大規模風電場集群并網的電力系統小擾動穩定分析

李潤良　劉景霞

摘 要：由于風力資源豐富的區域遠離負荷中心，致使建設大規模風電基地并集群并入電網成為了必然趨勢，而大規模風電集群接入后給電力系統帶來了新的不確定因素。本文針對風電場集群接入后電力系統的小擾動穩定進行研究。首先，建立風電機組動態等值模型，包括風輪機、發電機、轉子軸系以及變流器模型；其次，取風速作為分群依據對風電場進行聚類分群，建立風電場動態等值模型；最后，利用典型的兩區域四機系統分析風電場集群接入后的小擾動穩定性。仿真結果表明，風電場接入位置和容量均會對電力系統的小擾動穩定產生不利影響。

關鍵詞：風電場 小擾動穩定 集群特性 電力系統

中圖分類號：TM71 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）11（b）-0065-03

我國風能資源儲量巨大，全國范圍內來看，“三北”及華東沿海廣大地區是風能儲量相對集中的區域，這一有利的客觀因素使得我國風電發展方式為規模化、基地化集中開發建設[1]。如此大規模的風電場并入傳統電力網，在為電網輸入可再生能源的同時，也給傳統電力系統的安全平穩運行提出了一系列亟待解決的問題，主要表現在風電場出力的不穩定性（隨機性、波動性、間歇性等）[2]，對電力系統的穩定性研究提出了一個巨大的難題。本文結合風電場出力的隨機性和分布的分散性，分析大規模風電場集群并網的電力系統小擾動穩定性。

1 風電機組建模

單臺風力發電機組是由多個模塊組成，每個模塊均有自身的動態特性且各單元間互相耦合，協同配合完成整臺風機的安全運行任務，接下來針對每個模塊進行建模。

1.1 風速模型

自然風由基本風、陣風、隨機風、漸變風組成，通過疊加各分量來擬合自然風速，風速模型具體見圖1。

1.2 風輪機模型

1.3 發電機模型

風力發電機組在穩態運行下的磁鏈方程及電壓方程在dp0坐標下的計算式為：

1.4 軸系模型

本文選取雙質量塊模型對機組傳動系統建模，把風輪機與變速齒輪箱看作一質量塊，發電機看作另一質量塊[3]，搭建風機軸系模型如下：

2 風電場等值建模

對于風電場多機等值建模過程中機組分群依據的選取有很多種，本文選取K-means均值聚類算法進行分群，步驟如下。

（1）從樣本元素中隨機提取K個元素，定義成原始組的均值向量。

（2）對其他的所有元素，根據它同每個組均值向量間距離遠近，將該元素歸類給距離最小的組。

（3）再次算出各個新形成的K個組的均值向量。

（4）返復進行（2）～（3）步驟，直到滿足算法終止要求，如均值向量不再改變，或達到迭代次數上限等。

對風電場等值參數的計算中以等值前后風電場輸出功率不變為計算原則。假設風電場由N架同一型號的風電機組構成，根據上一章所述聚類方法將風電場內所有風機聚合成K組，則對應的模型等值參數計算如下：

3 仿真算例

本文采用典型的兩區域四機系統分析風電場集群接入后的小擾動穩定性，將風電場分別接入兩區域四機系統中的區域A和區域B分析其對電力系統小擾動穩定的影響程度。兩區域四機系統的接線圖如圖3所示，其中具體參數見文獻[4]。

風電場選取由33臺1.5MW的雙饋型風力發電機組組成，將實測風電場風速作為分群依據，33臺等值機組被分群為4個等值機組，分群結果如圖4所示。

3.1 風電場接入不同區域的功角特性

以發電機組4的功角曲線分析風電場集群接入后的小干擾穩定特性，具體如圖5所示。

從圖5可以看出，風電場接入區域A和B，均不同程度地降低了電力系統的小干擾穩定性，使得系統阻尼不足，對電力系統的安全穩定性影響不利。

3.2 風電場不同風速下的功角特性

仍以發電機組4的功角曲線分析風電場不同風速下的小干擾穩定特性，具體如圖6所示。

從圖6可以看出，風電場在大風速和小風速下，均不同程度地降低了電力系統的小干擾穩定性，使得系統阻尼變差，風速較小時小擾動下的功角波動幅度較大風速下大，其主要原因是風速較小時，風電場出力小的原因導致的。

4 結語

建立雙饋型風力發電機組模型，通過K-means均值聚類算法將大規模風電場的風電機組進行分群等值建模，極大地提高了風電場接入電網的小擾動穩定計算速度，根據分群后的等值模型，結合典型的兩區域四機系統仿真算例，分析了大規模風電場集群接入后的小擾動穩定特性，仿真結果表明了風電場接入后會降低電力系統的小擾動穩定性，使得系統的阻尼特性變差，需做進一步的抑制研究。

參考文獻

[1] 李文津，湯廣福，康勇，等.基于VSC-HVDC的雙饋式變速恒頻風電機組啟動及并網控制[J].中國電機工程學報，2014，34（12）：1864-1873.

[2] L.Trilla，O.Gomis-Bellmunt，A.Junyent-Ferre，et al.Modeling and validation of DFIG 3-MW wind turbine using field test data of balanced and unbalanced voltage sags[J].IEEE T Sustain Energ，2011，2（4）：509-519.

[3] 蒙曉航，葉林，趙永寧.永磁直驅同步風電場多機動態等值模型[J].電力系統保護與控制，2013，41（14）：25-32.

[4] Kundur.電力系統穩定與控制[M].中國電力出版社，2001.endprint