含雙饋風(fēng)電場電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析

盛 超， 曾 杰， 郝正航， 曾 沅

(1.廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院， 廣州 510080；2.天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點實驗室， 天津 300072)

含雙饋風(fēng)電場電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析

盛 超1， 曾 杰1， 郝正航2， 曾 沅2

(1.廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院， 廣州 510080；2.天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點實驗室， 天津 300072)

隨著風(fēng)電裝機容量的增長，風(fēng)電場接入運行對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響不容忽視。借助單機無窮大系統(tǒng)分析了雙饋風(fēng)電機組的自身穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)雙饋感應(yīng)發(fā)電機轉(zhuǎn)子運動沒有機電暫態(tài)失穩(wěn)現(xiàn)象，但存在電磁暫態(tài)失穩(wěn)現(xiàn)象；研究了雙饋風(fēng)電場與同步電機運行在典型接線方式下系統(tǒng)穩(wěn)定性的差異和變化。仿真算例表明，由于雙饋風(fēng)電機組有功功率的快恢復(fù)特性，可能使含雙饋風(fēng)電場混合電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定水平顯著降低。

雙饋感應(yīng)發(fā)電機； 風(fēng)電場； 電力系統(tǒng)； 暫態(tài)穩(wěn)定性

雙饋式風(fēng)電機組與常規(guī)同步發(fā)電機有很多不同，隨著風(fēng)電裝機容量的增長，風(fēng)電對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性影響不容忽視。尤其在我國，雖然風(fēng)能資源豐富，但適合大規(guī)模開發(fā)風(fēng)電的地區(qū)一般都遠離負荷中心，甚至遠離主干電網(wǎng)。當(dāng)風(fēng)電高比例滲入電網(wǎng)以后，對電網(wǎng)穩(wěn)定性產(chǎn)生怎樣的影響，國內(nèi)外學(xué)者開展了對這一問題的研究。從已發(fā)表的文獻來看，研究方法大致相同--即通過仿真工具建立風(fēng)電場模型，再將風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)，仿真計算以后得出穩(wěn)定性結(jié)論。為了得出風(fēng)電對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性影響是正面還是負面，通常的做法是將風(fēng)電場替換為常規(guī)同步電機后，再次做相同的仿真計算，以此作為與前者比較的參考。

文獻[1]研究了大規(guī)模風(fēng)電接入對電力系統(tǒng)的影響。通過對雙饋風(fēng)電機組進行動態(tài)建模以及對包含風(fēng)電場的電力系統(tǒng)進行仿真計算，研究結(jié)果表明大規(guī)模的風(fēng)電接入可能會使電網(wǎng)出現(xiàn)線路傳輸功率越限、短路容量增加及電力系統(tǒng)穩(wěn)定性發(fā)生變化等問題。文獻[2]假設(shè)了一個示例系統(tǒng)，在電網(wǎng)末端接入100 MW的雙饋式風(fēng)電場，研究了受擾后系統(tǒng)的動態(tài)行為，又將該風(fēng)電場替換為相同容量的常規(guī)同步電站，又做了相同的仿真分析。結(jié)論是接入雙饋式風(fēng)電場比接入同等容量的常規(guī)電站有更好的阻尼特性和暫態(tài)穩(wěn)定性。文獻[3]認為，雙饋機組的機械慣性與電力系統(tǒng)解耦，于是將雙饋機組視為無機械慣性的常規(guī)同步機組，通過計算特征值對機組機械慣性的靈敏度來判斷風(fēng)電機組對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性影響的性質(zhì)。事實上，這種做法只考慮到雙饋機組的一個特點--機電解耦性，沒有考慮到雙饋機組的其他特性，將雙饋機組僅僅視為無慣性的同步機組值得商榷。文獻[4]的做法與文獻[1]類似，但該文全面考慮了測試系統(tǒng)中同步電機和負荷的各種建模，仿真結(jié)論是雙饋機組代替同步機組后暫態(tài)穩(wěn)定性趨向增強，但在有些故障條件下也出現(xiàn)暫態(tài)穩(wěn)定性減弱情況。文獻[5]研究了風(fēng)電場整體與電網(wǎng)的相互作用，指出了風(fēng)電場接入容量與電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性及功角暫態(tài)穩(wěn)定性的關(guān)系。文獻[6]研究了雙饋風(fēng)電機組與電力系統(tǒng)中同步電機的交互作用，認為雙饋風(fēng)電機組可能對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性不利。

本文在文獻[6]的基礎(chǔ)上，研究雙饋風(fēng)電機組自身的穩(wěn)定性，并深入的分析了雙饋風(fēng)電場對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響。

