大规模风电并网对系统功角稳定性的影响综述

任振宇，张师

(1.内蒙古电力集团有限责任公司，内蒙古 呼和浩特 010000；2.东北电力大学电气工程学院，吉林 吉林 132012)

大规模风电并网对系统功角稳定性的影响综述

任振宇1，张师2

(1.内蒙古电力集团有限责任公司，内蒙古 呼和浩特 010000；2.东北电力大学电气工程学院，吉林 吉林 132012)

本文基于现有的研究成果，从风速、轴系、发电机工况、换流器裕度、风电场位置、渗透率和附加控制电路几个方面，综述了大规模风电并网对系统功角稳定性的影响。在总结了现有研究成果的不足之处后，展望了未来的研究工作。

暂态稳定；小干扰稳定；风电机组；渗透率

1 引言

随着风电装机容量增加，我国在2011年风电总装机容量达6500万千瓦，成为世界上风电设备制造大国和风电装机容量最多的国家。当大规模风电基地集中接入输电系统后，可使整个系统的动态行为和稳定机理发生显著变化[1]。因此，大规模风电并网对系统稳定性的影响分析成为很多学者关注的重点。

电力系统稳定性可分为电压稳定、频率稳定和功角稳定[2]。基于不同的故障情况，功角稳定可分为小干扰稳定和暂态稳定。本文基于现有的研究成果，对大规模风电并网对系统功角稳定性的影响展开综述。

2 电力系统小干扰稳定和暂态稳定

2.1 电力系统小干扰稳定

电力系统小干扰稳定是指系统受到小干扰后，不发生自发振荡或非周期性失步，自动恢复到起始运行状态的能力。特征根分析法是小干扰稳定的主要分析方法。

电力系统可以用一组非线性微分方程和一组非线性代数方程来表示[3]：

(1)

根据Lyaponov线性化理论，在运行点x0附近进行线性化处理，可以表示为初始值与微增量之和：

xk=xk0+Δxk

(2)

将公式(2)泰勒展开并消去非状态变量和微增量的高次项，可以得到：

(3)

式中A为状态矩阵，其特征根决定了系统的小干扰稳定性。系统的低频振荡频率和阻尼可以通过特征根计算得出。

2.2 电力系统暂态稳定

电力系统暂态稳定指的是电力系统受到大干扰后，各发电机保持同步运行并过渡到新的或恢复得到原来稳定运行状态的能力，通常指第一或第二摆不失步。目前电力系统暂态稳定的分析方法主要是直接法、时域仿真法和混合法[4-6]。

3 大规模风电并网对系统小干扰稳定的影响

3.1 风速扰动对系统小干扰稳定的影响

文献[7]建立了恒速异步发电机(Constant Speed Wind Turbine，CSWT)模型，并分析了风速对系统小干扰稳定的影响：当阵风扰动频率与系统功率振荡的固有振荡频率时，会引起大幅度的功率振荡，此时需要增加系统阻尼以减小强迫功率振荡的幅值。而通过实测的风速数据可知，周期性风速扰动的频率较小，并不会与系统固有振荡频率发生共振[8]。文献[9]在对风速和负荷建模的基础上，通过分析得出结论：当风速变化与周期性负荷变化叠加时，系统功率振荡最严重。

3.2 轴系对系统小干扰稳定的影响

由于风电机组轴刚度较低，因此有很多学者将轴系模型采用双质块模型来描述[10-13]。双质块模型为[11]：

(4)

其中：ωt表示风轮转子角速度；ωm表示发电机转子角速度；Tt表示轴系的风轮侧机械转矩 ；Te表示发电机侧的电气转矩；γ为轴系承受的扭矩；Ks为轴刚度；Ht为风轮转子时间常数，Hm为发电机转子惯性时间常数。

当风机轴系采用双质块模型时，增加特征根矩阵的阶数，增加了计算量，但却能更准确地表示风电机组的动态过程[13]。文献[13]的分析表明：轴系刚度越低，功率振荡的幅值越大，小干扰稳定性越差。

3.3 发电机工况对系统小干扰稳定的影响

目前大部分的风机采用的是双馈感应发电机(Double Fed Induction Generator，DFIG)。DFIG风电机组的运行工况取决于风速的大小，因为DFIG可以通过调节桨距角实现最优风功率捕获，不同的风速下，发电机的输出电磁功率就不同[14]。不同的DFIG运行工况下，系统的运行点是不同的，使得公式(1)线性化处理的结果就不同。

目前DFIG的无功控制方式主要分为定功率因数控制和定电压控制[15]。一些学者比较了DFIG采用定功率因数控制和定电压控制对系统小干扰稳定性的影响，通过分析计算可知，当DFIG采用定电压控制代替定功率因数控制时，系统小干扰稳定性更好[16-17]。

3.4 风电场位置对系统小干扰稳定的影响

文献[18]分析了不同风电场位置对系统小干扰稳定的影响，得出结论：系统中选取合适的风电场位置可以提供较高的振荡阻尼，提高系统的小干扰稳定性。除此之外，文献[18]展望了下一步研究工作：通过给风电场增加闭环控制来提高系统的小干扰稳定性。

