雙饋風(fēng)電場次同步振蕩分析與阻抗模型研究

摘 要：本文結(jié)合IEEE次同步振蕩第一標(biāo)準(zhǔn)模型和我國某地區(qū)實(shí)際電網(wǎng)模型，建立了雙饋風(fēng)機(jī)（DFIG）頻域阻抗模型，推導(dǎo)出了適用于雙饋風(fēng)電經(jīng)串補(bǔ)外送次同步振蕩問題的頻域阻抗分析方法，分析了雙饋風(fēng)電經(jīng)串補(bǔ)外送次同步振蕩問題的影響因素。

關(guān)鍵詞：頻域阻抗模型；雙饋風(fēng)電場次同步；振蕩分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.14.088

風(fēng)電系統(tǒng)次同步振蕩問題與火電系統(tǒng)類似但又不盡相同，這是因?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電機(jī)和火力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)差異較大。本文內(nèi)容主要圍繞風(fēng)電系統(tǒng)次同步振蕩的原理和分析方法展開。

1 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的重要性

目前，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)因其具備有功無功靈活控制、最大風(fēng)能追蹤等優(yōu)勢，已經(jīng)成為風(fēng)電場主流風(fēng)力發(fā)電機(jī)。隨著負(fù)荷需求的增長，風(fēng)電裝機(jī)容量以及并網(wǎng)規(guī)模也相應(yīng)提高，因此，當(dāng)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)經(jīng)串補(bǔ)輸出時(shí)也將有可能引發(fā)次同步振蕩問題，這就會給風(fēng)機(jī)軸系帶來威脅，成為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行中的不確定因素。

關(guān)于火力發(fā)電系統(tǒng)次同步振蕩問題的研究已經(jīng)較為普遍，并且有不錯(cuò)的成果。而風(fēng)力發(fā)電機(jī)與火力發(fā)電機(jī)在并網(wǎng)方式、結(jié)構(gòu)等方面都有較大區(qū)別，因此風(fēng)電系統(tǒng)的次同步振蕩在建模、理論分析和抑制方面都需要重新建立，而不能直接采用火電系統(tǒng)的次同步振蕩問題的理論方法。故而，深入研究風(fēng)電系統(tǒng)次同步振蕩問題的分析方法具有非常重大的意義。

2 當(dāng)前基于頻域阻抗模型的雙饋風(fēng)電場次同步振蕩分析方法研究

目前國內(nèi)外針對大規(guī)模風(fēng)電外送次同步諧振已經(jīng)進(jìn)行各個(gè)面的研究，其研究重點(diǎn)主要集中在風(fēng)電次同步諧振的機(jī)理、分析方法以及抑制措施上。

雙饋風(fēng)機(jī)的運(yùn)行模式分為最大功率跟蹤運(yùn)行區(qū)域、恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行區(qū)域和定功率等，采用小信號模型分析法針對雙饋風(fēng)機(jī)經(jīng)串補(bǔ)輸出時(shí)不同運(yùn)行區(qū)域進(jìn)行了特征值分析，分析表明：在低風(fēng)速條件下，風(fēng)機(jī)無論運(yùn)行于最大功率跟蹤狀態(tài)還是其他運(yùn)行狀態(tài)都會發(fā)生SSR現(xiàn)象；隨著風(fēng)速增大，風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域的面積逐漸增大。而采用特征值靈敏度析得到影響風(fēng)機(jī)次同步諧振的主導(dǎo)因素，在相同的條件下，串補(bǔ)度越高，次同步諧振風(fēng)險(xiǎn)越大，穩(wěn)定區(qū)面積越小。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器電流環(huán)比例系數(shù)對次同步諧振起負(fù)阻尼，若將該系數(shù)降低會對次同步起到一定的抑制作用，該系數(shù)越小，穩(wěn)定區(qū)的面積越大。研究還發(fā)現(xiàn)：在一定條件下，降低風(fēng)機(jī)臺數(shù)會消除次同步諧振風(fēng)險(xiǎn)并且諧振頻率隨著風(fēng)機(jī)臺數(shù)的變化而變化。

風(fēng)電經(jīng)串補(bǔ)或HVDC外送并不一定會發(fā)生SSR現(xiàn)象，現(xiàn)有研究中側(cè)重點(diǎn)的不同，很多都未能很好地結(jié)合實(shí)際對DFIG與電網(wǎng)之間發(fā)生機(jī)電扭振互作用效應(yīng)的可能性進(jìn)行全面評估，分析了DFIG與電力系統(tǒng)之間機(jī)電扭振互作用機(jī)理?；谔卣鞲治龇ǖ玫紻FIG軸系固有扭振頻率變化規(guī)律，根據(jù)機(jī)電扭振互作用機(jī)理評估了DFIG與電網(wǎng)間發(fā)生機(jī)電扭振互作用效應(yīng)的可能性。分析表明：由于DFIG軸系具有較大柔性并受系統(tǒng)串補(bǔ)度的限制，因此，含DFIG的實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)串補(bǔ)度較低并且DFIG軸系彈性系數(shù)較低，此時(shí)DFIG與電網(wǎng)間發(fā)生機(jī)電扭振互作用的條件較難滿足。

