风火打捆系统暂态稳定性研究

孟亚男，戚坤基，李秋晨，刘骁眸，陈 鹏

(1．中国能源建设集团辽宁电力勘测设计院有限公司，沈阳 110000;2．国网辽宁省电力有限公司检修分公司，沈阳 110000)

由于风能具有随机性、间歇性和不确定性等特点，风电单独远距离输送会威胁电网的稳定运行［1-3］。采用风电与近区火电以“打捆”的方式混合外送，不仅可满足传统能源和可再生能源大规模外送的基本要求，而且还有充分利用输电通道，降低输电价格和落地电价，是较为理想的输电模式。我国“三北”地区蕴含丰富的风能和煤炭资源，而此地区煤炭储量丰富，火力发电较为集中，存在重叠，这为风火打捆提供了现实可能［4］。但是，风火打捆能源基地处于电网末端，网架结构相对薄弱，风火打捆交流外送系统投入运行后易导致系统运行在接近极限的状态，降低系统暂态稳定裕度［5-6］;而且，近电气距离的风、火的互交作用，使电网的动态特性变得愈加复杂，因此，随着风电等新兴能源的大规模开发、利用及外送，深入研究风火打捆外送系统的暂态稳定特性，变得尤为迫切［7-8］。

双馈风力发电机(以下简称双馈风机)凭借着其功率的控制灵活、运行范围较大且风能利用率较高等特点，受到风电厂商和风电场越来越多的关注，已成为风力发电机的主流机型［9-10］。由于双馈风机对外不体现转动惯量，其机械系统与电气系统之间柔性连接，没有功角稳定问题，但会对与之打捆的火电同步机组带来影响。本文将以双馈风机为例，分析有功无功的解耦运行和故障期间的暂态特性，并以此为基础分析双馈风机接入对同步发电机功角稳定的问题的影响。

1 双馈风机工作机理分析

双馈风机以普通的绕线式异步电机为基础，外加了连接在转子滑环和定子之间的变流器及控制系统。双馈风机的转子采用交流励磁，同步磁场角速度是由转子转速和励磁绕组中的交流频率产生的旋转磁场角速度共同决定的［11］。由于变流器的作用，双馈风机实现了机械部分和电气部分解耦。

1．1 双馈风机的暂态特性

1．1．1 机械转矩特性

双馈风机在正常运行状态下，工作点处于转速转矩特性曲线的最优点。故障时，机械转矩大于电磁转矩，此时运行点开始朝向转速增加的方向进行移动，从而使得机械转矩降低。由等面积定则可知，上述情况使得功角曲线的加速面积减小，而减速面积增大，这对系统的暂态稳定性是有利的。

1．1．2 转子励磁电流控制

双馈风机的转子转速可以通过控制转子励磁电流频率来改变。故障时，也可以通过调节转子励磁电流的频率来保证功角不发生变化［12］。另外，故障中，双馈风机可以采用类似于同步机强励的控制策略来改善暂态稳定性，所以，双馈风机不存在和同步发电机一样的动力学失稳问题。

1．1．3 飞轮效应

能量守恒方面，故障中，机组将部分不平衡能量转换为转子旋转动能，进而转子加速以减缓对电网的冲击。故障清除后，机组再逐渐将能量释放给电网，因此风电机组的暂态特性要比同步机组好。

1．2 双馈风机的功率特性

双馈风机转子侧换流器采用定子磁链定向矢量控制，也可采用电子电压定向矢量控制，这两种控制方式都可以对有功和无功实现解耦控制。

变速恒频风机并入电网运行时，通常按恒功率因数控制方式或恒电压运行方式来考虑。

a．恒功率因数控制方式。在风速给定的情况下，通过风机的风功率特性曲线可以求得其有功功率。而对于转子绕组，通过调节其外接电源的电压幅值及相角，来维持风机定子侧的功率因数恒定。

b．恒电压运行方式。在恒电压运行方式下，若系统的电压水平较正常偏低，变速恒频风机就提供一定的无功功率给系统，进而支撑系统的电压。由于变速恒频风机对无功功率是可以调节的，所以变速恒频风机就具有调节电压的能力，变速恒频风机大多采用恒功率因数控制，将定子侧输出功率的功率因数保持为定值。