1 雙饋風(fēng)電機組的基本結(jié)構(gòu)

雙饋風(fēng)力發(fā)電機組的基本物理結(jié)構(gòu)如圖1所示，由風(fēng)力機、傳動軸及齒輪箱、雙饋感應(yīng)發(fā)電機DFIG(doubly-fed induction generator)和雙脈沖寬度調(diào)制PWM(pulse width modulation)變流器及其控制系統(tǒng)組成[7，8]。

圖1 雙饋風(fēng)力發(fā)電機組基本結(jié)構(gòu)

風(fēng)力機的作用是通過葉輪捕獲風(fēng)能，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為作用在輪轂上的機械轉(zhuǎn)矩；傳動軸及齒輪箱的作用是將風(fēng)力機的驅(qū)動作用傳遞給發(fā)電機并提升轉(zhuǎn)速；雙饋感應(yīng)發(fā)電機類似于繞線式異步電機，其作用是將機械能轉(zhuǎn)化為電能，且保證輸出恒頻的交流電壓；雙PWM變流器一方面為雙饋電機提供交流勵磁，另一方面為轉(zhuǎn)子到電網(wǎng)之間提供功率流動途徑，它可運行于4個象限。

雙饋電機的核心控制部件是雙PWM變流器，其中與轉(zhuǎn)子繞組直接相連的稱為機側(cè)變流器，與電網(wǎng)直接相連的稱為網(wǎng)側(cè)變流器，兩個變流器的直流側(cè)由共同的電容器提供電壓支撐。機側(cè)變流器的基本功能是為雙饋發(fā)電機提供勵磁電壓，并且在矢量控制策略下實現(xiàn)有功和無功的解耦調(diào)節(jié)；網(wǎng)側(cè)變流器的主要功能是在直流調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制下維持電容電壓恒定，同時具有調(diào)節(jié)功率因數(shù)的功能。此外，這兩個“背靠背”變流器構(gòu)成了四象限可逆變流系統(tǒng)，即從機側(cè)到網(wǎng)側(cè)可實現(xiàn)有功、無功雙向流動。

2 DFIG自身穩(wěn)定性分析

所謂自身穩(wěn)定性是指單臺機組接入無窮大系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。對這一問題的研究，在方法上可借鑒基于同步電機的“單機無窮大系統(tǒng)”，因此，回顧同步電機的穩(wěn)定性概念和理論可以為研究DFIG穩(wěn)定問題拓展想象的空間。

同步電機的“單機無窮大系統(tǒng)”有兩個主要的穩(wěn)定問題，其一是大擾動下的暫態(tài)穩(wěn)定問題，其二是小擾動下的低頻振蕩問題。對于暫態(tài)穩(wěn)定問題，“等面積定則”從物理意義上揭示了穩(wěn)定機理并提供判據(jù)。從非線性動力方程的角度看，同步電機的搖擺方程是關(guān)于功角的非線性二階微分方程，有一個穩(wěn)定平衡點和一個不穩(wěn)定平衡點，從李雅譜諾夫穩(wěn)定概念上可以確定一定存在有限的穩(wěn)定域邊界。對于低頻機電振蕩，是因為線性化的二階轉(zhuǎn)子運動方程的特征根是共軛復(fù)根，而且在一定控制參數(shù)和運行條件下，共軛復(fù)根的實部可能為正。

綜上所述，同步電機的兩個穩(wěn)定問題均由二階轉(zhuǎn)子運動方程引起。對于DFIG其情況完全不同于同步電機，由于機電解耦性，DFIG轉(zhuǎn)子運動方程不是二階微分方程而是關(guān)于轉(zhuǎn)速的一階微分方程，故不存在類似于同步電機的動力學(xué)失穩(wěn)問題。但是，由于DFIG采用了雙閉環(huán)勵磁調(diào)節(jié)，再加上Park方程仍然是非線性高階微分方程，因此存在電磁暫態(tài)尺度下動力學(xué)穩(wěn)定性問題。

為說明上述觀點，考察如下示例系統(tǒng)的動態(tài)行為。圖2是單臺DFIG經(jīng)輸電線路接入無窮大母線的系統(tǒng)接線圖。

圖2 基于DFIG的單機無窮大系統(tǒng)

利用Matlab/Simulink的Power System Block建立DFIG及其控制系統(tǒng)仿真模型，其中DFIG參數(shù)如表1所示。

表1 DFIG參數(shù)

