大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對系統(tǒng)功角穩(wěn)定性的影響綜述

任振宇，張師

(1.內(nèi)蒙古電力集團有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000；2.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對系統(tǒng)功角穩(wěn)定性的影響綜述

任振宇1，張師2

(1.內(nèi)蒙古電力集團有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000；2.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

本文基于現(xiàn)有的研究成果，從風(fēng)速、軸系、發(fā)電機工況、換流器裕度、風(fēng)電場位置、滲透率和附加控制電路幾個方面，綜述了大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對系統(tǒng)功角穩(wěn)定性的影響。在總結(jié)了現(xiàn)有研究成果的不足之處后，展望了未來的研究工作。

暫態(tài)穩(wěn)定；小干擾穩(wěn)定；風(fēng)電機組；滲透率

1 引言

隨著風(fēng)電裝機容量增加，我國在2011年風(fēng)電總裝機容量達6500萬千瓦，成為世界上風(fēng)電設(shè)備制造大國和風(fēng)電裝機容量最多的國家。當(dāng)大規(guī)模風(fēng)電基地集中接入輸電系統(tǒng)后，可使整個系統(tǒng)的動態(tài)行為和穩(wěn)定機理發(fā)生顯著變化[1]。因此，大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響分析成為很多學(xué)者關(guān)注的重點。

電力系統(tǒng)穩(wěn)定性可分為電壓穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定和功角穩(wěn)定[2]。基于不同的故障情況，功角穩(wěn)定可分為小干擾穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定。本文基于現(xiàn)有的研究成果，對大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對系統(tǒng)功角穩(wěn)定性的影響展開綜述。

2 電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定

2.1 電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定

電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定是指系統(tǒng)受到小干擾后，不發(fā)生自發(fā)振蕩或非周期性失步，自動恢復(fù)到起始運行狀態(tài)的能力。特征根分析法是小干擾穩(wěn)定的主要分析方法。

電力系統(tǒng)可以用一組非線性微分方程和一組非線性代數(shù)方程來表示[3]：

(1)

根據(jù)Lyaponov線性化理論，在運行點x0附近進行線性化處理，可以表示為初始值與微增量之和：

xk=xk0+Δxk

(2)

將公式(2)泰勒展開并消去非狀態(tài)變量和微增量的高次項，可以得到：

(3)

式中A為狀態(tài)矩陣，其特征根決定了系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性。系統(tǒng)的低頻振蕩頻率和阻尼可以通過特征根計算得出。

2.2 電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定

電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定指的是電力系統(tǒng)受到大干擾后，各發(fā)電機保持同步運行并過渡到新的或恢復(fù)得到原來穩(wěn)定運行狀態(tài)的能力，通常指第一或第二擺不失步。目前電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的分析方法主要是直接法、時域仿真法和混合法[4-6]。

3 大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定的影響

3.1 風(fēng)速擾動對系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定的影響

文獻[7]建立了恒速異步發(fā)電機(Constant Speed Wind Turbine，CSWT)模型，并分析了風(fēng)速對系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定的影響：當(dāng)陣風(fēng)擾動頻率與系統(tǒng)功率振蕩的固有振蕩頻率時，會引起大幅度的功率振蕩，此時需要增加系統(tǒng)阻尼以減小強迫功率振蕩的幅值。而通過實測的風(fēng)速數(shù)據(jù)可知，周期性風(fēng)速擾動的頻率較小，并不會與系統(tǒng)固有振蕩頻率發(fā)生共振[8]。文獻[9]在對風(fēng)速和負荷建模的基礎(chǔ)上，通過分析得出結(jié)論：當(dāng)風(fēng)速變化與周期性負荷變化疊加時，系統(tǒng)功率振蕩最嚴重。

3.2 軸系對系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定的影響

由于風(fēng)電機組軸剛度較低，因此有很多學(xué)者將軸系模型采用雙質(zhì)塊模型來描述[10-13]。雙質(zhì)塊模型為[11]：

(4)

其中：ωt表示風(fēng)輪轉(zhuǎn)子角速度；ωm表示發(fā)電機轉(zhuǎn)子角速度；Tt表示軸系的風(fēng)輪側(cè)機械轉(zhuǎn)矩 ；Te表示發(fā)電機側(cè)的電氣轉(zhuǎn)矩；γ為軸系承受的扭矩；Ks為軸剛度；Ht為風(fēng)輪轉(zhuǎn)子時間常數(shù)，Hm為發(fā)電機轉(zhuǎn)子慣性時間常數(shù)。

