PowerWorld環境下風機脫網對系統穩定性影響的分析

劉國祥，武小梅，周 俊，袁天清

(廣東工業大學 自動化學院，廣州 510006)

針對風電場并網及脫網對系統穩定性影響的問題，國內外學者開展了廣泛而深入的研究[1-5]，分析了風機脫網的原因和提出了相應的解決策略，但沒有詳細分析風機脫網后對系統穩定性的影響。對此，本文結合PowerWorld Simulator可視化軟件對電網穩定性展開了研究，并進行了可視化分析。

1 基于DFIG的變速風電機組模型

雙饋感應發電機組(doubly-fed induction generator，DFIG)為目前風電機組的主流機型。雙饋異步發電型變速恒頻風電機組如圖1所示。

圖1 雙饋異步發電機型變速恒頻風電機組

近幾年，風力發電機組的單機容量和風電場建設規模日益擴大，成為電網電源的重要組成部分。對于含有風電場的電力系統，由于風力的隨機性和間歇性會對電力系統穩定運行產生一定的影響，因此需要建立正確的數學模型對系統進行仿真分析。

假定定子、轉子三相繞組對稱且不考慮零軸分量，則兩相任意速ωs旋轉dq坐標系下，DFIG的數學模型應如下表示。

式中:ψsd、ψsq、ψrd、ψrq分別為定子、轉子磁鏈的 d、q軸分量;isd、isq、ird、irq分別為定子、轉子電流的 d、q 軸分量;Usd、Usq、Urd、Urq為定子、轉子電壓的 d、q 軸分量;Ls=Lss+Lm，Lr=Lrr+Lm，Lm=3Lsr/2，Lsr為定子、轉子互感幅值，Lss、Lrr分別為定、轉子每相漏感;ωs為坐標系旋轉角速度;ωr為轉子旋轉角速度;TL為風力機提供的驅動轉矩;Te為電磁轉矩;n為電機的極對數;J為風力機的轉動慣量。

如果風電場中每臺發電機都用全暫態模型表示，則產生的高階模型在用計算機分析時計算量非常大，不利于計算結果的分析。因此，在研究整個風電場對電力系統的影響時，不需要考慮每臺風力發電機組對電網的單獨影響。本文采用一臺DFIG模型來等值一個完整的風電場，研究整個風電場對電網動態性能的影響。

2 系統仿真模型

PowerWorld Simulator(PWS)是一個面向對象的電力系統大型可視化分析和計算程序。PWS集電力系統潮流計算、靈敏度分析、靜態安全分析、短路電流計算、經濟調度EDC/AGC，最優潮流OPF、無功優化、GIS功能、電壓穩定分析 PV/QV、ATC計算、用戶定制模塊等多種龐大復雜功能于一體，并利用數據挖掘技術實現強大豐富的三維可視化顯示技術。在PWS中，輸電線路的通斷、變壓器或發電機的增加以及聯絡線功率的交換，一切僅需點擊鼠標即可完成[6-10]。

本文中使用模型的基本原型是WSCC-3機9節點系統，不考慮風電場內部機組之間的影響，因此采用PWS15.0中的DFIG模型來等值一個完整的風電場，風電場模型只包括一個簡化的風力機等值模型(GEWTG)，它包含了詳細的勵磁控制器模型(EXWTGE)和機械調速系統模型(WNDTGE)，詳細模型見文獻[11]。原模型中的兩臺同步發電機更替成了DFIG，同步機為平衡機，系統負荷水平為315MW，系統接線如圖2所示。

圖2 PSW下的WSCC-3機9節點系統接線圖

2．1 切機對靜態電壓穩定的影響

常規的大容量發電廠退出運行時，系統由于突然失去大量無功注入可能存在電壓崩潰的危險。雙饋感應電機能夠實現有功、無功的解耦控制，因此基于DFIG的無功特性取決于雙饋風電機組的控制。一般而言，DFIG構成的風電場能夠控制其風電場出口與電網之間不交換無功功率，即整個風電場不發出也不消耗無功。因此，切除整個風電場后，采用風火打捆方式，即利用火電機組的調節能力配合運行，對風電出力進行補償，平抑風電的間歇性波動，保證風電電能質量。用等高線可視化展現采用風火打捆方案切風機后各節點的電壓情況如圖3所示。

