风电机组接入对内蒙古电网低频振荡的影响分析

吕雨桐，李丹丹，安 东

（内蒙古电力科学研究院，呼和浩特 010020）

0 引言

随着电力系统的发展，“西电东送，南北互供，全国联网”的局面已初步形成。规模庞大的电网形成之后，也将使弱阻尼甚至负阻尼低频振荡问题更加突出，原来网架结构薄弱电网的小干扰稳定问题也会日趋严重，对大电网的安全、稳定、高效运行提出了更高的要求，研究大区域电网互联产生的低频振荡问题显得更加迫切。目前，国内外针对风电接入对电力系统低频振荡影响方面的研究尚无确定性结论。

近年来，华北电网动态稳定问题已显得越来越突出[1]。三华互联电网的稳定分析计算表明：内蒙古电网-山东电网的弱阻尼模式在华北电网动态稳定问题中表现最突出，该低频振荡模式最易被激发，引起内蒙古电网对华北主网发生低频振荡，导致电网稳定破坏[2]。在此背景下，研究大规模风力发电并网运行机理，建立异构型风电并网系统模型，特别关注内蒙古风电机组动态特性，并仿真分析其对电力系统低频振荡的影响，可提升内蒙古电网低频振荡的综合控制技术，为电网规划及运行提供新的思路和依据[3-5]。

目前国内外针对低频振荡的分析方法主要分为频域分析法和时域分析法，这些方法大都需要计算特征根、左右特征向量和留数，易导致分析结果片面和不准确。本文分别采用频域分析法和矢量裕度分析法对内蒙古电网-山东电网的低频振荡模式进行分析。矢量裕度分析方法可以避免特征向量和留数的计算，且可通过二维复平面图示化显示矢量图，与基于特征值增量的分析方法相比，结果更加直观明了[6]。

1 基于小扰动分析的内蒙古同步机替换风机出力对内蒙古电网-山东电网振荡模式的影响

根据内蒙古电网目前运行状况，先通过小扰动计算研究了内蒙古电网动态稳定性，重点研究了内蒙古电网中的新能源风机机组用相同容量的同步机代替后，对内蒙古电网-山东电网振荡模式的影响。具体的替代方式有：

（1）替换不同地区相同出力的风机为同步机，观察不同地域的风机对振荡模式的影响；

（2）替换同一地区风机不同出力，观察不同出力的风机对振荡模式的影响；

（3）替换不同类型的风机为同步机，观察不同的风机模型对振荡模式的影响；

（4）替换振荡的同步机为风机，观察振荡模式的变化。

首先，以2019年运行方式数据为基础，针对夏平零风电、冬平风电30%以及冬平风电大发三种运行方式进行特征值计算，得到目前内蒙古电网-山东电网的振荡模式（见表1）。

由表1可见，在冬季风电的新能源大发方式下，内蒙古电网-山东电网的低频振荡模式频率在0.38 Hz左右，阻尼比最低为0.029。

表1 内蒙古电网-山东电网的振荡模式主要参数

为了进行对比分析，本节仿真计算基于PSD-BPA计算平台，针对内蒙古电网冬平风电大发的运行方式，对内蒙古电网-山东电网振荡模式进行观察；并在模型替换的过程中，保持潮流不变。

1.1 替换不同地区相同出力的GE风机模型为同步机模型

为了研究方便，将阿拉善盟、乌海市、鄂尔多斯市、呼和浩特市暂称为下四盟，将巴彦淖尔市、包头市、乌兰察布市、锡林郭勒盟暂称为上四盟。在以上区域各挑选两个出力为49.5 MW的风机节点，将其风机模型替换为等容量的同步机模型，并对目标振荡模式进行观察，结果见表2。

表2 不同地区替换99 MW双馈风机时目标振荡模式主要参数

由表2可以看出，替换西侧地区的风机，目标模式的频率降低，阻尼比降低。替换靠东侧地区的风机，目标模式的频率升高，阻尼比略低，其中替换乌兰察布市和锡林郭勒盟出力99 MW的风机后，频率较替换前高。

增加替换容量，因下四盟双馈风机总出力较少（分别为198 MW，99 MW及346.5 MW），故只替换较多双馈风机出力的上四盟。上四盟分别替换出力396 MW和1100 MW的双馈风机模型为同步机模型，结果见表3。

由表3可以看出，随着被替换的出力的风机数增加，目标模式的频率和阻尼比均有较大幅度降低，并且替换相同容量西部（巴彦淖尔、包头）的风机出力与替换相同容量的东部（乌兰察布、锡林郭勒）风机出力相比，阻尼比降低更多。其中，替换乌兰察布市内的风机出力时，频率和阻尼比降低的程度较其他地区小。

表3 替换396 MW及1100 MW双馈风机时目标振荡模式

1.2 替换同一地区不同出力的GE风机模型为同步机模型

将同一地区不同出力的风机替换为同步机，观察内蒙古电网-山东电网振荡模式的变化。同样，因下四盟的双馈风机总出力较小，故只调整上四盟，地区排序由西向东。

从计算结果可知，随着替换出力风机数量的增加，各地区均呈现出频率和阻尼比的降低程度越来越大，且位于西侧的巴彦淖尔市和包头市地区被替换的出力增加对目标模式频率和阻尼比的影响较东侧乌兰察布市和锡林郭勒盟地区要大。其中，替换乌兰察布市内的风机出力对目标模式频率和阻尼比的影响最小。

