大规模风电场接入电力系统的小干扰稳定性研究

毛俊华

摘 要：随着我国电网建设步伐的加快，要求从电网区域互联角度分析电力系统运行的稳定性。以风力发电为典型代表，整个系统有大规模接风电场接入后将存在许多影响因素，难以保证系统安全可靠运行。而且现行关于阻尼特性、小干扰稳定等方面研究仍表现出缺失的现状，使风电机组投入使用后缺少相应的理论指导。对此，文章主要对小干扰稳定性的相关概述、风电机组相关模型的构建、小干扰稳定性在简单发电系统中的体现、阻尼特性与小干扰稳定受风电场的影响以及改善并网风电场的具体路径进行探析。

关键词：风电场；电力系统；阻尼特性；小干扰稳定

前言

不可否认，我国近年来利用风能源进行发电取得较大的成就，在风电场装机规模上便可看出其具备较大的规模，且国内各省在电力系统建设过程中逐渐从风电接入方面着手，注重电能质量的提高以及系统的可靠运行。但从大多关于风电场并入电网中的研究内容上看，仍缺少关于小干扰稳定性的分析，难以使电力系统在稳定性以及阻尼特性等方面得以改善。因此，对小干扰稳定性在电力系统中的应用研究具有十分重要的意义。

1 小干扰稳定性的相关概述

现阶段电网建设中更注重风电场的接入，其对系统运行方式以及整体结构都产生一定的影响。目前大多风电场电力系统运行中，小干扰通常可产生一定的振荡情况，若能够采取相应的抑制措施则可使系统长时间运行下保持稳定，但小干扰振荡难以控制，出现长时间的幅值变化，整个系统将保持不稳定状态。从目前大多电力系统运行现状看，一旦出现小干扰问题，系统中控制装置性能、元件紧密度以及运行状态等都将发生变化。对此现状，许多学者开始从系统在小干扰后稳定性方面着手，以线性化方法为典型代表，其对于小干扰稳定分析具有明显作用。另外在系统振荡方面，小干扰稳定下的振荡主要以两种模态存在，其一为局部模态，主要指发电机组与系统其他内容发生振荡，其中转子具有较大的惯性常数，该类型下振荡频率通常为1-2Hz。其二为区域间模态，该类型下振荡主要发生在多台发电机中，不同区域内发电机惯性常数都较高，且在频率方面保持0.50Hz左右。综合来看，无论哪种类型机电震荡，其形成的原因可归纳为：阻尼状态下电力系统自身出现的功率振荡；扰动状态下功率振荡受较弱的阻尼影响而无法稳定；因振动下功率波动保持相同频率，此时若阻尼较弱将使功率波动逐渐增大，出现功率振荡情况。实际分析过程中要求从风电机组相关参数以及振荡的类型着手，分析阻尼特性、小干扰稳定等受风电场影响[1]。

2 风电机组相关模型的构建

风电机组构建过程中首先需正确认识机械系统在机组中的体现，可归纳为机械传动与风力机两方面系统。一旦电力系统中有风电机组接入，势必出现振荡问题，加上现行电力系统运行中要求利用网络技术，如果发生网络异常情况很可能使振荡问题表现更为突出，对此便需构建相应的风电机组模型。根据以往学者研究，模型构建中主要从三方面着手。第一，以空气动力学为基础构建的模型，其主要对系统功率与风速存在的关系进行描述，若保持恒定风速可对系统功率与浆距角关系进行分析。第二，以浆距角控制为基础所构建的模型，该类模型的应用多集中于变速风电机组方面，可使能源利用率得以提高，并防止输入功率超出风力机组可承受的标准值。第三，以风力机轴系为基础所构建的模型，其功能在于对电磁、机械等功率关系进行分析。但实际构建中需注意不同类型下模型往往存在许多影响因素，使小干扰稳定性难以得到准确判断，如空气动力学模型下，在构建中应结合以往学者提出的叶素理论对风力机的转轴、叶片等进行分析，考虑到叶片受力情况无法确定且需要引入大量计算环节，要求进行建模中进行简化使具体参数如机械功率、叶片桨距角等得以明确[2]。

3 小干扰稳定性在简单发电系统中的体现

现阶段风力发电中在机组选择方面主要为异步发电机，分析小干扰稳定性过程中需从振荡模态为主，但由于涉及的参数较多，需要从简化电力系统着手，可使小干扰稳定的研究更为准确。小干扰稳定性在整个系统中具体体现在以下几方面。

