雙饋與直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的小干擾穩(wěn)定性對(duì)比分析

李培強(qiáng)　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(jī)組在電網(wǎng)中的占比日益擴(kuò)大，其運(yùn)行特性極大地影響電力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性.本文分析了雙饋?zhàn)兯倥c直驅(qū)同步風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立了各個(gè)機(jī)組的降階數(shù)學(xué)模型.在此基礎(chǔ)上，對(duì)兩區(qū)域系統(tǒng)進(jìn)行了仿真計(jì)算.研究表明：風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)增加了系統(tǒng)與風(fēng)電機(jī)組強(qiáng)相關(guān)的振蕩模式，且有很好的阻尼特性.當(dāng)風(fēng)電機(jī)組在系統(tǒng)中容量比例提高時(shí)，雙饋機(jī)組會(huì)減弱新增局部振蕩模式的阻尼，直驅(qū)機(jī)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(jī)組；模態(tài)分析；小干擾穩(wěn)定

中圖分類號(hào)：TM761；TM712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(lái)越多的風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)的同時(shí)，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)后的影響進(jìn)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(chǎng)接入會(huì)對(duì)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(chǎng)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(jìn)行深入研究的.不同的風(fēng)電機(jī)組類型和容量比例對(duì)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(duì)電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性的影響十分必要.

目前，國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者針對(duì)并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的各個(gè)方面進(jìn)行了許多有意義的研究.文獻(xiàn)[10]根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)不同容量下的系統(tǒng)穩(wěn)定情況提出了風(fēng)電場(chǎng)絕對(duì)安全容量的概念.文獻(xiàn)[11]概述了目前投入市場(chǎng)的各種不同類型的風(fēng)電機(jī)組，詳細(xì)討論了其不同的結(jié)構(gòu)、原理以及彼此相應(yīng)的對(duì)比.針對(duì)雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，文獻(xiàn)[12]提出了利用暫態(tài)穩(wěn)定指標(biāo)η與極限切除時(shí)間CCT共同來(lái)評(píng)估系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性.文獻(xiàn)[13]基于功角和頻率兩種穩(wěn)定判據(jù)，提出了一個(gè)在兩種運(yùn)行方式下，采用3種擾動(dòng)方式的風(fēng)電場(chǎng)極限穿透功率計(jì)算方法，并且通過(guò)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(dòng)的結(jié)論.文獻(xiàn)[14]介紹了雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)與直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)兩種變速風(fēng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)比較模型對(duì)風(fēng)速的響應(yīng)數(shù)據(jù)與實(shí)際中測(cè)量的響應(yīng)數(shù)據(jù)，證明了模型的可用性.但上述文獻(xiàn)都沒有針對(duì)不同類型風(fēng)電機(jī)組對(duì)系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定進(jìn)行對(duì)比研究.

本文分析了2種風(fēng)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)強(qiáng)耦合兩區(qū)域系統(tǒng)的算例，得出風(fēng)機(jī)并網(wǎng)后，增加了系統(tǒng)的強(qiáng)相關(guān)的振蕩模式，而對(duì)系統(tǒng)阻尼特性的改變不明顯.當(dāng)風(fēng)電機(jī)組在系統(tǒng)中的容量提高時(shí)，系統(tǒng)原有的同步機(jī)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(jī)組穿透功率的增加會(huì)減弱新增局部振蕩模式的阻尼，直驅(qū)機(jī)組穿透功率增加能提高區(qū)域內(nèi)發(fā)生的與風(fēng)電機(jī)組相關(guān)的局部振蕩的阻尼.

1風(fēng)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型

1.1雙饋風(fēng)電機(jī)組模型

3強(qiáng)耦合系統(tǒng)的兩區(qū)域算例

為分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對(duì)電力系統(tǒng)特征值的影響，本文構(gòu)建了如圖1所示測(cè)試系統(tǒng).它由兩部分組成，一部分是大型強(qiáng)耦合系統(tǒng)，用無(wú)窮大母線表示，另一部分由兩臺(tái)同步發(fā)電機(jī)組成.為了考慮不同類型風(fēng)電機(jī)組的影響，節(jié)點(diǎn)3的同步發(fā)電機(jī)分別由雙饋機(jī)組以及直驅(qū)機(jī)組代替.阻抗以2 500 MVA為基值的標(biāo)幺值表示，負(fù)荷采用恒功率模型.發(fā)電機(jī)發(fā)出功率均為2 500 MW，節(jié)點(diǎn)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(jí)為220 kV.

通過(guò)計(jì)算，共軛復(fù)數(shù)特征值與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程對(duì)應(yīng)，稱為低頻振蕩模式，實(shí)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(duì)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(dòng)隨時(shí)可能發(fā)生，且當(dāng)系統(tǒng)阻尼比較弱時(shí)，都有可能造成系統(tǒng)動(dòng)態(tài)失穩(wěn)，通常要求系統(tǒng)正常運(yùn)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(jī)組在系統(tǒng)中容量的提高，對(duì)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(jī)組由于發(fā)電機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)子電阻較小，阻尼轉(zhuǎn)矩抑制振蕩能力有限，會(huì)導(dǎo)致增加一個(gè)風(fēng)機(jī)所在區(qū)域的局部振蕩模式，其穿透功率的增加會(huì)減弱此局部振蕩模式的阻尼.

3）直驅(qū)機(jī)組的發(fā)電機(jī)由于通過(guò)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(jī)組相關(guān)的局部振蕩的阻尼.

4）雙饋機(jī)組系統(tǒng)都增加了與風(fēng)電場(chǎng)強(qiáng)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(yǔ)

本文分析了兩種風(fēng)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)強(qiáng)耦合兩區(qū)域系統(tǒng)的算例，得出風(fēng)機(jī)并網(wǎng)后，增加了系統(tǒng)的強(qiáng)相關(guān)的振蕩模式，且有很好的阻尼特性，而對(duì)系統(tǒng)阻尼特性的改變不明顯.當(dāng)風(fēng)電機(jī)組在系統(tǒng)中的容量提高時(shí)，對(duì)系統(tǒng)原有的同步機(jī)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(jī)組穿透功率的增加會(huì)減弱新增局部振蕩模式的阻尼，直驅(qū)機(jī)組穿透功率增加能提高區(qū)域內(nèi)發(fā)生的與風(fēng)電機(jī)組相關(guān)的局部振蕩的阻尼.

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