含風(fēng)電配電網(wǎng)小干擾穩(wěn)定性的影響因素及改善方法

姜 萌，曹 紅，張晶晶，李盈含，張 蔚

(1．國(guó)網(wǎng)上海市電力公司青浦供電公司，上海 201799； 2．國(guó)網(wǎng)上海市電力公司松江供電公司，上海 201699)

隨著環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)和化石燃料價(jià)格的不斷上漲，促使風(fēng)力發(fā)電需求旺盛。在世界范圍內(nèi)，特別是在中國(guó)、美國(guó)和歐洲等國(guó)家和地區(qū)，風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)正在極大地取代傳統(tǒng)發(fā)電廠。然而，高比例的風(fēng)電并網(wǎng)會(huì)給電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)一定挑戰(zhàn)。

雙饋感應(yīng)風(fēng)機(jī)(Double Fed Induction Generator，簡(jiǎn)稱DFIG)由于具有變速恒頻運(yùn)行、轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用[1]。含風(fēng)電配電系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性受到風(fēng)機(jī)變換器控制參數(shù)、風(fēng)電滲透水平和風(fēng)電場(chǎng)位置等因素的影響。柔性交流輸電系統(tǒng)(Flexible AC Transmission Systems，簡(jiǎn)稱FACTS)裝置也會(huì)影響含DFIG電力系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外對(duì)風(fēng)力發(fā)電穩(wěn)定性和電力系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性已有研究，文獻(xiàn)[2]研究了影響含直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性的因素。文獻(xiàn)[3-4]研究了高水平風(fēng)電滲透、電力調(diào)度和風(fēng)電場(chǎng)位置對(duì)含DFIG電力系統(tǒng)的影響。文獻(xiàn)[5]研究了風(fēng)電負(fù)載率對(duì)含風(fēng)電配電系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性的影響。現(xiàn)有研究缺乏對(duì)含DFIG配電網(wǎng)小干擾穩(wěn)定性影響多角度因素研究。本文研究含DFIG風(fēng)力發(fā)電配電網(wǎng)小干擾穩(wěn)定性的影響因素，并提出通過(guò)電壓調(diào)節(jié)參數(shù)、接入位置的選擇、滲透率的調(diào)整以及靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置(Static Var Compensator，簡(jiǎn)稱SVC)的使用來(lái)改善小干擾穩(wěn)定性。

1 DFIG和SVC建模

在研究DFIG和SVC裝置對(duì)配網(wǎng)系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性的影響時(shí)，DFIG和SVC模型的選擇尤為重要，下面分別介紹典型的DFIG模型和SVC模型。

1.1 DFIG模型

典型DFIG定子與電網(wǎng)連接，轉(zhuǎn)子通過(guò)脈沖寬度調(diào)制電壓源逆變器(Pulse Width Modulation-Voltage Source Inventer，簡(jiǎn)稱PWM-SVC)對(duì)系統(tǒng)供電。DFIG典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 DFIG典型結(jié)構(gòu)圖

1.1.1 動(dòng)態(tài)特性

DFIG轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ωm、機(jī)械轉(zhuǎn)矩Tm、電磁轉(zhuǎn)矩Te計(jì)算公式如下：

(1)

Te=xm(iqriqs-idriqs)

(2)

(3)

式中Hm——等效慣性常數(shù)；ids，iqs——dq軸定子電流；idr，iqr——dq軸轉(zhuǎn)子電流；Pω——輸出機(jī)械功率。

Pω方程如下式：

(4)

式中ρ——空氣密度；Cρ——風(fēng)能利用系數(shù)；λ——葉尖速比；θp——槳距角；A——葉片掃風(fēng)面積；vω——風(fēng)速。

1.1.2 變換器

DFIG系統(tǒng)的變換器為脈沖寬度調(diào)制電壓源逆變器(Pulse Width Modulation，簡(jiǎn)稱PWM)，變換器背靠背連接，由于其為機(jī)電暫態(tài)過(guò)程，方程式如下：

