风机脱网对系统稳定性分析

陈德，陈璟华，武小梅

（1.广东电网公司湛江供电局，广东湛江524005；2.广东工业大学，广东广州510006）

风机脱网对系统稳定性分析

陈德1，陈璟华2，武小梅2

（1.广东电网公司湛江供电局，广东湛江524005；2.广东工业大学，广东广州510006）

随着我国风电的飞速发展，带来了大规模风电投切的稳定性问题。主要研究大规模风电脱网对电力系统稳定性的影响，研究采用当今主流风电仿真软件DIgSILENT进行仿真分析，介绍风电大规模脱网对系统频率的影响，并阐述风机低电压穿越LVRT（Low Voltage Ride Through）问题。在DIgSILENT中建立了双馈感应风力发电机组模型，通过对IEEE-9节点系统的仿真分析，展示了系统故障期间各节点电压波动情况，定性分析了并网风机低电压穿越过程，并且仿真分析了风机脱网对电力系统暂态稳定的影响。

风机脱网；系统频率；低电压穿越；DIgSILENT仿真

自2011年初以来，全国共发生198起风电机组脱网事件，国家电网公司经营范围内共发生较大规模风机脱网事故8起，脱网风机共5 447台次，损失风电出力共计6 944MW。其中4月25日发生在甘肃的脱网事故最为严重，最大损失风电出力1 535MW，脱网机组多达1 278台，造成电网频率降至49.76Hz。2012年1月—5月国家电网公司经营范围内大规模脱网事件共发生2次。风电机组的大规模脱网严重影响了风电场和电力系统的安全运行。针对风机脱网问题，本文采用DIgSILENT软件[1-3]对IEEE-9节点系统进行建模，通过暂态仿真对大规模风机脱网引起的系统频率、电压及低电压穿越问题进行初步研究，为电力系统安全运行提供新思路。

1 DIgSILENT软件及其等效风电场建模

1.1 DIgSILENT软件简介

本研究中使用的电力系统仿真软件是DIgSILENT，它是由德国DIgSILENT公司编写的一套计算机辅助工程工具，DIgSILENT的名称来源于数字仿真及电网计算程序（Digital Simulation and Electric Network），最早的开发始于1976年，第一套商业版分析软件于1985年开发成功。它具有图像化操作、数据库管理等特点，拥有完善的编程和仿真语言，能够进行潮流计算、故障分析、谐波分析、稳定性分析、保护、机电和电磁暂态、可靠性分析及网络优化等多方面的研究。由于它具有丰富的元件库和电力电子元件模型，特别是在风电领域具有独特性，既能搭建变频器的控制模块，又能通过编程语言模拟风机、桨距控制、轴系统等模型，具有完整的风电机组模型和风电机组控制模型。DIgSILENT软件由于其强大的模型自定义功能，可以根据不同的仿真需求对各种风机控制策略进行模拟，所以在新能源分析中越来越受到电力科技工作者的青睐。

1.2 基于双馈风力发电机的等效风电场模型

在众多的风力发电机组中，双馈感应风力发电机DFIG（Doubly-Fed Induction Generators）因为其有功和无功功率可以独立调节，并且所需励磁变频器容量较小，因此迅速取代传统的恒速恒频笼型异步风力发电机组，占据了市场的大部分份额。双馈感应风力发电机的定子侧直接接入常规电网系统，而转子侧要通双向变频器所需的低频励磁电流。因为定子与转子两侧都可能有能量的馈送，所以称为双馈感应风力发电机。其简化结构图如图1所示。

假定定子、转子三相绕组对称且不考虑零轴分量，则两相任意速ωs旋转dq坐标系下，双馈感应风力发电机的数学模型[4-9]如下。

磁链方程为

电压方程为

电磁转矩方程为

远动方程为

式中，ψds、ψqs、ψdr、ψqr分别为定子、转子磁链的d、q轴分量；ids、iqs、idr、iqr分别为定子、转子电流的d、q轴分量；Uds、Uqs、Udr、Uqr为定子、转子电压的d、q轴分量；Ls=Lss+Lm；Lr=Lrr+Lm；Lm=3/2Lsr；Lsr为定子、转子互感幅值；Lss、Lrr分别为定子、转子每相漏感；ωs为坐标系旋转角速度；ωr为转子旋转角速度；TL为风力机提供的驱动转矩；Te为电磁转矩；np为电机的极对数；J为风力机的转动惯量。这样，由式（1）—（4）完整地构成了任意速ωs旋转dq坐标系中DFIG的数学模型。