3.5 附加控制电路对系统小干扰稳定性的影响

相比于CSWT，DFIG可以可以通过功率转换器来控制供给电网的功率，可以独立对有功无功进行矢量控制[19]，或者通过角速度控制器来控制[20]，这样可以增加了风电场的阻尼。

文献[21-23]均提出了通过补充阻尼控制来提高系统振荡阻尼。文献[21]采用电力系统稳定器控制(Power System Stabilization，PSS)来增加DFIG并网后系统的阻尼，除此之外，还增加了一个开环控制，通过对转速的监控，实时改变DFIG机械转矩的参考值，从而提高DFIG并网系统的小干扰稳定性。文献[22-23]将DFIG增加一个闭环控制，同样引入转速作为状态变量，提高了系统的小干扰稳定性。文献[24]通过对DFIG附加PQ跟踪控制提高了系统区域间振荡模式的阻尼，提高了系统小干扰稳定性。文献[1]提出了附加有功功率控制，并提出如何将有功功率控制在工程上实现，从而增加实际系统运行的小干扰稳定性。

3.6 风电渗透率对系统小干扰稳定的影响

文献[3]比较了不同渗透率的风电对系统特征根的影响，通过仿真分析得出，双馈和直驱风机模型下，在风电渗透功率变化的过程中，系统各振荡模式阻尼特性的变化趋势基本一致。

而文献[25]对不同渗透率的双馈风电场接入做了仿真分析，通过分析得出：系统总发电量不变的情况下，系统的阻尼比随着风电渗透率的增加呈现二次曲线，某一渗透率下系统的阻尼比最大，有利于系统的小干扰稳定。

4 大规模风电并网对系统暂态稳定的影响

4.1 轴系对系统暂态稳定的影响

文献[26]分析了暂态过程中轴系模型对系统动态行为的影响，轴系模型公式(4)已经给出。通过分析可知，暂态过程中轴刚度越低，转子因轴松弛而获得的预期加速越多，越不利于系统暂态稳定。转子因轴松弛而获得的加速为：

(5)

其中：Tm为机械转矩。

除此之外，文献[26]还分析了不同风电机组参数对系统暂态稳定性的影响。

4.2 发电机工况对系统暂态稳定的影响

一些研究表明，DFIG采用定电压控制代替定功率因数控制有利于系统的暂态稳定[16-17]。

文献[27]通过仿真算例发现：额定风速下风电场接入电网的绝对安全容量是有限的，而风速较低时，风电场可以开启更多的风电机组来提高风电场的出力。文献[28]以实测运行数据为基础，通过分析得出近满载工况下的DFIG由于转子电流裕度较低，更容易发生连锁脱网事件。

4.3 换流器裕度对系统暂态稳定的影响

为防止换流器过电流，DFIG通常采用撬棒电路(Crowbar),在暂态过程中使DFIG转子短路[29-30]。而DFIG的撬棒动作后，DFIG会吸收大量无功功率，给系统暂态稳定性带来不利影响。因此，一些学者通过增加换流器裕度，抬高撬棒动作的门槛，使得DFIG不脱网，从而增加了系统的暂态稳定性[31]。

4.4 风电渗透率对系统暂态稳定的影响

文献[32]基于EEAC理论分析，得出风火总出力相同的条件下，增加风电配比有利于火电机组的功角暂态稳定性。此外，从文献[33-34]的仿真分析也可以看出，在系统总发电量相同时，DFIG出力越大，系统暂态稳定性越强。文献[35]通过对一个实际电网算例仿真，得出结论：当DFIG比例在12.3%以下时，DFIG代替同容量火电机组会对系统暂态稳定产生更好的影响，在12.3%以上时，DFIG代替同容量火电机组会降低系统暂态稳定性。

4.5 附加控制电路对系统暂态稳定的影响

文献[36]通过对自励磁感应风机附加标准补偿系统(Unified Compensation System，UCS)，提高了系统的暂态稳定性。文献[37]通过给DFIG发电机定子侧加装了动态制动电阻(Series Dynamic Braking Resistor，SDBR)，提高了DFIG的故障穿越能力，从而提高了系统的暂态稳定性。文献[38]也提出了给CSWT加装SDBR，以提高系统暂态稳定性。

5 结论

本文基于现有的研究成果，从风速、轴系、发电机工况、换流器裕度、风电场位置、风电渗透率和附加控制电路几个方面，综述了大规模风电并网对系统功角稳定性的影响。

目前的研究成果中，针对风电渗透率对系统暂态稳定性和小干扰稳定性的影响分析，不同的研究成果中结论不一致，且都只是针对仿真结果的分析，缺乏对影响机理的研究。因此风电渗透率对系统功角稳定性的影响机理还有待深入研究。除此之外，风电场位置对系统暂态稳定性的影响也需要深入研究。

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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

国家973计划项目(2013CB228201)

TM72

B

2016-02-09

任振宇(1987-)，男，汉族，工程师，2013年毕业于东北电力大学电气工程专业，研究方向：电力系统动态安全分析; 张师(1989-)，男，硕士，主要研究方向：风火打捆系统暂态稳定控制策略研究。