含風電配電網小干擾穩定性的影響因素及改善方法

姜 萌，曹 紅，張晶晶，李盈含，張 蔚

(1．國網上海市電力公司青浦供電公司，上海 201799； 2．國網上海市電力公司松江供電公司，上海 201699)

隨著環保意識的不斷增強和化石燃料價格的不斷上漲，促使風力發電需求旺盛。在世界范圍內，特別是在中國、美國和歐洲等國家和地區，風力發電場正在極大地取代傳統發電廠。然而，高比例的風電并網會給電網的穩定運行帶來一定挑戰。

雙饋感應風機(Double Fed Induction Generator，簡稱DFIG)由于具有變速恒頻運行、轉換效率高等優點而被廣泛應用[1]。含風電配電系統的小干擾穩定性受到風機變換器控制參數、風電滲透水平和風電場位置等因素的影響。柔性交流輸電系統(Flexible AC Transmission Systems，簡稱FACTS)裝置也會影響含DFIG電力系統的小干擾穩定性問題。國內外對風力發電穩定性和電力系統的小干擾穩定性已有研究，文獻[2]研究了影響含直驅式永磁同步發電機風力發電系統小干擾穩定性的因素。文獻[3-4]研究了高水平風電滲透、電力調度和風電場位置對含DFIG電力系統的影響。文獻[5]研究了風電負載率對含風電配電系統小干擾穩定性的影響?，F有研究缺乏對含DFIG配電網小干擾穩定性影響多角度因素研究。本文研究含DFIG風力發電配電網小干擾穩定性的影響因素，并提出通過電壓調節參數、接入位置的選擇、滲透率的調整以及靜止無功補償裝置(Static Var Compensator，簡稱SVC)的使用來改善小干擾穩定性。

1 DFIG和SVC建模

在研究DFIG和SVC裝置對配網系統的小干擾穩定性的影響時，DFIG和SVC模型的選擇尤為重要，下面分別介紹典型的DFIG模型和SVC模型。

1.1 DFIG模型

典型DFIG定子與電網連接，轉子通過脈沖寬度調制電壓源逆變器(Pulse Width Modulation-Voltage Source Inventer，簡稱PWM-SVC)對系統供電。DFIG典型結構如圖1所示。

圖1 DFIG典型結構圖

1.1.1 動態特性

DFIG轉子轉速ωm、機械轉矩Tm、電磁轉矩Te計算公式如下：

(1)

Te=xm(iqriqs-idriqs)

(2)

(3)

式中Hm——等效慣性常數；ids，iqs——dq軸定子電流；idr，iqr——dq軸轉子電流；Pω——輸出機械功率。

Pω方程如下式：

(4)

式中ρ——空氣密度；Cρ——風能利用系數；λ——葉尖速比；θp——槳距角；A——葉片掃風面積；vω——風速。

1.1.2 變換器

DFIG系統的變換器為脈沖寬度調制電壓源逆變器(Pulse Width Modulation，簡稱PWM)，變換器背靠背連接，由于其為機電暫態過程，方程式如下：

(5)

(6)

1.2 SVC模型

SVC是電力系統靜止無功調節裝置，可以調節系統節點電壓等特定參數。SVC的穩態等值電路可等效為可變電納[6]，SVC模型等效總電抗bSVC計算公式如下：

(7)

式中Kr——穩定器時間常數；Verf——參考電壓；V——母線電壓；Tr——時間常數。

該SVC模型補償的無功功率Q計算公式如下：

Q=-bSVCV2

(8)

2 仿真系統

采用IEEE-14配電網系統作為測試系統，該配網系統包括14條母線、2臺同步發電機、3臺同步補償器、4臺變壓器和11處負載。IEEE-14配電網系統拓撲結構如圖2所示。

圖2 IEEE-14配電網系統拓撲結構

3 仿真分析

變換器電壓控制參數、滲透率、接入位置、FACTS裝置等均會影響配電網小干擾穩定性。

3.1 終端電壓控制參數對小干擾穩定性的影響

為了研究變換器電壓控制參數Kv和功率控制時間常數T對所測系統小干擾穩定性的影響。采用控制變量法，保持一個參數，改變另一參數，研究電壓控制參數及時間常數對系統穩定性的影響。

