含直驱型风机电力系统的动态安全域

赵斌

中国电建集团重庆工程有限公司 重庆 400000

直驱型风机的结构和运行特性均不同于传统的同步电机，随着风电渗透率的不断增加，大量直驱型风机并网将会对电力系统稳定性、安全性产生新的影响。国内外诸多学者对含直驱型风机电力系统的稳定性进行了研究，这些研究为电力工作者判断直驱型风机接入后电力系统的稳定性提供了理论指导。然而现有的研究多为针对某一特定的预想事故，并对此事故前节点注入功率空间上的点进行逐个仿真，以判断系统在每个点上的稳定性[1]。

1 直驱型风电机组的工作原理

该系统用于直接连接到风力发电网络，使用双PWM背对背拓扑结构连接风力涡轮机和电网，以将AC电力转换为AC电力。在直接驱动的风力驱动电力驱动系统中，风力涡轮机在一定的空气流量下产生机械能，风力涡轮机和永磁同步发电机直接连接而不通过变速箱，发电机在风扇中产生设备。旋转开始旋转，从而将机械能转换成电能，然后通过总功率开关系统将能量输送到电网，该功率开关系统包括机器侧的整流器，电网侧的逆变器和中间中间电路。机器侧根据实时风速信息拉动发电机和风力涡轮机，当风速等于标称风速W时，通过控制发电机速度来固定最大风能，当风速超过标称风速时，执行俯仰角。正确设置，W使风力涡轮机姐妹在标称状态下工作。电网侧的控制系统主要负责维持中间直流母线的直流电压，并调节注入电网的无功功率，以确保与电网相关的系统的稳定运行。

2 动态安全域（DSR）

2.1 定义

在分析电力系统故障后的暂态稳定性时，一般可将电力系统结构按时间分为3个阶段：事故发生前结构i，事故发生中结构F，事故发生后结构j。暂态稳定，则称注入功率y是动态安全的，所有满足该条件的y组成的集合。计算出的系统DSR边界为n维空间上的超平面，在实际应用中，一般可以选取2个或3个节点的功率注入作为参数空间，得到DSR边界在2维或3维空间上的剖面图，这样可以清晰观察出运行点在各方向上的稳定裕度。

2.2 求解方法

本文采用拟合法来计算系统DSR。拟合法通过事前对系统进行大量时域仿真来寻找定位保持系统暂态稳定的临界运行点，并对搜索到的临界运行点集合进行拟合，得到DSR的超平面边界，拟合的方法一般为最小二乘法。拟合法简单、直观，虽然计算量大，但是准确性较高[2]。含直驱型风机的电力系统DSR边界性质未知，因此采用拟合法求解其DSR较为合适。

3 算例

3.1 基础模型和参数

本文以新英格兰10机39节点系统为例（如图1），其中同步电机G2为平衡机，采用的直驱型风机和DFIG模型和参数见文献[16-18]，同步电机模型和参数见文献[18]。为研究直驱型风机对系统DSR的影响，算例设置以下3种场景：1）不接入风机；2）将同步电机G3替换为等容量的DFIG，通过变压器与母线32连接，出口母线设为母线40；3）将同步电机G3替换为等容量的直驱型风机，通过变压器与母线32连接，出口母线设为母线40。系统故障随机选取，同时运行人员根据观察需要选取系统注入功率空间的坐标轴。预想事故为线路10-13在节点10出口处发生三相金属性短路故障，故障切除时间为0.067s（第4周波）。

图1 新英格兰10机39节点系统

3.2 含直驱型风机电力系统的DSR边界变化规律

单台风机接入时系统DSR边界变化规律。在场景3下，改变直驱型风机的容量，分别设定为原容量的20%、40%、60%、80%和100%，考察在单台风机接入情况下系统DSR边界随风机容量的变化规律。选取母线33、母线34和母线3的有功注入作为坐标轴，观察系统DSR在不同容量下的3维空间断面图。以原容量对应的DSR边界为参考面，各容量下边界间的夹角很小，最大为2.41°，可见边界间具有很好的平行性。因此可用参考面上任一点沿其法线方向到其它边界的距离来表示边界的面间距离。结合图3，随着风机容量增加，DSR边界不断外扩（DSR范围扩大），且面间距离与风机容量增量具有近似线性关系。几种容量下边界拟合误差最大为1.52%，满足工程应用需要。

4 结语

随着风电渗透率不断增加，大量直驱型风机并网将会对电力系统稳定性产生新的影响。当前对含直驱型风机电力系统稳定性的研究方法大多属于“逐点法”，其结果与系统的运行状态相关且无法提供系统的整体稳定性度量。