1．3 双馈风机的低电压穿越特性

双馈风机稳态运行时，要求双馈风机工作于恒功率因数方式，通常无功功率参考值为0。当电网短路时，根据测得的实际电压值判断机组运行状态，当机组机端跌落到大于 0．2 p．u．且小于 0．9 p．u．时，双馈风机的控制模式由稳态运行模式切换为故障穿越控制模式，对系统的动态无功功率提供支撑［13］。故障清除后，再转换为稳态运行控制模式，双馈风机的有功功率恢复。

1．4 双馈风机等效外特性

通过前文论述可知，正常运行时，双馈风机工作在恒功率因数控制方式下，电网故障期间，工作在恒电压控制方式下，在双馈风机控制系统的调节下，向系统注入一定容量的无功功率，故障清除后恢复为恒功率因数运行方式。

正常运行时，双馈风机工作于恒功率因数控制方式;故障发生后，双馈风机所提供的有功功率降低，其控制模式是故障穿越控制模式，双馈风机会向电网提供一定的无功功率支撑电网电压;故障切除后，双馈风机恢复稳态运行，有功出力和无功出力恢复正常。由此可见，把双馈风机简化为负电阻和负电抗模型具有一定的合理性。

2 风火打捆系统暂态稳定性的影响机理

2．1 风火打捆系统

风电场其近端未与常规电站“捆绑”的系统被称为未捆绑系统。双馈风机与电网是柔性联结的，转子转速没有与电网频率一致的要求，故不存在同步稳定问题。

风电场与常规电站进行“捆绑”后，再经高压输电线路接入到远方大系统的系统被称为捆绑系统。对于捆绑系统，虽然风电机组自身没有同步稳定性问题，但对与之捆绑的传统火电机组的同步稳定性将有较大影响。本文所提的风火打捆系统的暂态稳定性就是指同步机组的暂态稳定性。

2．2 风火打捆系统的暂态稳定分析

根据经典电力系统分析理论，单机无穷大系统的同步发电机输出功率PEq为［13］:

式中:Eq为同步发电机内电势;U为接收端电压;δ12为Eq与U之间的角度;Z11和Z12分别为同步发电机自阻抗和互阻抗;α11、α12分别为同步发电机自阻抗和互阻抗相应阻抗角的余角。

2．2．1 故障前风火打捆系统暂态稳定性分析

故障前，双馈风机运行在恒功率因数方式下，其等效外特性为一负电阻r。故障前系统等值电路见图1，其中X1为发电机电抗与出口变压器电抗的和，X2为线路电抗与无穷大系统变压器电抗的和。

图2为故障前功角特性曲线，其中P1为风机并入前功角特性曲线，P＇1为风火打捆系统的功角特性曲线。

图1 故障前系统等值电路

图2 故障前功角特性曲线

系统中风机所注入的有功功率越多，系统的功率极限越低，其裕度便越小，对系统功角的稳定性就越不利。

2．2．2 故障期间双馈风机对系统的影响

故障发生后，双馈风机实现故障穿越时有功、无功控制策略，双馈风机可用一负电阻和一负电抗的并联电路来表示，其系统等值电路见图3。

图3 故障期间系统等值电路

图4为故障期间功角特性曲线，P2为火电机组功角特性曲线，为风火打捆系统功角特性曲线。

故障前，同步发电机运行于a点，功角为δ0，故障发生时，同步发电机运行至b点，此时由于同步发电机机械功率PT大于电磁功率P2，转子作加速运动，当转子运动到δc时故障被清除。由上述推导可知，故障期间由于双馈风机的并入，功角特性曲线向右下移动，进而使得加速面积增大，由 Sabcd增至Sab＇c＇d，增量为 Sbb＇c＇c，并且风功率越大，对系统的暂态功角稳定性越不利。