故障設(shè)置如下：在t=3.00 s時一回輸電線路發(fā)生三相短路故障，t=3.04 s時故障線路切除，t=3.6 s時線路重合成功。圖3是故障前后的DFIG定子有功和無功，可以看出，故障導(dǎo)致定子有功和無功發(fā)生劇烈振蕩，當(dāng)故障清除以后又經(jīng)過大約1 s的時間定子有功和無功又恢復(fù)到初值，系統(tǒng)最終恢復(fù)了穩(wěn)定。圖4是DFIG轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的暫態(tài)變化過程。

圖3 DFIG定子有功和無功的暫態(tài)響應(yīng)

圖4 DFIG轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的暫態(tài)響應(yīng)

從圖4可以看出，受擾后的DFIG在機械轉(zhuǎn)矩不變的條件下，其轉(zhuǎn)速可以大范圍變化，而沒有出現(xiàn)動力學(xué)失穩(wěn)現(xiàn)象。當(dāng)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，其轉(zhuǎn)子電流的頻率發(fā)生變化，如圖5所示。

圖5 DFIG轉(zhuǎn)子電流的暫態(tài)響應(yīng)

研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)定、轉(zhuǎn)子繞組的電阻減小時，電磁模式阻尼變小，容易出現(xiàn)電磁暫態(tài)失穩(wěn)現(xiàn)象。當(dāng)定子電阻和轉(zhuǎn)子電阻減小12%后，再做如上故障仿真，發(fā)現(xiàn)定子有功和無功出現(xiàn)了永久性振蕩現(xiàn)象，如圖6所示，表明存在電磁暫態(tài)的動力學(xué)失穩(wěn)問題。

圖6 電磁暫態(tài)失穩(wěn)現(xiàn)象

3 風(fēng)電場與電力系統(tǒng)的交互作用

當(dāng)風(fēng)電場與電力系統(tǒng)中的同步發(fā)電機SG(synchronous generator)的電氣距離很小時，風(fēng)電機組和同步機組可發(fā)生強烈的交互作用，這一問題在中國風(fēng)電模式下尤為突出。對于歐洲風(fēng)電而言，風(fēng)電場規(guī)模小，分布式地接入配電系統(tǒng)，配電系統(tǒng)屬于電力系統(tǒng)末梢，風(fēng)電場與同步電機的交互作用非常微弱，這也是歐洲風(fēng)電對電網(wǎng)影響很小的根本原因。研究風(fēng)電與電力系統(tǒng)的交互作用，可使用如圖7所示的典型接線模式，即風(fēng)電場與同步電機(常規(guī)電站)并列運行。

圖7 風(fēng)電場與同步電機并列運行系統(tǒng)

文獻[6]在雙饋機組功角概念的基礎(chǔ)上，提出了DFIG和SG的功角搖擺曲線可能存在兩類交點，將其分別定義為主動交越點和被動交越點，交越性質(zhì)決定了DFIG對SG穩(wěn)定性影響的性質(zhì)。大擾動時，SG的首擺期間有主動交越點，DFIG降低了系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，因此對于雙饋風(fēng)電場與常規(guī)電站并列運行的輸電系統(tǒng)，風(fēng)電場極有可能降低系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。

以圖7所示系統(tǒng)為例，考察含風(fēng)電的電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性。為了量化分析，需要比照標(biāo)準(zhǔn)，故研究三種情形：①圖7所示的混合系統(tǒng)；②將圖7中雙饋風(fēng)電場替換為另一同容量的同步電機，形成兩臺同步電機對無窮大系統(tǒng)；③將圖7中的同步發(fā)電機替換為另一同容量的雙饋風(fēng)電場，形成兩個風(fēng)電場對無窮大系統(tǒng)。故障設(shè)置：3.00 s一回線路上發(fā)生三相短路故障，3.04 s三相跳開，3.60 s重合。

3.1 同步電機與風(fēng)電場并列情形

對情形①做暫態(tài)仿真分析，所得同步電機和風(fēng)電場的有功功率如圖8所示。由圖中可以看出，混合電力系統(tǒng)最終失去穩(wěn)定。從風(fēng)電場的有功波形上看出，在故障后的0～0.3 s期間，風(fēng)電場的有功出力幾乎不變，這導(dǎo)致了同步電機暫態(tài)過程的“加速面積”增加，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖8 情形①的暫態(tài)仿真波形

3.2 兩臺同步電機并列情形

對情形②做暫態(tài)仿真分析，所得兩臺同步電機的有功功率如圖9所示。

圖9 情形②的暫態(tài)仿真波形

由圖9可見，當(dāng)兩臺同步電機并列運行時，短路故障開斷一回線路后，因為同步發(fā)電機功角不能迅速增大，在故障后的0～0.3 s期間SG2的有功功率小于故障前，之后隨功角的增大功率上升并持續(xù)搖擺一段時間，最終系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。從圖8和圖9兩種情形的對比中得出，混合電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性較單純同步電力系統(tǒng)穩(wěn)定性差。分析其原因在于雙饋風(fēng)電機組的功率特性具有“快恢復(fù)特性”，即雙饋風(fēng)電機組由于有功功率的可快速調(diào)節(jié)，在不過載的情況下即使網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障仍然可以保持出力基本不變，這一特性對與之并列的同步電機產(chǎn)生了不利影響。

