大規模風電場接入電力系統的小干擾穩定性研究

毛俊華

摘 要：隨著我國電網建設步伐的加快，要求從電網區域互聯角度分析電力系統運行的穩定性。以風力發電為典型代表，整個系統有大規模接風電場接入后將存在許多影響因素，難以保證系統安全可靠運行。而且現行關于阻尼特性、小干擾穩定等方面研究仍表現出缺失的現狀，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定性的相關概述、風電機組相關模型的構建、小干擾穩定性在簡單發電系統中的體現、阻尼特性與小干擾穩定受風電場的影響以及改善并網風電場的具體路徑進行探析。

關鍵詞：風電場；電力系統；阻尼特性；小干擾穩定

前言

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

1 小干擾穩定性的相關概述

現階段電網建設中更注重風電場的接入，其對系統運行方式以及整體結構都產生一定的影響。目前大多風電場電力系統運行中，小干擾通常可產生一定的振蕩情況，若能夠采取相應的抑制措施則可使系統長時間運行下保持穩定，但小干擾振蕩難以控制，出現長時間的幅值變化，整個系統將保持不穩定狀態。從目前大多電力系統運行現狀看，一旦出現小干擾問題，系統中控制裝置性能、元件緊密度以及運行狀態等都將發生變化。對此現狀，許多學者開始從系統在小干擾后穩定性方面著手，以線性化方法為典型代表，其對于小干擾穩定分析具有明顯作用。另外在系統振蕩方面，小干擾穩定下的振蕩主要以兩種模態存在，其一為局部模態，主要指發電機組與系統其他內容發生振蕩，其中轉子具有較大的慣性常數，該類型下振蕩頻率通常為1-2Hz。其二為區域間模態，該類型下振蕩主要發生在多臺發電機中，不同區域內發電機慣性常數都較高，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：阻尼狀態下電力系統自身出現的功率振蕩；擾動狀態下功率振蕩受較弱的阻尼影響而無法穩定；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，出現功率振蕩情況。實際分析過程中要求從風電機組相關參數以及振蕩的類型著手，分析阻尼特性、小干擾穩定等受風電場影響[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在機組中的體現，可歸納為機械傳動與風力機兩方面系統。一旦電力系統中有風電機組接入，勢必出現振蕩問題，加上現行電力系統運行中要求利用網絡技術，如果發生網絡異常情況很可能使振蕩問題表現更為突出，對此便需構建相應的風電機組模型。根據以往學者研究，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，在構建中應結合以往學者提出的葉素理論對風力機的轉軸、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節，要求進行建模中進行簡化使具體參數如機械功率、葉片槳距角等得以明確[2]。

3 小干擾穩定性在簡單發電系統中的體現

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

3.1 小干擾穩定在異步發電系統中的體現

關于異步發電機的應用，以往研究中進行模型構建多以狀態方程著手。以三相異步發電機為例，其轉子、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子電流體現出來。因此綜合來看，異步風電機組在運行中無需引入附加系統，只需保證電磁轉速、轉矩等合理便可使其有效運行。但需注意運行中該類型發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無功補償的目標。另外，從簡單系統角度，該類發電系統在構成上主要以升壓變壓器、無窮母線以及變壓器為主，進行小干擾穩定性研究中可利用相應的系統方程對系統運行參數、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與不可調兩種，需根據機組不同運行狀態下漿距角的表現進行小干擾穩定性分析，如可調類型機組在分析過程中可通過分析平均風速變化調節漿距角。因此，只需對控制漿距角具體環節分析便可推出小干擾穩定性[3]。

3.2 小干擾穩定在變速機組中的體現

變速機組主要為雙饋風電機組，其應用的優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風電機組穩定運行的目標。整個機組控制目標得以實現主要得益于對漿距角、轉子側變頻器的有效控制。因此，在分析小干擾穩定性在其中的表現時要求進行變頻器、控制系統、感應發電機等模型的構建，在此基礎上完成簡單系統的分析。綜合以往實踐研究可發現，該類型風電機組在振蕩頻率方面表現出較大的差異，轉子磁通與機組轉差率是影響振蕩模態的關鍵所在。另外，若變頻器電壓、系統運行參數以及漿距角發生變化可能出現衰減模態[4]。

3.3 小干擾穩定在永磁同步發電系統中的體現

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

4 阻尼特性與小干擾穩定受風電場的影響

對風電場的影響可從不同風電機組接入后相應的參數方面著手。首先，從異步機風電場方面，在接入系統后，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出增大態勢。但需注意開機計劃不變時，系統旋轉備用量將逐漸增加，若保持容量不變，阻尼特性不會發生較大的變化。其次，從雙饋機組角度，相比異步發電機，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。研究中可發現該類型風電機組由于本身在發電機方面具有較小的電阻，因振蕩現象引起的阻尼問題無法被定子所感應，因此系統阻尼很大程度受變速機組負面影響。最后，從永磁直驅機角度，其在變頻器使用上主要以全功率為主，系統功率振蕩不會因定子側而發生較大反映，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下降，影響整個振蕩模態[6]。

5 改善并網風電場的具體路徑

在對系統阻尼進行改善過程中應結合不同類型風電機組接入后阻尼特性以及小干擾穩定性現狀。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差率，通過穩定控制模型的構建使振蕩情況出現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。而在永磁直驅類型方面，其輸入信號可選擇系統頻率，保證振蕩情況逐漸削弱，有利于系統恢復運行。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，如風力機轉速，因此風電場接入時可考慮做好風力機轉速的提高，以此使系統運行得以控制[7]。

6 結束語

小干擾穩定性的分析是保證電力系統可靠運行的關鍵所在。實際分析中應正確認識其基本內涵，結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的表現特征得出具體結論，并在此基礎上結合不同類型機組采取相應的完善策略，為電力系統的可靠運行提供保障。

參考文獻

[1]和萍.大規模風電接入對電力系統穩定性影響及控制措施研究[D].華南理工大學，2014.

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

[3]李揚.大規模風電集中接入對電網小干擾穩定性的影響研究[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的小干擾概率穩定性研究[J].電網技術，2013，11：3046-3054.

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

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

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