風電機組接入對內蒙古電網低頻振蕩的影響分析

呂雨桐，李丹丹，安 東

（內蒙古電力科學研究院，呼和浩特 010020）

0 引言

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，“西電東送，南北互供，全國聯(lián)網”的局面已初步形成。規(guī)模龐大的電網形成之后，也將使弱阻尼甚至負阻尼低頻振蕩問題更加突出，原來網架結構薄弱電網的小干擾穩(wěn)定問題也會日趨嚴重，對大電網的安全、穩(wěn)定、高效運行提出了更高的要求，研究大區(qū)域電網互聯(lián)產生的低頻振蕩問題顯得更加迫切。目前，國內外針對風電接入對電力系統(tǒng)低頻振蕩影響方面的研究尚無確定性結論。

近年來，華北電網動態(tài)穩(wěn)定問題已顯得越來越突出[1]。三華互聯(lián)電網的穩(wěn)定分析計算表明：內蒙古電網-山東電網的弱阻尼模式在華北電網動態(tài)穩(wěn)定問題中表現(xiàn)最突出，該低頻振蕩模式最易被激發(fā)，引起內蒙古電網對華北主網發(fā)生低頻振蕩，導致電網穩(wěn)定破壞[2]。在此背景下，研究大規(guī)模風力發(fā)電并網運行機理，建立異構型風電并網系統(tǒng)模型，特別關注內蒙古風電機組動態(tài)特性，并仿真分析其對電力系統(tǒng)低頻振蕩的影響，可提升內蒙古電網低頻振蕩的綜合控制技術，為電網規(guī)劃及運行提供新的思路和依據(jù)[3-5]。

目前國內外針對低頻振蕩的分析方法主要分為頻域分析法和時域分析法，這些方法大都需要計算特征根、左右特征向量和留數(shù)，易導致分析結果片面和不準確。本文分別采用頻域分析法和矢量裕度分析法對內蒙古電網-山東電網的低頻振蕩模式進行分析。矢量裕度分析方法可以避免特征向量和留數(shù)的計算，且可通過二維復平面圖示化顯示矢量圖，與基于特征值增量的分析方法相比，結果更加直觀明了[6]。

1 基于小擾動分析的內蒙古同步機替換風機出力對內蒙古電網-山東電網振蕩模式的影響

根據(jù)內蒙古電網目前運行狀況，先通過小擾動計算研究了內蒙古電網動態(tài)穩(wěn)定性，重點研究了內蒙古電網中的新能源風機機組用相同容量的同步機代替后，對內蒙古電網-山東電網振蕩模式的影響。具體的替代方式有：

（1）替換不同地區(qū)相同出力的風機為同步機，觀察不同地域的風機對振蕩模式的影響；

（2）替換同一地區(qū)風機不同出力，觀察不同出力的風機對振蕩模式的影響；

（3）替換不同類型的風機為同步機，觀察不同的風機模型對振蕩模式的影響；

（4）替換振蕩的同步機為風機，觀察振蕩模式的變化。

首先，以2019年運行方式數(shù)據(jù)為基礎，針對夏平零風電、冬平風電30%以及冬平風電大發(fā)三種運行方式進行特征值計算，得到目前內蒙古電網-山東電網的振蕩模式（見表1）。

由表1可見，在冬季風電的新能源大發(fā)方式下，內蒙古電網-山東電網的低頻振蕩模式頻率在0.38 Hz左右，阻尼比最低為0.029。

表1 內蒙古電網-山東電網的振蕩模式主要參數(shù)

為了進行對比分析，本節(jié)仿真計算基于PSD-BPA計算平臺，針對內蒙古電網冬平風電大發(fā)的運行方式，對內蒙古電網-山東電網振蕩模式進行觀察；并在模型替換的過程中，保持潮流不變。

