DFIG接入對電力系統(tǒng)低頻振蕩的抑制

劉 斌 王巧珍 周中峰

內(nèi)蒙古電力（集團）有限責任公司巴彥淖爾電業(yè)局

DFIG接入對電力系統(tǒng)低頻振蕩的抑制

劉 斌 王巧珍 周中峰

內(nèi)蒙古電力（集團）有限責任公司巴彥淖爾電業(yè)局

給出了雙饋發(fā)電機組的數(shù)學(xué)模型及含風(fēng)場的電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定分析方法。針對電力系統(tǒng)低頻振蕩信號的非線性、非平穩(wěn)的特點，提出了一種希爾伯特-黃變換（Hilbert-Huang transform，HHT）的信號分析算法，并在完整的雙饋風(fēng)力發(fā)電機組（doubly fed induction generation， DFIG）模型上進行仿真。結(jié)果表明，DFIG接入系統(tǒng)后，此方法可以對低頻振蕩的抑制研究起到一定的效果，在一定程度上提高了電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。

現(xiàn)階段，風(fēng)電技術(shù)不斷發(fā)展，其規(guī)模也在繼續(xù)擴大，在大容量的風(fēng)電機組接入時，對電力系統(tǒng)的影響也十分明顯。

目前電力系統(tǒng)普遍實行區(qū)域互聯(lián)，在受到小的擾動下因其阻尼不足會發(fā)生頻率在0.17～2.5Hz之間的相對擺動，故稱之為低頻振蕩。此振蕩使得區(qū)域間的功率傳輸受到了限制，同時也影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

雙饋感應(yīng)發(fā)電機（doubly fed induction generator，DFIG）較傳統(tǒng)的恒速風(fēng)機可以提高風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率，在某些情況下能對電網(wǎng)提供無功和電壓的支持，改善風(fēng)電場功率因數(shù)及電壓穩(wěn)定性。目前，介于雙饋機組對小擾動穩(wěn)定及低頻振蕩（Low Frequency Oscillation）特性的影響所采用的抑制方法還比較少。在本文中給出的機組模型在接入電網(wǎng)中可以有效提高振蕩區(qū)域之間模態(tài)的阻尼特性。

雙饋感應(yīng)發(fā)電機（doubly fed induction generator，DFIG）的優(yōu)勢在于通過自身的控制系統(tǒng)來達到恒頻率的電能輸出，此量與風(fēng)速的變化無關(guān)。在文中機組接入兩區(qū)四機系統(tǒng)中，并在雙饋風(fēng)力發(fā)電機組模型的基礎(chǔ)上利用HHT分析方法對接入電網(wǎng)的DFIG產(chǎn)生的振蕩信號進行分析，與傳統(tǒng)方法的比較中體現(xiàn)出了此方法的優(yōu)越性。

風(fēng)力發(fā)電機組動態(tài)模型

風(fēng)力機數(shù)學(xué)模型

風(fēng)力發(fā)電機組是由葉片、輪轂及傳動機構(gòu)組成，在進行研究時需要滿足某些條件。

定子磁鏈飽和不計

在變速風(fēng)機中，葉片與輪轂要可用一階的慣性系統(tǒng)來模擬定子磁鏈的暫態(tài)過程與定子電阻同時不計。

電機模型

發(fā)電機轉(zhuǎn)子運動方程即為風(fēng)力發(fā)電機組的暫態(tài)方程，在方程中，電磁轉(zhuǎn)矩能夠反映出發(fā)電機各電氣量之間的動態(tài)關(guān)系。

HHT方法簡介

希爾伯特-黃變換（Hilbert-Huang Transform，HHT）是一種非線性、非平穩(wěn)的信號處理方法，其核心部分為經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（Empirical Mode Decomposition，EMD），通過此過程把信號分解為若干本征模態(tài)函數(shù)（Intrinsic Mode Function， IMF），然后把IMF進行Hilbert變換，得到每一個IMF隨時間變化的瞬時頻率和瞬時幅值，由此可以構(gòu)建信號的Hilbert譜。

算例分析

算例采用Kunder的兩區(qū)四機系統(tǒng)，系統(tǒng)具體參數(shù)，該系統(tǒng)由兩個對稱區(qū)域組成，每個區(qū)域各有兩臺900MVA的發(fā)電機，區(qū)域1的有功負荷為967MW，無功負荷為100Mvar，區(qū)域2的有功負荷1767MW，無功負荷為100Mvar，采用的運行方式為區(qū)域1向區(qū)域2輸電。

雙饋風(fēng)電機組運行的一個特點為其工作模式將隨風(fēng)速的變換而變化，進而將出現(xiàn)幾種不同的運行模式。對于不同的風(fēng)速，給定的葉尖速比λ，不同的槳距角對應(yīng)的風(fēng)能利用系數(shù)相差較大，且只有一個固定的最佳風(fēng)力機的風(fēng)能利用系數(shù)pC隨槳距角β的減小而增大。

在額定風(fēng)速之下時，為了追蹤最大功率，槳距角趨于0度，使pC趨于最大，風(fēng)輪功率輸出會達到最大；當風(fēng)速在額定風(fēng)速之上時，槳距角開始順槳處于關(guān)槳狀態(tài)，B值在0～45度之間變化，降低功率系數(shù)pC值，風(fēng)輪會減小吸收功率，風(fēng)功率會趨于額定功率。

當機組系統(tǒng)受到擾動后，發(fā)電機轉(zhuǎn)子發(fā)生搖擺，輸出的風(fēng)輪功率信號波形在EMD分解的作用下產(chǎn)生本征模態(tài)函數(shù)imf，進而對振蕩信號進行分析。

對于發(fā)電機輸出功率的振蕩信號辨識的結(jié)果如下：給定初始轉(zhuǎn)速電機轉(zhuǎn)速運行在1400rpm，當風(fēng)速發(fā)生突變情況，電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速跟隨風(fēng)速的變化而變化，很快的趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

同樣在風(fēng)速突變時沒有利用此方法處理，利用HHT變換處理振蕩信號得到的波形與未處理得到的波形相比，振幅與衰減時間明顯下降，同樣能夠增強系統(tǒng)阻尼。

結(jié)語

研究了DFIG的動態(tài)模型及穩(wěn)定性的分析方法，對接入系統(tǒng)后能夠產(chǎn)生電力系統(tǒng)低頻振蕩（Low Frequency Oscillation）做了相關(guān)研究，提出了HHT的信號分析方法，運用此方法能夠從時域仿真信號或現(xiàn)場試驗信號中辨識出低頻振蕩（Low Frequency Oscillation）模態(tài)分量的瞬時幅值、瞬時頻率及阻尼比等參數(shù)。接入兩區(qū)四機系統(tǒng)后的仿真表明，系統(tǒng)的振蕩在一定程度上得到了一定的改善。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.06.045