將構(gòu)成風(fēng)電機(jī)組的50臺(tái)2MW DFIG 設(shè)定為滿發(fā)，此時(shí)風(fēng)電系統(tǒng)負(fù)載率為100%，且風(fēng)電發(fā)出功率為100MW，功率因數(shù)為1.0；情況B 條件下，將原50臺(tái)2MW DFIG 改為100 臺(tái)，此時(shí)設(shè)定風(fēng)電系統(tǒng)發(fā)出功率為100MW，但系統(tǒng)負(fù)載率為50%，此時(shí)風(fēng)電功率因數(shù)仍為1.0，當(dāng)，同步機(jī)機(jī)械阻尼為0 時(shí)系統(tǒng)失衡，因此本次分析中，設(shè)定同步機(jī)機(jī)械阻尼為0.3p.u.，在特征根分析法應(yīng)用下得出，情況A 條件下，風(fēng)電機(jī)組的振蕩阻尼比為0.0008，情況B 條件下的風(fēng)電機(jī)組振蕩阻尼比為0.0012，由此可見，若以DFIG 為風(fēng)電機(jī)組構(gòu)成系統(tǒng)，則可通過降低系統(tǒng)負(fù)載率調(diào)節(jié)系統(tǒng)阻尼，并提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定[2]。針對(duì)DDSG 機(jī)組并網(wǎng)系統(tǒng)展開分析時(shí)，為防止系統(tǒng)失衡，將系統(tǒng)同步機(jī)機(jī)阻尼設(shè)定為0.3p.u.，與DFIG 并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)類似，設(shè)定情況C 與情況D，在情況C 條件下，將50 臺(tái)2MW DDSG 設(shè)定為滿發(fā)狀態(tài)，風(fēng)電系統(tǒng)發(fā)出功率為100MW，系統(tǒng)負(fù)載率為100%，此時(shí)風(fēng)電功率因數(shù)為1.0；情況D 條件下，將100臺(tái)2MW DDSG 機(jī)組構(gòu)建為風(fēng)電系統(tǒng)，滿發(fā)為200MW，設(shè)定發(fā)出功率100MW，此時(shí)系統(tǒng)負(fù)載率50%，風(fēng)電功率因數(shù)為1.0，根據(jù)特征根展開分析，由DDSG 構(gòu)成的并網(wǎng)系統(tǒng)在情況C 與情況D條件下振蕩阻尼比均為0.0018。由此可知，DDSG 并網(wǎng)系統(tǒng)并不會(huì)受到風(fēng)電負(fù)載率的變化而產(chǎn)生暫態(tài)穩(wěn)定性變化，因此，風(fēng)電負(fù)載率僅可對(duì)DFIG 并網(wǎng)系統(tǒng)造成影響。

表1 不同風(fēng)電滲透率下的風(fēng)電系統(tǒng)振蕩阻尼比

2 系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性在大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)環(huán)境下的控制策略

2.1 系統(tǒng)故障分析

當(dāng)風(fēng)電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，故障期間系統(tǒng)機(jī)械功率隨著風(fēng)電系統(tǒng)的電壓降低而降低，因此為提高風(fēng)電系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性，可提高系統(tǒng)機(jī)端電壓數(shù)值，以此減緩暫態(tài)期間機(jī)械功率的降低程度，繼而保障風(fēng)電系統(tǒng)在故障期間的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)暫態(tài)穩(wěn)定控制。當(dāng)故障消除后，由于機(jī)械功率降低程度被減緩，因此風(fēng)電系統(tǒng)暫態(tài)可實(shí)現(xiàn)快速恢復(fù)，通過提升系統(tǒng)機(jī)械功率增強(qiáng)暫態(tài)穩(wěn)定性。風(fēng)電系統(tǒng)內(nèi)風(fēng)機(jī)機(jī)組也可在一定程度上影響系統(tǒng)機(jī)械功率，因此可在故障處理過程中，在原風(fēng)機(jī)機(jī)組系統(tǒng)內(nèi)增加DFIG雙饋感應(yīng)機(jī)組，以此調(diào)節(jié)風(fēng)電系統(tǒng)機(jī)械功率，降低風(fēng)電系統(tǒng)暫態(tài)過程中的機(jī)械功率，緩解故障對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)的影響，繼而達(dá)到提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的作用。