1.1 替換不同地區(qū)相同出力的GE風機模型為同步機模型

為了研究方便，將阿拉善盟、烏海市、鄂爾多斯市、呼和浩特市暫稱為下四盟，將巴彥淖爾市、包頭市、烏蘭察布市、錫林郭勒盟暫稱為上四盟。在以上區(qū)域各挑選兩個出力為49.5 MW的風機節(jié)點，將其風機模型替換為等容量的同步機模型，并對目標振蕩模式進行觀察，結果見表2。

表2 不同地區(qū)替換99 MW雙饋風機時目標振蕩模式主要參數(shù)

由表2可以看出，替換西側地區(qū)的風機，目標模式的頻率降低，阻尼比降低。替換靠東側地區(qū)的風機，目標模式的頻率升高，阻尼比略低，其中替換烏蘭察布市和錫林郭勒盟出力99 MW的風機后，頻率較替換前高。

增加替換容量，因下四盟雙饋風機總出力較少（分別為198 MW，99 MW及346.5 MW），故只替換較多雙饋風機出力的上四盟。上四盟分別替換出力396 MW和1100 MW的雙饋風機模型為同步機模型，結果見表3。

由表3可以看出，隨著被替換的出力的風機數(shù)增加，目標模式的頻率和阻尼比均有較大幅度降低，并且替換相同容量西部（巴彥淖爾、包頭）的風機出力與替換相同容量的東部（烏蘭察布、錫林郭勒）風機出力相比，阻尼比降低更多。其中，替換烏蘭察布市內的風機出力時，頻率和阻尼比降低的程度較其他地區(qū)小。

表3 替換396 MW及1100 MW雙饋風機時目標振蕩模式

1.2 替換同一地區(qū)不同出力的GE風機模型為同步機模型

將同一地區(qū)不同出力的風機替換為同步機，觀察內蒙古電網-山東電網振蕩模式的變化。同樣，因下四盟的雙饋風機總出力較小，故只調整上四盟，地區(qū)排序由西向東。

從計算結果可知，隨著替換出力風機數(shù)量的增加，各地區(qū)均呈現(xiàn)出頻率和阻尼比的降低程度越來越大，且位于西側的巴彥淖爾市和包頭市地區(qū)被替換的出力增加對目標模式頻率和阻尼比的影響較東側烏蘭察布市和錫林郭勒盟地區(qū)要大。其中，替換烏蘭察布市內的風機出力對目標模式頻率和阻尼比的影響最小。

1.3 替換同一地區(qū)不同風機模型為同步機模型

將鄂爾多斯市、包頭市、烏蘭察布市和巴彥淖爾市的三種風機模型替換為同步機模型，觀察內蒙古電網-山東電網振蕩模式變化。

從計算結果可知，各地區(qū)均呈現(xiàn)出同樣的規(guī)律，即替換同等出力的GE直驅和GE雙饋風機為同步機，在所替換的出力較小時，對目標模式的頻率和阻尼比影響的區(qū)別較小，但替換固定轉速風機為同步機較另外兩種模型阻尼比減小得更多，且在包頭市、烏蘭察布市和巴彥淖爾市內進行模型替換，目標模式的振蕩頻率相較替換風機出力之前更高。

1.4 替換主要振蕩模式振蕩機組同步機模型為GE風機模型

針對內蒙古電網-山東電網振蕩模式，將內蒙古電網不同參與因子對應的振蕩機組模型替換為GE風機模型，觀察振蕩模式的變化。為控制變量，鄂爾多斯市和烏海均替換出力為330 MW的同步機，包頭市、呼和浩特市、巴彥淖爾市及阿拉善盟均替換出力為300 MW的同步機。烏蘭察布市和錫林郭勒盟由于沒有近似出力的振蕩機組，故未包含。

通過計算發(fā)現(xiàn)，除呼和浩特市外，其余各盟市在替換較低參與因子的機組為風機后，振蕩頻率均有不同程度的降低。除呼和浩特市和包頭市外，其余各盟市在替換較低參與因子的機組為風機后，阻尼比均有不同程度的降低。替換阿拉善盟和烏海的振蕩機組，對振蕩頻率和阻尼比影響較小，其中替換烏海的機組甚至出現(xiàn)振蕩頻率升高的現(xiàn)象。