在IEEE14節點配電網系統中節點5處接入風機系統，風電滲透率為10%。分別研究DFIG風機系統在不同電壓增益Kv和功率控制時間常數T下系統的不穩定振蕩模態。研究表明系統共存在27組振蕩模式，其中模式一變化明顯且存在不穩定情況。DFIG風機系統在不同電壓增益Kv下系統中模式一振蕩模態變化情況如表1所示。

表1 電壓控制增益對振蕩模態的影響

從表1可以看出：當電壓增益Kv為5和10時，系統存在一對正實部特征值，阻尼比為負數，表明電力系統在不穩定運行；當電壓增益為15和20時，所有特征值變為負實部特征值，表明電力系統是穩定的?？梢娬龑嵅刻卣髦翟黾?，不穩定振蕩模式阻尼特性逐漸增強，電力系統小干擾穩定性增加。因此適當增大變換器電壓增益，有助于系統的小干擾穩定性。

DFIG風機系統在15%滲透率下，不同功率控制時間常數T下的系統中不穩定振蕩模態變化情況如表2所示。

表2 功率控制時間常數對振蕩模態的影響

從表2可以看出：當時間常數T為0.01和0.1時，系統存在一對負實部特征值，阻尼比為正數，表明電力系統在穩定運行；時間常數T變為1和2時，模式一的特征值變為正實部特征值，表明電力系統是不穩定的。由此可見，隨著功率控制時間常數T的不斷增加，原本穩定的振蕩模式阻尼特性逐漸減弱，電力系統小干擾穩定性變差。

3.2 滲透率對小干擾穩定性的影響

風電接入系統的滲透率不同，對系統小干擾穩定性的影響也不相同，通過研究不同滲透率下系統低頻振蕩模態可以分析風機系統容量對系統小干擾穩定性的影響。DFIG風機系統在電壓增益Kv取10、時間常數T為0.01時，不同滲透率下的系統小干擾穩定特性如表3所示。

從表3可以看出：在滲透率為5%和10%時，系統存在一對正實部特征值，阻尼比為負數，表明電力系統在不穩定運行；在滲透率為15%和20%時，不穩定的特征值變為負實部特征值，表明電力系統趨于小干擾穩定；風電滲透率從5%增加到20%的過程中，不穩定振蕩模式阻尼特性逐漸增強，系統小干擾趨于穩定。

表3 風電滲透率對振蕩模態的影響

3.3 接入位置對小干擾穩定性的影響

圖3(a)和圖3(b)為DFIG風電系統分別在節點5和節點14接入系統時，系統振蕩模態的部分復特征根分布圖。風機系統在節點5和節點14接入系統時，系統模式一的振蕩模態變化情況如表4所示。

圖3 風電接入節點5和節點14時系統振蕩模式

表4 風電接入位置對振蕩模態的影響

從圖3和表4可以看出，風電場的位置顯著影響電力系統的小干擾穩定性能。例如，當風力發電機連接到母線5時，振蕩模式一變得不穩定；連接到母線14時，振蕩模式一趨于穩定。

3.4 SVC裝置對小干擾穩定性的影響

風電系統接入節點5，系統連接SVC裝置時系統的振蕩模態復特征根分布圖如圖4所示。含DFIG風電系統有無接入SVC裝置時，系統模式一的振蕩模態變電情況如表5所示。

圖4 接入SVC裝置后系統振蕩模式

表5 SVC裝置對振蕩模態的影響

從圖4和表5可以看出：在10%的風電滲透率下，SVC裝置投入運行后將振蕩模式一的阻尼比從-0.423%提高到2.5%。一般來說，SVC裝置對電力系統的小干擾穩定性有積極的效果，緩解了風力發電并網對配電網系統的不利影響。

4 結語

本文通過分析終端電壓控制參數、不同風電滲透率、不同風機接入位置以及有無SVC裝置接入等情況下含DFIG配電網系統的小干擾穩定性。

在風電滲透率為10%的情況下，增大電壓控制有著積極的影響，而緩慢的功率控制會影響電力系統的動態性能。另一方面，風電場穿透水平和接入位置的不同也會影響系統的穩定性，使用SVC裝置可以改善由于風電場穿透水平及其位置引起的小干擾穩定性問題。