3.3 風(fēng)電場并列情形

對于情形③做暫態(tài)仿真分析，所得兩個風(fēng)電場的有功功率如圖10所示。從圖10可以看出，雙饋風(fēng)電場在經(jīng)歷一個暫態(tài)過程后沒有失去穩(wěn)定。

圖10 情形③的暫態(tài)仿真波形

4 結(jié)語

(1)對于雙饋風(fēng)電機組的自身穩(wěn)定性，其雙饋感應(yīng)發(fā)電機的轉(zhuǎn)子運動沒有動力學(xué)失穩(wěn)問題，即沒有機電暫態(tài)失穩(wěn)現(xiàn)象，但存在電磁暫態(tài)失穩(wěn)現(xiàn)象。

(2)對于含雙饋風(fēng)電場的混合電力系統(tǒng)，由于雙饋風(fēng)電機組有功功率的快恢復(fù)特性，可能使混合電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定水平顯著降低。因此，對于我國未來風(fēng)火打捆輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題需要高度重視。

[1] 遲永寧，劉燕華，王偉勝，等(Chi Yongning, Liu Yanhua, Wang Weisheng,etal)．風(fēng)電接入對電力系統(tǒng)的影響(Study on impact of wind power integration on power system)[J]．電網(wǎng)技術(shù)(Power System Technology)，2007，31(3): 77-81．

[2] Muljadi E, Butterfield C P, Parsons B,etal. Effect of variable speed wind turbine generator on stability of a weak grid[J].IEEE Trans of Energy Conversion, 2007, 22(1): 29-36.

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[4] Shi Libao, Dai Shiqiang,Ni Yixin,etal. Transient stability of power systems with high penetration of DFIG based wind farms[C]∥IEEE Power and Energy Society General Meeting.Calgary Canada: 2009.

[5] 郝正航，余貽鑫(Hao Zhenghang, Yu Yixin)．雙饋風(fēng)力發(fā)電機組對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性影響(The influence of doubly-fed induction generator on stability of power system)[J]．電力系統(tǒng)保護與控制(Power System Protection and Control)，2011，39(3): 7-11，17．

[6] Pena R, Clare J C, Asher G M. Doubly fed induction generator using back-to-back PWM converters and its application to variable-speed wind-energy generation[J].IEE Proceedings: Electric Power Applications, 1996, 143(3): 231-241.

[7] Muller S, Deicke M, De Doncker R W. Doubly fed induction generator systems for wind turbines[J].IEEE Industry Applications Magazine, 2002, 8(3): 26-33.

盛 超(1972-)，男，工程師，研究方向為電力系統(tǒng)分析及勵磁控制。Email:sheng_chao@163.net

曾 杰(1979-)，男，工程師，研究方向為電力系統(tǒng)分析和新能源。Email:zjhust@gmail.com

郝正航(1972-)，男，博士，研究方向為電力系統(tǒng)穩(wěn)定和風(fēng)力發(fā)電。Email:haozhenghang@163.com

曾 沅(1975-)，男，副教授，研究方向為電力系統(tǒng)安全性與穩(wěn)定性。Email:zengyuan@tju.edu.cn

AnalysisofTransientStabilityofPowerSystemswithDFIG-basedWindFarms

SHENG Chao1， ZENG Jie1， HAO Zheng-hang2， ZENG Yuan2

(1.Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Corporation,Guangzhou 510080, China;2.Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education, Tianjin University,Tianjin 300072, China)

The integration of large scale wind farm brings serious influence to the stability of power system. The stability of doubly-fed induction generator (DFIG) via single machine vs. infinite system is investigated at first. It is revealed that, for the rotor motion of DFIG itself, there exists the electromagnetic transition unstable phenomenon but not kinetic unstable phenomenon. Furthermore, according to the connection mode of DFIG-based wind farm and traditional synchronous generator, the transient stability of power system is compared and analyzed. Examples by simulation show that, due to the fast recovery character of the active power output by DFIG, the transient stability of hybrid system containing DFIG-based wind farm may be deteriorated obviously.

doubly-fed induction generator； wind farm； power system； transient stability

TM712

A

1003-8930(2012)01-0133-05

2011-05-06；

2011-12-05