1.5 小結

（1）替換西側區(qū)域部分風電機組為同步機會惡化穩(wěn)定性，替換東側區(qū)域部分風電機組為同步機，對系統(tǒng)穩(wěn)定性的惡化程度較小。

（2）隨著內蒙古各地區(qū)被替換為同步機的風機數(shù)量的增多，內蒙古電網-山東電網振蕩模式的阻尼比也跟著降低；但目標模式的阻尼比對烏蘭察布市地區(qū)風電比例的敏感度較低。

（3）降低3種風機模型滲透率，可以看出，固定轉速風機模型滲透率的降低對阻尼比的削弱程度相較于GE型風機模型大，而GE型風機滲透率的降低對頻率的降低程度相較于固定轉速風機模型大；且針對GE直驅和GE雙饋風機兩種模型，GE雙饋模型的滲透率降低時，振蕩頻率降低得更多。

（4）替換阿拉善盟和烏海市的部分振蕩機組為風機，對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響較??；替換鄂爾多斯市、呼和浩特市及包頭市地區(qū)的部分振蕩機組，對阻尼比削弱程度明顯。

2 基于矢量裕度法的內蒙古電網風機并網電力系統(tǒng)低頻振蕩分析

使用矢量裕度法計算冬平風電大發(fā)方式下出力的風機對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，分析內蒙古電網出力的雙饋異步風機（DFIG）以及直驅風機對內蒙古電網-山東電網振蕩模式的影響。

2.1 矢量裕度法簡介

結合廣義奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)可知，系統(tǒng)的廣義奈奎斯特曲線距離（1，0）點的最小距離VM決定了系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度[7]，此處以廣義奈奎斯特曲線（矢量裕度曲線）為例進行說明，如圖1所示。

圖1 矢量裕度曲線

定義矢量裕度為系統(tǒng)的廣義奈奎斯特曲線（回路傳遞函數(shù)的掃頻記作L（j））距離復平面的（1，0）點的最近距離。若系統(tǒng)的L（j）可以表示為如下矢量和的數(shù)學形式L（jω）=V1（jω）+V2（jω），則可通過觀察上述公式中各個矢量分量Vi（jω）位于復平面的位置來判斷該分量對于穩(wěn)定性的影響[6-13]。

2.2 雙饋型風機矢量裕度法計算結果

對阿拉善盟、鄂爾多斯市和巴彥淖爾市等八個盟市的DFIG進行研究。針對阿拉善盟、鄂爾多斯市和巴彥淖爾市出力為49.5 MW的14臺DFIG機組利用矢量裕度法進行計算。研究原則為維持仿真系統(tǒng)的潮流水平不變，用恒功率源替換第一組中的DFIG[14-16]。求解得到風機接入前系統(tǒng)的區(qū)域振蕩模式參數(shù)為λ0=-0.154 4+j2.809 3，阻尼比ζ0=5.495%。因此可以知道開環(huán)系統(tǒng)的振蕩模式的振蕩頻率為ω0=2.809 3，并根據(jù)振蕩模式的阻尼比，選擇廣義掃頻頻率的阻尼比ζg=5.3%，且相應地有廣義頻率sg0=0.05ω0+jω0。由剩余同步電網系統(tǒng)的傳遞函數(shù)矩陣G（s）可以得到系統(tǒng)振蕩頻率點的廣義頻率響應矩陣為G（sg0），且對G（sg0）進行奇異值分解（singular value decomposition）后，得到其奇異值向量為[195.103072，0.016419，0.008296，0.006491，0.005685，0.004 671，0.004 544，0.004 126，0.003 645，0.003 530，0.003 433，0.003 301，0.003 261，0.003 183]，因此可知近似有rank（G（sg0））≈1。接著直接繪制解析矢量分量開展穩(wěn)定性分析。

由仿真結果可以得到14臺DFIG對穩(wěn)定性影響，計算結果如圖2所示。

圖2 阿拉善、鄂爾多斯、巴彥淖爾地區(qū)風機作用矢量裕度圖

圖2中T1—T14分別代表14臺DFIG對系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用。具體數(shù)值與對應名稱如表4所示。