(5)

(6)

1.2 SVC模型

SVC是電力系統(tǒng)靜止無(wú)功調(diào)節(jié)裝置，可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓等特定參數(shù)。SVC的穩(wěn)態(tài)等值電路可等效為可變電納[6]，SVC模型等效總電抗bSVC計(jì)算公式如下：

(7)

式中Kr——穩(wěn)定器時(shí)間常數(shù)；Verf——參考電壓；V——母線電壓；Tr——時(shí)間常數(shù)。

該SVC模型補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率Q計(jì)算公式如下：

Q=-bSVCV2

(8)

2 仿真系統(tǒng)

采用IEEE-14配電網(wǎng)系統(tǒng)作為測(cè)試系統(tǒng)，該配網(wǎng)系統(tǒng)包括14條母線、2臺(tái)同步發(fā)電機(jī)、3臺(tái)同步補(bǔ)償器、4臺(tái)變壓器和11處負(fù)載。IEEE-14配電網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 IEEE-14配電網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3 仿真分析

變換器電壓控制參數(shù)、滲透率、接入位置、FACTS裝置等均會(huì)影響配電網(wǎng)小干擾穩(wěn)定性。

3.1 終端電壓控制參數(shù)對(duì)小干擾穩(wěn)定性的影響

為了研究變換器電壓控制參數(shù)Kv和功率控制時(shí)間常數(shù)T對(duì)所測(cè)系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性的影響。采用控制變量法，保持一個(gè)參數(shù)，改變另一參數(shù)，研究電壓控制參數(shù)及時(shí)間常數(shù)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

在IEEE14節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)5處接入風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，風(fēng)電滲透率為10%。分別研究DFIG風(fēng)機(jī)系統(tǒng)在不同電壓增益Kv和功率控制時(shí)間常數(shù)T下系統(tǒng)的不穩(wěn)定振蕩模態(tài)。研究表明系統(tǒng)共存在27組振蕩模式，其中模式一變化明顯且存在不穩(wěn)定情況。DFIG風(fēng)機(jī)系統(tǒng)在不同電壓增益Kv下系統(tǒng)中模式一振蕩模態(tài)變化情況如表1所示。

表1 電壓控制增益對(duì)振蕩模態(tài)的影響

從表1可以看出：當(dāng)電壓增益Kv為5和10時(shí)，系統(tǒng)存在一對(duì)正實(shí)部特征值，阻尼比為負(fù)數(shù)，表明電力系統(tǒng)在不穩(wěn)定運(yùn)行；當(dāng)電壓增益為15和20時(shí)，所有特征值變?yōu)樨?fù)實(shí)部特征值，表明電力系統(tǒng)是穩(wěn)定的?？梢娬龑?shí)部特征值增加，不穩(wěn)定振蕩模式阻尼特性逐漸增強(qiáng)，電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性增加。因此適當(dāng)增大變換器電壓增益，有助于系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性。

DFIG風(fēng)機(jī)系統(tǒng)在15%滲透率下，不同功率控制時(shí)間常數(shù)T下的系統(tǒng)中不穩(wěn)定振蕩模態(tài)變化情況如表2所示。

表2 功率控制時(shí)間常數(shù)對(duì)振蕩模態(tài)的影響

從表2可以看出：當(dāng)時(shí)間常數(shù)T為0.01和0.1時(shí)，系統(tǒng)存在一對(duì)負(fù)實(shí)部特征值，阻尼比為正數(shù)，表明電力系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行；時(shí)間常數(shù)T變?yōu)?和2時(shí)，模式一的特征值變?yōu)檎龑?shí)部特征值，表明電力系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。由此可見，隨著功率控制時(shí)間常數(shù)T的不斷增加，原本穩(wěn)定的振蕩模式阻尼特性逐漸減弱，電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性變差。