當(dāng)風(fēng)機軸系采用雙質(zhì)塊模型時，增加特征根矩陣的階數(shù)，增加了計算量，但卻能更準(zhǔn)確地表示風(fēng)電機組的動態(tài)過程[13]。文獻[13]的分析表明：軸系剛度越低，功率振蕩的幅值越大，小干擾穩(wěn)定性越差。

3.3 發(fā)電機工況對系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定的影響

目前大部分的風(fēng)機采用的是雙饋感應(yīng)發(fā)電機(Double Fed Induction Generator，DFIG)。DFIG風(fēng)電機組的運行工況取決于風(fēng)速的大小，因為DFIG可以通過調(diào)節(jié)槳距角實現(xiàn)最優(yōu)風(fēng)功率捕獲，不同的風(fēng)速下，發(fā)電機的輸出電磁功率就不同[14]。不同的DFIG運行工況下，系統(tǒng)的運行點是不同的，使得公式(1)線性化處理的結(jié)果就不同。

目前DFIG的無功控制方式主要分為定功率因數(shù)控制和定電壓控制[15]。一些學(xué)者比較了DFIG采用定功率因數(shù)控制和定電壓控制對系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性的影響，通過分析計算可知，當(dāng)DFIG采用定電壓控制代替定功率因數(shù)控制時，系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性更好[16-17]。

3.4 風(fēng)電場位置對系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定的影響

文獻[18]分析了不同風(fēng)電場位置對系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定的影響，得出結(jié)論：系統(tǒng)中選取合適的風(fēng)電場位置可以提供較高的振蕩阻尼，提高系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性。除此之外，文獻[18]展望了下一步研究工作：通過給風(fēng)電場增加閉環(huán)控制來提高系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性。

3.5 附加控制電路對系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性的影響

相比于CSWT，DFIG可以可以通過功率轉(zhuǎn)換器來控制供給電網(wǎng)的功率，可以獨立對有功無功進行矢量控制[19]，或者通過角速度控制器來控制[20]，這樣可以增加了風(fēng)電場的阻尼。

文獻[21-23]均提出了通過補充阻尼控制來提高系統(tǒng)振蕩阻尼。文獻[21]采用電力系統(tǒng)穩(wěn)定器控制(Power System Stabilization，PSS)來增加DFIG并網(wǎng)后系統(tǒng)的阻尼，除此之外，還增加了一個開環(huán)控制，通過對轉(zhuǎn)速的監(jiān)控，實時改變DFIG機械轉(zhuǎn)矩的參考值，從而提高DFIG并網(wǎng)系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性。文獻[22-23]將DFIG增加一個閉環(huán)控制，同樣引入轉(zhuǎn)速作為狀態(tài)變量，提高了系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性。文獻[24]通過對DFIG附加PQ跟蹤控制提高了系統(tǒng)區(qū)域間振蕩模式的阻尼，提高了系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性。文獻[1]提出了附加有功功率控制，并提出如何將有功功率控制在工程上實現(xiàn)，從而增加實際系統(tǒng)運行的小干擾穩(wěn)定性。

3.6 風(fēng)電滲透率對系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定的影響

文獻[3]比較了不同滲透率的風(fēng)電對系統(tǒng)特征根的影響，通過仿真分析得出，雙饋和直驅(qū)風(fēng)機模型下，在風(fēng)電滲透功率變化的過程中，系統(tǒng)各振蕩模式阻尼特性的變化趨勢基本一致。

而文獻[25]對不同滲透率的雙饋風(fēng)電場接入做了仿真分析，通過分析得出：系統(tǒng)總發(fā)電量不變的情況下，系統(tǒng)的阻尼比隨著風(fēng)電滲透率的增加呈現(xiàn)二次曲線，某一滲透率下系統(tǒng)的阻尼比最大，有利于系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定。

4 大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的影響

4.1 軸系對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的影響

文獻[26]分析了暫態(tài)過程中軸系模型對系統(tǒng)動態(tài)行為的影響，軸系模型公式(4)已經(jīng)給出。通過分析可知，暫態(tài)過程中軸剛度越低，轉(zhuǎn)子因軸松弛而獲得的預(yù)期加速越多，越不利于系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定。轉(zhuǎn)子因軸松弛而獲得的加速為：