2．2．3 故障清除后双馈风电机组对系统的影响

在故障清除后，双馈风机恢复恒功率因数控制策略，向系统提供有功功率，表示为一负电阻。此时切除一条输电线路的线路阻抗为2X2，其等值电路图见图5。

图5 故障清除后系统等值电路

故障清除后的功角特性曲线向右下移动。图6为故障清除后功角特性曲线，P3为火电机组功角特性曲线，为风火打捆系统功角特性曲线。

图6 故障清除后功角特性曲线

当同步发电机转子运行到δc时，故障线路被切除，由于同步发电机机械功率PT小于故障清除后的电磁功率P3，转子开始做减速运动，最大减速面积为Sdefg，转子运动对应的功角为δm。由上述推导可知，风火打捆系统的功角特性曲线是向右下移的，在图6中对应的最大减速面积为Sde＇fg＇，转子运动对应的功角为，从图中可以看出＞δm，即最大摇摆角变大，对系统暂态稳定性不利，而且与所发有功功率所表示的负电阻正相关。

综上所述，风火打捆系统相对于火电系统，系统的暂态稳定性变差。

图4 故障期间功角特性曲线

3 仿真分析

3．1 仿真条件

为了验证上述风火打捆系统的暂态稳定性理论，在Matlab/Simulink当中构建风火打捆仿真系统(见图7)，其中，G为火电机组，G1为火电机组或风电场，火电机组和风机打捆后经输电线路送至无穷大系统S。仿真时间20 s，在输电线路中段发生三相短路故障，在10 s发生故障，0．2 s后故障被切除。

图7 风火打捆仿真系统接线示意图

双馈风机运行在最大功率跟踪模式下，转子侧变流器采用定子电压矢量定向控制方法，能够实现恒功率因数控制，具备良好的低电压穿越能力，模型不考虑虚拟惯量控制。

图7中，对G1以2种情况接入系统，分别进行仿真分析:

a．情况1:火电机组G出力300 WM，火电机组G1为150 WM;

b．情况2:火电机组G出力300 WM，将G1替换为等容量的风电场。

3．2 仿真结果分析

在发生同样的故障下，对同步机组的状态量变化进行比较。图8a、b、c分别给出了两种情况的功角、有功功率和无功功率。图中有功功率和无功功率为标幺值。

通过图8a两条曲线对比，可以看出，当G1为火电机组时，在故障发生后，功角发生振荡，约2 s后功角逐渐趋于平缓。而G1为风电场，同样在故障发生后，功角振荡剧烈，振幅较火电机组要大，经过4 s后才趋于平缓。

图8中b、c分别表示有功功率和无功功率曲线。对比可知，在G1为风电场的情况下，故障后同步机G的有功功率、无功功率跌落较G1为火电机组时要大，振荡程度也较剧烈，同时所需恢复时间更长。

图8 仿真结果

通过上述分析比较，可以得出系统中双馈风机的并入，对打捆后的同步机组暂态稳定性有一定的影响。

4 结语

本文以双馈风机为例，针对风火打捆系统的暂态稳定性进行了研究讨论，得出以下结论。

a．本文讨论了双馈风机变流器通过采用定子电压矢量控制实现有功和无功功率解耦的特性，以及两种控制方式下，即恒功率因数和恒电压控制方式下双馈风机的功率特性。

b．对双馈风机故障穿越控制特性和暂态输出特性进行研究分析，得出了故障前后双馈风机无功和有功功率注入的变化。通过对双馈风机仿真计算，验证了机端电压跌落的行为。

c．将风火打捆系统中的风机在故障前后，等效为负电阻、负电抗，并验证其合理性，为风火打捆系统的双馈风机与同步机组之间的交互影响的研究提供理论基础。

d．基于双馈风机的等效外特性，结合单端送电系统对风火打捆系统的暂态功角稳定性进行了分析，得到了双馈风机并入后系统的暂态功角稳定变差的结论，并通过仿真验证了与理论分析的一致性。