2.2 應(yīng)用同步無功補(bǔ)償

在暫態(tài)穩(wěn)定性控制過程中，可借助靜止同步補(bǔ)償器（SVG）在風(fēng)電系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償，SVG 可運(yùn)用瞬時(shí)無功補(bǔ)償原理與全控型開關(guān)器件構(gòu)成自換相逆變器，輔以小容量?jī)?chǔ)能元件，構(gòu)成與風(fēng)電設(shè)備相匹配的無功補(bǔ)償裝置，電流型SVG 效果較差，因此在控制系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定時(shí)，需采用電壓型SVG，SVG 在直流側(cè)儲(chǔ)能電容輔助下可根據(jù)系統(tǒng)情況通斷開關(guān)，將系統(tǒng)直流側(cè)電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橥l率交流電壓，以此形成相位可控的系統(tǒng)電壓源，圖2 為SVG 結(jié)構(gòu)示意圖，在SVG 應(yīng)用下可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無功補(bǔ)償，繼而提高暫態(tài)穩(wěn)定性[3]。

圖2 SVG 結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)合SVG 工作原理來看，SVG 工作過程中所吸收的有功功率有限，以無功功率為主，當(dāng)SVG 輸出電壓大于風(fēng)電并網(wǎng)電壓時(shí)，SVG 則起到調(diào)節(jié)電容量的作用，但若SVG 輸出電壓小于風(fēng)電并網(wǎng)電壓，則發(fā)揮出可調(diào)電感器的效果，若SVG 輸出電壓與風(fēng)電并網(wǎng)電壓等量，則在風(fēng)電系統(tǒng)內(nèi)不存在無功交換現(xiàn)象，由此不難看出，在風(fēng)電系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)用靜止同步補(bǔ)償器（SVG）可起到調(diào)節(jié)系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)電壓大小的作用，通過調(diào)節(jié)SVG 無功功率正負(fù)實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償，繼而借助SVG 完成風(fēng)電系統(tǒng)的電壓快速調(diào)節(jié)，加大對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的控制。

2.3 SVG 暫態(tài)控制驗(yàn)證

為進(jìn)一步了解SVG 對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的控制效果，采用仿真實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行驗(yàn)證。本次仿真實(shí)驗(yàn)中采用包括3 機(jī)9節(jié)點(diǎn)的風(fēng)電機(jī)組，并于母線處并入風(fēng)電系統(tǒng)，在PSASP 仿真平臺(tái)應(yīng)用下完成數(shù)據(jù)建模，設(shè)定兩種實(shí)驗(yàn)環(huán)境，其中一次仿真實(shí)驗(yàn)中并未開啟SVG 設(shè)備，用以作為對(duì)照，而另一仿真實(shí)驗(yàn)借助SVG 進(jìn)行風(fēng)電系統(tǒng)調(diào)節(jié)。經(jīng)過SVG 暫態(tài)控制驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn)，具有SVG 結(jié)構(gòu)的風(fēng)電系統(tǒng)面對(duì)故障暫態(tài)時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)功角波動(dòng)程度遠(yuǎn)小于不使用SVG 結(jié)構(gòu)的風(fēng)電系統(tǒng)功角波動(dòng)。由此可見，SVG 結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性具有較強(qiáng)的控制效果，此外在仿真實(shí)驗(yàn)過程中，在SVG 結(jié)構(gòu)無功補(bǔ)償效果下發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)電壓所受干擾較小，且可在故障結(jié)束后快速恢復(fù)到正常狀態(tài)?？偠灾\(yùn)用SVG 結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)母線展開無功補(bǔ)償穩(wěn)定性控制效果顯著，可極大提高風(fēng)電系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性[4]。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，為提高風(fēng)電系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性，應(yīng)從風(fēng)電機(jī)組類型、風(fēng)電接入位置、風(fēng)電滲透率、風(fēng)電負(fù)載率等方面了解風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響，并結(jié)合大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)形勢(shì)針對(duì)常見系統(tǒng)故障進(jìn)行分析，運(yùn)用SVG 結(jié)構(gòu)進(jìn)行無功補(bǔ)償，為進(jìn)一步了解系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性控制，依托SVG 結(jié)構(gòu)展開控制仿真驗(yàn)證工作。