(5)

其中：Tm為機械轉(zhuǎn)矩。

除此之外，文獻[26]還分析了不同風(fēng)電機組參數(shù)對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響。

4.2 發(fā)電機工況對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的影響

一些研究表明，DFIG采用定電壓控制代替定功率因數(shù)控制有利于系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定[16-17]。

文獻[27]通過仿真算例發(fā)現(xiàn)：額定風(fēng)速下風(fēng)電場接入電網(wǎng)的絕對安全容量是有限的，而風(fēng)速較低時，風(fēng)電場可以開啟更多的風(fēng)電機組來提高風(fēng)電場的出力。文獻[28]以實測運行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過分析得出近滿載工況下的DFIG由于轉(zhuǎn)子電流裕度較低，更容易發(fā)生連鎖脫網(wǎng)事件。

4.3 換流器裕度對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的影響

為防止換流器過電流，DFIG通常采用撬棒電路(Crowbar),在暫態(tài)過程中使DFIG轉(zhuǎn)子短路[29-30]。而DFIG的撬棒動作后，DFIG會吸收大量無功功率，給系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性帶來不利影響。因此，一些學(xué)者通過增加換流器裕度，抬高撬棒動作的門檻，使得DFIG不脫網(wǎng)，從而增加了系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性[31]。

4.4 風(fēng)電滲透率對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的影響

文獻[32]基于EEAC理論分析，得出風(fēng)火總出力相同的條件下，增加風(fēng)電配比有利于火電機組的功角暫態(tài)穩(wěn)定性。此外，從文獻[33-34]的仿真分析也可以看出，在系統(tǒng)總發(fā)電量相同時，DFIG出力越大，系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性越強。文獻[35]通過對一個實際電網(wǎng)算例仿真，得出結(jié)論：當(dāng)DFIG比例在12.3%以下時，DFIG代替同容量火電機組會對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定產(chǎn)生更好的影響，在12.3%以上時，DFIG代替同容量火電機組會降低系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性。

4.5 附加控制電路對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的影響

文獻[36]通過對自勵磁感應(yīng)風(fēng)機附加標(biāo)準(zhǔn)補償系統(tǒng)(Unified Compensation System，UCS)，提高了系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。文獻[37]通過給DFIG發(fā)電機定子側(cè)加裝了動態(tài)制動電阻(Series Dynamic Braking Resistor，SDBR)，提高了DFIG的故障穿越能力，從而提高了系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。文獻[38]也提出了給CSWT加裝SDBR，以提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

本文基于現(xiàn)有的研究成果，從風(fēng)速、軸系、發(fā)電機工況、換流器裕度、風(fēng)電場位置、風(fēng)電滲透率和附加控制電路幾個方面，綜述了大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對系統(tǒng)功角穩(wěn)定性的影響。

目前的研究成果中，針對風(fēng)電滲透率對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性和小干擾穩(wěn)定性的影響分析，不同的研究成果中結(jié)論不一致，且都只是針對仿真結(jié)果的分析，缺乏對影響機理的研究。因此風(fēng)電滲透率對系統(tǒng)功角穩(wěn)定性的影響機理還有待深入研究。除此之外，風(fēng)電場位置對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響也需要深入研究。

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Review on Influences of Power System Angle Stability with Large Scale Wind Farms

REN Zhen-yu1，ZHANG Shi2

(1.Inner Mongolia electric power Refco Group Ltd，Inner Mongolia Hohehot 010000，China；2.School of Electrical Engineering,Northeast Dianli University,Jilin 132012 China)

Based on the existing research,the influences of power system stability with large scale wind farms is reviewed,which can be introduced from some aspects such as wind,shaft,operating condition,inverter margin,location of wind farm,penetration rate and additional circuit control.After summarizing the insufficient of the existing research,we look the work ahead into the future.

transient stability;small-signal stability;wind generating unit;penetration rate

1004-289X(2017)01-0001-04

國家973計劃項目(2013CB228201)

TM72

B

2016-02-09

任振宇(1987-)，男，漢族，工程師，2013年畢業(yè)于東北電力大學(xué)電氣工程專業(yè)，研究方向：電力系統(tǒng)動態(tài)安全分析; 張師(1989-)，男，碩士，主要研究方向：風(fēng)火打捆系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定控制策略研究。