圖3 PSW下的切DFIG后各節點電壓情況

從圖3可知，在電網電壓穩定極限的允許范圍內，風電場并網必須配備足夠的無功補償容量。

2．2 風機脫網對電網頻率穩定性的影響

以美國西部電網WSCC-3機9節點系統為例，對風機脫網對系統頻率的影響進行暫態仿真。

暫態計算綜合評估系統的功角穩定、電壓穩定及頻率穩定情況。在計算結果滿足以下所有條件時，認為系統是暫態的:1)故障后，同一交流系統內功角差最大的兩臺機組之間的功角差呈現減幅振蕩并漸趨于平穩;2)故障期間任何時刻系統頻率在47.5～51.5 Hz，故障后恢復至 49.2 ～50.5 Hz。PWS下風機未脫網和脫網系統頻率曲線如圖4、圖5所示。

由圖4和圖5可知，若風機不脫網，系統瞬時頻率最低跌至49.30 Hz，但若風機脫網則最低跌至48.80 Hz，加重了系統頻率的下跌幅度。分析其原因，隨著風電場并網規模的擴大，當發生故障時，大規模風機暫時脫網將造成系統較大的頻率缺額，使系統短時難以恢復至額定頻率。文獻[8]指出，風電在電網中所占發電比重越大，對系統調頻困難的負面影響也越大;文獻[9-10]討論了當雙饋感應發電機控制系統使機組轉速與電網頻率完全解耦時，導致電網頻率發生改變，機組無法對電網頻率提供有功貢獻。當電網中發生高功率缺額時，電網頻率降低的變化率較高，頻率跌落幅度較大，不利于電網頻率的穩定。

2．3 風機脫網對電網暫態穩定性的影響

在暫態穩定計算時，假定故障及其恢復過程中風速保持不變，負荷需求也保持不變，重點研究電網側發生故障時，風力發電機組的響應特性和對電力系統的影響，以及10個周波后風電場從系統中退出，對同步發電機功角特性的影響。PWS下暫態故障說明如圖6所示。

圖6 PSW下暫態故障說明圖

如圖6所示，選取母線8作為三相接地故障發生的母線，發生時間為1 s時刻，斷路器在1.1 s動作將故障切除。PWS下機端電壓響應曲線如圖7所示。

圖7 PWS下機端電壓響應曲線

圖7中三相接地故障發生1 s時刻，各發電機的機端電壓都有跌落，最低跌落到0.27 p.u.，風電系統電壓穩定問題的關鍵在于對其補償無功。文獻[12]研究了利用靜止同步補償器(STATCOM)改善基于定轉速風電機組和基于轉子電阻可調的繞線式發電機風電場的暫態電壓穩定性;文獻[13]將靜止無功補償器(SVC)和可控硅控制串聯補償器(TCSC)進行聯合補償，通過仿真計算驗證了其對異步機風電場與電網暫態電壓穩定性的作用。PSW下風機脫網后同步機功角特性如圖8所示。

圖8 PWS下風機脫網后同步機功角特性

考慮到WSCC-3機9節點為美國西部電網系統，所以為了驗證其仿真結果的普遍性，在PSW15.0中搭建典型的IEEE14節點系統進行仿真驗證，如圖9所示。

將原系統中同步發電機G2替換為等容量的雙饋風力發電機，驗證風機脫網對系統頻率穩定性的影響，仿真結果如圖10、圖11所示。

由圖10、圖11可知，若風機不脫網，系統瞬時頻率最低跌至49.96 Hz，但若風機脫網則最低跌至49.40 Hz，加重了系統頻率的下跌幅度。

3 結論

1)采用風火捆綁方案可改善風機脫網后電網電壓穩定性。

2)風電系統電壓穩定問題的關鍵在于對其補償無功，因此可通過在風電機組機端并聯電容及加裝靜止同步補償器(STATCOM)、靜止無功補償器(SVC)和可控硅控制串聯補償器(TCSC)的聯合補償來改善電壓穩定性。

3)當發生故障時，大規模風機暫時脫網將造成系統較大的頻率缺額，導致系統短時難以恢復至額定頻率。

4)利用PWS軟件分析風電場脫網后的暫態電壓、頻率穩定問題為調度人員提供了有效而直觀的檢驗手段。

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