图1 双馈感应风力发电机组简图

对于风电场的模型的建立本文的研究重点是风机脱网对系统稳定性的影响，主要研究风电场作为一个整体与电网之间的相互作用，而风电场中各风电机组之间的相互影响不在本文研究范围内，因此本文采用DIgSILENT软件中一台双馈感应风力发电机DFIG模型等值一个完整的风电场，在仿真时忽略了机组之间的影响，将风电场建立为一个独立的组件。

2 风电脱网对系统频率稳定性影响

风电本身的间歇性及不完全可控性，导致风电功率随风速的频繁变化，与负荷波动一起加大了电网维持系统功率平衡的困难。文献[10]介绍了含风电穿透功率较大的系统，由于电网有功调节能力较弱，风电功率波动会带来频率稳定性问题。由于《中华人民共和国可再生能源法》要求电网公司全部收购风电，这制约了风电机组正常条件下主动参与电网调度的能力，尤其是部分机组自身的缺陷，抵御干扰的能力较弱，实际电网中就发生多起风机脱网事件，给电网的调频带来困难。

风电脱网对电网频率的影响取决于风电穿透功率的大小和电网自身的调节能力。为更好地研究风机脱网瞬间电网频率波动的动态，本文以IEEE-9节点标准测试系统（见图2）为例进行暂态仿真研究风机脱网对电网频率的影响。假设该系统中G1、G2分别为常规火电机组，系统的基准容量为100 MVA，同步发电机组均采用计及交直轴次暂态电抗、交直轴暂态电抗的六阶详细模型，并考虑了励磁调节系统、调速系统的作用；G3为由单机容量为2MW的双馈感应风力发电机组成的某一大规模风电场，风电场装机容量为30×2MW，风电机组采用恒功率因数控制的双馈感应风力发电机组，定子出口额定电压为690 V，其穿透功率为19.1%。双馈感应风力发电机具体参数如下：额定功率P=2.0MW；额定频率f=50Hz；定子电阻0.01 p.u.；转子电阻0.009 p.u.；定子漏抗0.171 p.u.；转子漏抗0.156 p.u.；互感电抗3.5 p.u.。

图2 仿真算例系统接线

假设在线路Bus6—Bus9风电场出口Bus9处发生30 s三相短路故障，30.15 s时故障切除。若风机不脱网，系统瞬时频率最低下降到49.838 Hz，若风机脱网系统频率最低下降到49.787Hz，不利于系统频率的稳定性。此外，大规模的风电机组脱网会加重系统有功功率缺额，对系统调频造成困难。随着风电机组的穿透功率增大，带来的负面影响也越大。目前，因为大部分风机基本不具备低电压穿越能力，电网故障时极易引发大批风电机组脱网，因此对电网安全运行产生不利影响。

3 双馈感应风力发电机低电压穿越概述

随着风电在电力生产中所占的比重越来越大，大容量的风电机组与电网系统之间的相互作用、相互适应、有效整合成为一个很重要的课题。风机不具备低压穿越能力是引发脱网事故的重要原因，随着DFIG装机容量在电力系统中所占比重的快速增大，他们与局部电网之间的相互影响也越来越大。由于DFIG的定、转子直接并网，不能有效地隔离与电网间的联系，风电机组对电网的故障非常敏感；故障情况下，小容量励磁变换器对整个DFIG的控制能力也受到限制，导致DFIG风电机组的电网故障穿越能力较弱。但为了保证电网的安全运行，要求DFIG风电机组具备一定的电网故障穿越能力，特别是低电压穿越（LVRT)能力。

风电场低电压穿越能力[11-12]（LVRT）指电网故障引起电压跌落、风电场在电网发生故障时及故障后，保持不间断并网运行的能力。由于风电场低电压穿越能力在电网的安全稳定中意义重大，因此电网调度部门对风电场低电压穿越能力非常重视。由于各国风机并网标准不同，对低电压穿越能力的要求也不同，因此本文参照的是国家电网公司企业标准Q/GDW 392—2009《风电场接入电网技术规定》中规定的我国风电场低电压穿越的要求。低电压穿越曲线如图3所示。