3.2 滲透率對(duì)小干擾穩(wěn)定性的影響

風(fēng)電接入系統(tǒng)的滲透率不同，對(duì)系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性的影響也不相同，通過(guò)研究不同滲透率下系統(tǒng)低頻振蕩模態(tài)可以分析風(fēng)機(jī)系統(tǒng)容量對(duì)系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性的影響。DFIG風(fēng)機(jī)系統(tǒng)在電壓增益Kv取10、時(shí)間常數(shù)T為0.01時(shí)，不同滲透率下的系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定特性如表3所示。

從表3可以看出：在滲透率為5%和10%時(shí)，系統(tǒng)存在一對(duì)正實(shí)部特征值，阻尼比為負(fù)數(shù)，表明電力系統(tǒng)在不穩(wěn)定運(yùn)行；在滲透率為15%和20%時(shí)，不穩(wěn)定的特征值變?yōu)樨?fù)實(shí)部特征值，表明電力系統(tǒng)趨于小干擾穩(wěn)定；風(fēng)電滲透率從5%增加到20%的過(guò)程中，不穩(wěn)定振蕩模式阻尼特性逐漸增強(qiáng)，系統(tǒng)小干擾趨于穩(wěn)定。

表3 風(fēng)電滲透率對(duì)振蕩模態(tài)的影響

3.3 接入位置對(duì)小干擾穩(wěn)定性的影響

圖3(a)和圖3(b)為DFIG風(fēng)電系統(tǒng)分別在節(jié)點(diǎn)5和節(jié)點(diǎn)14接入系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)振蕩模態(tài)的部分復(fù)特征根分布圖。風(fēng)機(jī)系統(tǒng)在節(jié)點(diǎn)5和節(jié)點(diǎn)14接入系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)模式一的振蕩模態(tài)變化情況如表4所示。

圖3 風(fēng)電接入節(jié)點(diǎn)5和節(jié)點(diǎn)14時(shí)系統(tǒng)振蕩模式

表4 風(fēng)電接入位置對(duì)振蕩模態(tài)的影響

從圖3和表4可以看出，風(fēng)電場(chǎng)的位置顯著影響電力系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性能。例如，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)連接到母線5時(shí)，振蕩模式一變得不穩(wěn)定；連接到母線14時(shí)，振蕩模式一趨于穩(wěn)定。

3.4 SVC裝置對(duì)小干擾穩(wěn)定性的影響

風(fēng)電系統(tǒng)接入節(jié)點(diǎn)5，系統(tǒng)連接SVC裝置時(shí)系統(tǒng)的振蕩模態(tài)復(fù)特征根分布圖如圖4所示。含DFIG風(fēng)電系統(tǒng)有無(wú)接入SVC裝置時(shí)，系統(tǒng)模式一的振蕩模態(tài)變電情況如表5所示。

圖4 接入SVC裝置后系統(tǒng)振蕩模式

表5 SVC裝置對(duì)振蕩模態(tài)的影響

從圖4和表5可以看出：在10%的風(fēng)電滲透率下，SVC裝置投入運(yùn)行后將振蕩模式一的阻尼比從-0.423%提高到2.5%。一般來(lái)說(shuō)，SVC裝置對(duì)電力系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性有積極的效果，緩解了風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)系統(tǒng)的不利影響。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)分析終端電壓控制參數(shù)、不同風(fēng)電滲透率、不同風(fēng)機(jī)接入位置以及有無(wú)SVC裝置接入等情況下含DFIG配電網(wǎng)系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性。

在風(fēng)電滲透率為10%的情況下，增大電壓控制有著積極的影響，而緩慢的功率控制會(huì)影響電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。另一方面，風(fēng)電場(chǎng)穿透水平和接入位置的不同也會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使用SVC裝置可以改善由于風(fēng)電場(chǎng)穿透水平及其位置引起的小干擾穩(wěn)定性問(wèn)題。