表4 阿拉善、鄂爾多斯、巴彥淖爾地區(qū)DFIG矢量裕度法計算結果

由圖2和表4可知，T1—T14均位于復平面的右半平面，意味著第一組的14臺DFIG對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響均為正作用，即這14臺DFIG的接入會提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。并且這14臺DFIG中，T1和T2距離虛軸最遠，T7距離虛軸最近，說明阿拉善盟蒙銀星G1和蒙銀星G2處DFIG的接入對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響的正作用程度最大，而巴彥淖爾市的蒙龍川G3處的DFIG的接入對系統(tǒng)穩(wěn)定性的正作用程度最小。位于鄂爾多斯市的2臺DFIG作用程度則介于阿拉善盟和巴彥淖爾市之間。

同理分析了包頭市、呼和浩特市、烏蘭察布市、錫林郭勒盟雙饋風電機組的矢量裕度計算結果。其中包頭接入系統(tǒng)的雙饋風機對系統(tǒng)穩(wěn)定性有正作用，呼和浩特市、烏蘭察布市、錫林郭勒盟的雙饋風電機組對系統(tǒng)的穩(wěn)定性均起負作用。

2.3 直驅型風機矢量裕度法計算結果

除雙饋風機外，直驅風機在內蒙古電網新能源機組中也占有相當比例。同樣使用矢量裕度法計算冬平風電大發(fā)方式下所有出力的直驅風機對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，從計算結果可知，鄂爾多斯市及呼和浩特市的直驅機組對系統(tǒng)穩(wěn)定性起正作用，而烏蘭察布市的直驅機組起負作用。對于巴彥淖爾市和包頭市來說，雖然機組的作用有正有負，但因為起負作用的機組遠多于起正作用的機組，且作用程度較正作用機組高，因此最終呈現(xiàn)出的總體效果仍然是弱化系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.4 小結

（1）內蒙古電網內的雙饋異步風機對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響具有一定的規(guī)律性，即靠西側的阿拉善盟、鄂爾多斯市、巴彥淖爾市和包頭市內的雙饋風機均對系統(tǒng)穩(wěn)定性起正作用，而對于靠中、東側的呼和浩特市、烏蘭察布市和錫林郭勒盟內的雙饋風電機組惡化系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（2）內蒙古電網直驅風機對內蒙古電網-山東電網區(qū)域振蕩模式影響的計算結果與雙饋風機的結果有些不同，原因為風機模型及接入位置不同導致剩余電網傳遞函數(shù)矩陣及風機傳遞函數(shù)矩陣的相位不同。

（3）根據(jù)以上規(guī)律，可以考慮適當增加阿拉善盟、鄂爾多斯市、巴彥淖爾市以及包頭市出力的雙饋機組數(shù)量，同時增加單臺機組的出力，適當減少呼和浩特市、烏蘭察布市以及錫林郭勒盟出力的雙饋機組數(shù)量，同時減少單臺機組的出力。

（4）對于直驅風機，可以考慮提升鄂爾多斯市地區(qū)直驅風機的比例，適當降低巴彥淖爾市、包頭市及烏蘭察布市地區(qū)的比例。通過提高內蒙古電網-山東電網區(qū)域振蕩模式的阻尼比，優(yōu)化系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 結語

隨著內蒙古電網風電裝機總量的連年增長，其小干擾穩(wěn)定性問題面臨新的挑戰(zhàn)。本文應用小擾動頻域方法，通過對2019年冬平風電大發(fā)方式下蒙西各地區(qū)部分風機及同步機的相互替換，分析了內蒙古電網-山東電網振蕩模式的變化情況?；谑噶吭６确椒ㄑ芯苛瞬煌尤?yún)^(qū)域的風機容量、類型對內蒙古電網穩(wěn)定性的影響。研究結論可為內蒙古電網規(guī)劃及統(tǒng)籌考慮新能源接入提供理論依據(jù)。