图3 风电场低电压穿越要求

因此，风机是否脱网与故障过程中并网点暂态电压波动幅度有关，下面仍以IEEE-9节点系统为例，研究电网故障对系统电压和风机低电压穿越过程的影响。

4 算例系统仿真分析

取严重情况下的系统故障，假定在线路Bus6—Bus9风电场出口Bus9处发生2.00 s三相短路故障，2.04 s保护动作切除故障线路，2.6 s线路重合闸重合成功。

图4 风机出口WT1电压变化情况

图4是风机出口WT1电压放大的曲线，目的是详细说明风电机组G3低电压穿越过程。由图可见：2.00 s系统发生三相短路故障，导致风机G3出口WT1电压下跌至低电压限值0.2 p.u.以下，持续0.08 s恢复电压从而G3未发生跳闸，此时风电机组成功低电压穿越。从故障前到故障瞬间直至保护动作切除故障后再到重合闸成功后各节点的电压情况如表1所示。由表1可知，系统故障瞬间造成系统中各节点电压全部降低，电压下降越明显的节点离故障点电气距离越近，故障点Bus9节点电压下降最大，对风机G3影响最大，因此最容易导致风机低电压穿越失败而发生脱网的故障发生在风机并网线路出口。

表1 各节点电压情况统计

虽然风电机组本身无功调节能力相对较差，风机脱网后不会对系统电压造成严重影响，但是如果风机G3脱网，系统频率会受到影响同时系统潮流也将重新分布，部分线路潮流可能反向。这对电网运行方式和继电保护定值的及时调整提出了比较高的要求，建议采用自适应继电保护解决风电引起的电网保护问题。

风机脱网后引起的同步发电机功角和有功波动更大，不利于电力系统的暂态稳定。

5 结语

本文以IEEE-9节点标准测试系统为例，定性分析了风电脱网对系统稳定性的影响，包括双馈感应风力发电机组低电压穿越过程和风机脱网对电网频率稳定性、暂态稳定性的影响，当电网故障引发系统电压变化时，不具备低压穿越能力的风机会脱网，加重了系统频率的下降程度，同时迫使电网潮流重新分布，对电网继电保护带来影响。此外，德国DIgSILENT公司的大型集成化电力系统仿真软件具有高度图形化的操作模式和全新的数据管理理念使它区别于众多的电力系统分析软件，具有独特的优点。

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The Influence ofW ind Power O ff-grid on the Stability of Power System

CHEN De1，CHEN Jing-hua2，WU Xiao-mei2
（1.Zhanjiang Power Supply Com pany，Zhanjiang，Guangdong 524005，China；2.Guangdong University of Technology，Guangzhou，Guangdong 510006，China）

With the rapid developmentofChina’swind power，stability problems comes due to large-scalewind power switching. This paper focuseson the influenceof large-scalewind poweroff-grid on the stability ofpowersystem.The currentmainstream wind power simulation software DIgSILENT was applied for simulation analysis.The impacts of wind turbine tripping on grid frequency and requirement for low voltage ride through(LVRT)capability of wind turbines were discussed.Doubly-fed wind turbine model was established in DIgSILENT and through simulation analysis of IEEE 9-bus system,the voltage fluctuation during the system break-in period was presented.Moreover，the qualitative analysis of LVRTwasmade for integrated wind turbines,and the influence of large-scale wind poweroff-grid on transientstability ofpower system wassimulated and analysed.

wind turbine tripping；system frequency；low voltage ride through（LVRT）；DIgSILENT simulation

TM614

A

1671-0320（2014）05-0018-04

广东省电力节能与新能源技术重点实验室资助项目（ZDSYS200701）；广东电网公司2012年科技项目（K-GD2012-218）

2014-06-07，

2014-07-12

陈德（1973-），男，广东湛江人，1996年毕业于上海交通大学电力系统及其自动化专业，硕士，工程师，从事调度运行与管理工作；

陈璟华（1974-），女，江西人，2007年毕业于广东工业大学自动化学院控制理论与控制工程专业，副教授，博士，研究方向为电力系统安全运行与控制、人工智能及其在电力系统中的应用；

武小梅（1972-），女，吉林省吉林人，副教授，博士研究生，硕士生导师，1997年毕业于东北电力学院电力系统及其自动化专业，获工学硕士学位；2004年毕业于加拿大ConcordiaUniversity电力工程专业，获Master ofEngineering学位，主要研究方向为新能源发电等。