3 雙饋風(fēng)電場次同步振蕩理論解決措施

雙饋風(fēng)電場經(jīng)串補(bǔ)外送電能時(shí)，可能會引發(fā)次同步振蕩問題。目前已有分析方法均是沿用火電次同步振蕩分析方法，尚未有適用于風(fēng)電次同步振蕩問題的分析方法。本文針對雙饋風(fēng)電場經(jīng)串補(bǔ)外送時(shí)可能存在次同步振蕩風(fēng)險(xiǎn)展開研究，主要成果如下：

（1）雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)建模方面，建立了適用于風(fēng)電次同步等效頻域阻抗分析方法的風(fēng)速模型。采用數(shù)值分析方法（如最小二乘法）將風(fēng)速與DFIG轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速創(chuàng)建點(diǎn)對點(diǎn)的表格，為本文研究影響風(fēng)電次同步振蕩特性因素時(shí)打下基礎(chǔ)。

（2）根據(jù)IEEE次同步振蕩第一標(biāo)準(zhǔn)模型，并結(jié)合我國華北地區(qū)大型風(fēng)電集群的特點(diǎn)，搭建了適用于風(fēng)電次同步等效頻域阻抗分析方法的系統(tǒng)模型。將DFIG在不同位置點(diǎn)并入35kV母線處理簡化為同一位置點(diǎn)并入，這樣的做法在針對某實(shí)際系統(tǒng)時(shí)并不影響頻域阻抗模型分析方法的準(zhǔn)確度，這是因?yàn)?，針對具體風(fēng)場時(shí)，可根據(jù)風(fēng)機(jī)口至35kV母線實(shí)際電纜或架空線路的電阻電抗參數(shù)，在風(fēng)機(jī)與35kV母線間增加相應(yīng)的線路阻抗模型即可。

（3）根據(jù)已有的關(guān)于雙饋風(fēng)電經(jīng)串補(bǔ)輸出次同步振蕩乃奎斯特分析方法，推導(dǎo)出考慮網(wǎng)側(cè)換流器和轉(zhuǎn)子側(cè)換流在內(nèi)的單臺DFIG等效頻域阻抗模型。在感應(yīng)電機(jī)等效電路的基礎(chǔ)上，結(jié)合換流器的影響，推導(dǎo)出DFIG等效頻域阻抗模型，并分析了其實(shí)部虛部的頻率特性，從而分析出DFIG在某些頻率段內(nèi)表現(xiàn)為容性阻抗，從而使得系統(tǒng)等效串補(bǔ)度增大，增加SSO的風(fēng)險(xiǎn)。

（4）推導(dǎo)出適用于雙饋風(fēng)電經(jīng)串補(bǔ)外送系統(tǒng)次同步振蕩的定性分析方法。在DFIG等效頻域阻抗模型的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出整個(gè)系統(tǒng)的等效頻域阻抗Z（s），通過分析系統(tǒng)等效阻抗Z（s）的實(shí)部虛部隨頻率變化曲線，當(dāng)阻抗Z（s）的虛部過零點(diǎn)位于次同步頻率范圍外時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)無SSO風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)阻抗Z（s）虛部過零點(diǎn)位于次同步頻率范圍內(nèi)時(shí)，若對應(yīng)實(shí)部為正值，系統(tǒng)為SSO提供正阻尼，SSO收斂，若對應(yīng)實(shí)部為負(fù)值，系統(tǒng)為SSO提供負(fù)阻尼，SSO不收斂。

（5）結(jié)合PSCAD/EMTDC的建模仿真分析與Matlab數(shù)值建模分析計(jì)算，分別驗(yàn)證了此方法的正確性，并進(jìn)一步分析了風(fēng)速、并網(wǎng)風(fēng)機(jī)臺數(shù)以及雙饋風(fēng)機(jī)控制回路參數(shù)對風(fēng)電次同步振蕩的影響。結(jié)果證明，本文所提出的分析方法能夠定性的分析雙饋風(fēng)電場經(jīng)串補(bǔ)輸出時(shí)是否存在次同步振蕩的風(fēng)險(xiǎn)，以及次同步振蕩的收斂特性。

參考文獻(xiàn)：

[1]李江，許高陽.雙饋風(fēng)電場次同步控制相互作用仿真研究[J].智能電網(wǎng)，2016，4（11）：1082-1092.

[2]高長征，劉座銘，袁野.雙饋風(fēng)電場次同步諧振特性及對電力系統(tǒng)的影響分析[J].電氣應(yīng)用，2016，35（21）：16-19.

作者簡介：葉圣瞳（1992-），男，江蘇宿遷人，本科，研究方向：風(fēng)電場次同步振蕩。