3.1 小干扰稳定在异步发电系统中的体现

关于异步发电机的应用，以往研究中进行模型构建多以状态方程着手。以三相异步发电机为例，其转子、定子绕组分别与外部无源电路以及对称电源保持相连，其中定子电磁能够使转子电流体现出来。因此综合来看，异步风电机组在运行中无需引入附加系统，只需保证电磁转速、转矩等合理便可使其有效运行。但需注意运行中该类型发电机组要求进行无功功率的吸收，所以需将电容器组设置其中实现无功补偿的目标。另外，从简单系统角度，该类发电系统在构成上主要以升压变压器、无穷母线以及变压器为主，进行小干扰稳定性研究中可利用相应的系统方程对系统运行参数、阻尼特性、振荡频率等进行分析。但需注意异步风电机组本身可细化为浆距角可调与不可调两种，需根据机组不同运行状态下浆距角的表现进行小干扰稳定性分析，如可调类型机组在分析过程中可通过分析平均风速变化调节浆距角。因此，只需对控制浆距角具体环节分析便可推出小干扰稳定性[3]。

3.2 小干扰稳定在变速机组中的体现

变速机组主要为双馈风电机组，其应用的优势主要在于对无功交换进行控制，且可通过对有功功率的控制实现风电机组稳定运行的目标。整个机组控制目标得以实现主要得益于对浆距角、转子侧变频器的有效控制。因此，在分析小干扰稳定性在其中的表现时要求进行变频器、控制系统、感应发电机等模型的构建，在此基础上完成简单系统的分析。综合以往实践研究可发现，该类型风电机组在振荡频率方面表现出较大的差异，转子磁通与机组转差率是影响振荡模态的关键所在。另外，若变频器电压、系统运行参数以及浆距角发生变化可能出现衰减模态[4]。

3.3 小干扰稳定在永磁同步发电系统中的体现

该类型发电系统在电磁结构方面极为复杂，要求模型构建中既需考虑发电机模型，还需做好变频器、控制系统与机械系统等模型的构建，在此基础上对简单系统进行分析。根据实践研究发现，该类风电机组在振荡模态方面主要受控制系统、风力机暂态以及发电机转速等影响，而控制系统参数以及电压情况则影响衰减模态[5]。

4 阻尼特性与小干扰稳定受风电场的影响

对风电场的影响可从不同风电机组接入后相应的参数方面着手。首先，从异步机风电场方面，在接入系统后，无论开停机计划是否改变，阻尼特性在出力上升的情况下表现出增大态势。但需注意开机计划不变时，系统旋转备用量将逐渐增加，若保持容量不变，阻尼特性不会发生较大的变化。其次，从双馈机组角度，相比异步发电机，即使在双馈机组风电场中引入电容器也难以使无功补偿容量提高。研究中可发现该类型风电机组由于本身在发电机方面具有较小的电阻，因振荡现象引起的阻尼问题无法被定子所感应，因此系统阻尼很大程度受变速机组负面影响。最后，从永磁直驱机角度，其在变频器使用上主要以全功率为主，系统功率振荡不会因定子侧而发生较大反映，因此振荡情况下阻尼特性也不明显。但若描述风电机组中采用等效负荷为负值，风电场在接入后将使阻尼特性持续下降，影响整个振荡模态[6]。

5 改善并网风电场的具体路径

在对系统阻尼进行改善过程中应结合不同类型风电机组接入后阻尼特性以及小干扰稳定性现状。例如，针对双馈变速类型，在改善过程中可在输入信号方面选择机组转差率，通过稳定控制模型的构建使振荡情况出现后阻尼功率可直接显示出来，这样便可达到振荡平息的效果。而在永磁直驱类型方面，其输入信号可选择系统频率，保证振荡情况逐渐削弱，有利于系统恢复运行。但该类型机组在改善阻尼特性过程中往往存在许多影响因素，如风力机转速，因此风电场接入时可考虑做好风力机转速的提高，以此使系统运行得以控制[7]。

6 结束语

小干扰稳定性的分析是保证电力系统可靠运行的关键所在。实际分析中应正确认识其基本内涵，结合不同类型风电机组如异步风电机组、双馈变速机组以及永磁驱动机组等进行相应模型的构建，通过研究其中阻尼特性在不同运行参数的表现特征得出具体结论，并在此基础上结合不同类型机组采取相应的完善策略，为电力系统的可靠运行提供保障。

参考文献

[1]和萍.大规模风电接入对电力系统稳定性影响及控制措施研究[D].华南理工大学，2014.

[2]岳昊.考虑并网风电随机波动的电力系统小干扰概率稳定研究[D].华北电力大学，2014.

[3]李扬.大规模风电集中接入对电网小干扰稳定性的影响研究[D].华北电力大学，2013.

[4]边晓燕，李广跃，王克文，等.多运行方式下含风电场电力系统的小干扰概率稳定性研究[J].电网技术，2013，11：3046-3054.

[5]刘剑青.含双馈型风电场接入的电力系统小干扰稳定分析研究[D].广西大学，2014.

[6]边晓燕，杨立宁，黄鑫鑫，等.基于BPA的大规模风电场接入电力系统稳定性分析[J].电气应用，2014，23：164-169.

[7]张志科.双馈风电机组小干扰稳定性分析及参与调频控制策略研究[D].重庆大学，2013.