1.3 替换同一地区不同风机模型为同步机模型

将鄂尔多斯市、包头市、乌兰察布市和巴彦淖尔市的三种风机模型替换为同步机模型，观察内蒙古电网-山东电网振荡模式变化。

从计算结果可知，各地区均呈现出同样的规律，即替换同等出力的GE直驱和GE双馈风机为同步机，在所替换的出力较小时，对目标模式的频率和阻尼比影响的区别较小，但替换固定转速风机为同步机较另外两种模型阻尼比减小得更多，且在包头市、乌兰察布市和巴彦淖尔市内进行模型替换，目标模式的振荡频率相较替换风机出力之前更高。

1.4 替换主要振荡模式振荡机组同步机模型为GE风机模型

针对内蒙古电网-山东电网振荡模式，将内蒙古电网不同参与因子对应的振荡机组模型替换为GE风机模型，观察振荡模式的变化。为控制变量，鄂尔多斯市和乌海均替换出力为330 MW的同步机，包头市、呼和浩特市、巴彦淖尔市及阿拉善盟均替换出力为300 MW的同步机。乌兰察布市和锡林郭勒盟由于没有近似出力的振荡机组，故未包含。

通过计算发现，除呼和浩特市外，其余各盟市在替换较低参与因子的机组为风机后，振荡频率均有不同程度的降低。除呼和浩特市和包头市外，其余各盟市在替换较低参与因子的机组为风机后，阻尼比均有不同程度的降低。替换阿拉善盟和乌海的振荡机组，对振荡频率和阻尼比影响较小，其中替换乌海的机组甚至出现振荡频率升高的现象。

1.5 小结

（1）替换西侧区域部分风电机组为同步机会恶化稳定性，替换东侧区域部分风电机组为同步机，对系统稳定性的恶化程度较小。

（2）随着内蒙古各地区被替换为同步机的风机数量的增多，内蒙古电网-山东电网振荡模式的阻尼比也跟着降低；但目标模式的阻尼比对乌兰察布市地区风电比例的敏感度较低。

（3）降低3种风机模型渗透率，可以看出，固定转速风机模型渗透率的降低对阻尼比的削弱程度相较于GE型风机模型大，而GE型风机渗透率的降低对频率的降低程度相较于固定转速风机模型大；且针对GE直驱和GE双馈风机两种模型，GE双馈模型的渗透率降低时，振荡频率降低得更多。

（4）替换阿拉善盟和乌海市的部分振荡机组为风机，对系统稳定性影响较小；替换鄂尔多斯市、呼和浩特市及包头市地区的部分振荡机组，对阻尼比削弱程度明显。

2 基于矢量裕度法的内蒙古电网风机并网电力系统低频振荡分析

使用矢量裕度法计算冬平风电大发方式下出力的风机对系统稳定性的影响，分析内蒙古电网出力的双馈异步风机（DFIG）以及直驱风机对内蒙古电网-山东电网振荡模式的影响。

2.1 矢量裕度法简介

结合广义奈奎斯特稳定判据可知，系统的广义奈奎斯特曲线距离（1，0）点的最小距离VM决定了系统的稳定裕度[7]，此处以广义奈奎斯特曲线（矢量裕度曲线）为例进行说明，如图1所示。

图1 矢量裕度曲线

定义矢量裕度为系统的广义奈奎斯特曲线（回路传递函数的扫频记作L（j））距离复平面的（1，0）点的最近距离。若系统的L（j）可以表示为如下矢量和的数学形式L（jω）=V1（jω）+V2（jω），则可通过观察上述公式中各个矢量分量Vi（jω）位于复平面的位置来判断该分量对于稳定性的影响[6-13]。

2.2 双馈型风机矢量裕度法计算结果

对阿拉善盟、鄂尔多斯市和巴彦淖尔市等八个盟市的DFIG进行研究。针对阿拉善盟、鄂尔多斯市和巴彦淖尔市出力为49.5 MW的14台DFIG机组利用矢量裕度法进行计算。研究原则为维持仿真系统的潮流水平不变，用恒功率源替换第一组中的DFIG[14-16]。求解得到风机接入前系统的区域振荡模式参数为λ0=-0.154 4+j2.809 3，阻尼比ζ0=5.495%。因此可以知道开环系统的振荡模式的振荡频率为ω0=2.809 3，并根据振荡模式的阻尼比，选择广义扫频频率的阻尼比ζg=5.3%，且相应地有广义频率sg0=0.05ω0+jω0。由剩余同步电网系统的传递函数矩阵G（s）可以得到系统振荡频率点的广义频率响应矩阵为G（sg0），且对G（sg0）进行奇异值分解（singular value decomposition）后，得到其奇异值向量为[195.103072，0.016419，0.008296，0.006491，0.005685，0.004 671，0.004 544，0.004 126，0.003 645，0.003 530，0.003 433，0.003 301，0.003 261，0.003 183]，因此可知近似有rank（G（sg0））≈1。接着直接绘制解析矢量分量开展稳定性分析。

由仿真结果可以得到14台DFIG对稳定性影响，计算结果如图2所示。

图2 阿拉善、鄂尔多斯、巴彦淖尔地区风机作用矢量裕度图

图2中T1—T14分别代表14台DFIG对系统稳定性的作用。具体数值与对应名称如表4所示。

表4 阿拉善、鄂尔多斯、巴彦淖尔地区DFIG矢量裕度法计算结果

由图2和表4可知，T1—T14均位于复平面的右半平面，意味着第一组的14台DFIG对系统稳定性的影响均为正作用，即这14台DFIG的接入会提高系统的稳定性。并且这14台DFIG中，T1和T2距离虚轴最远，T7距离虚轴最近，说明阿拉善盟蒙银星G1和蒙银星G2处DFIG的接入对系统稳定性影响的正作用程度最大，而巴彦淖尔市的蒙龙川G3处的DFIG的接入对系统稳定性的正作用程度最小。位于鄂尔多斯市的2台DFIG作用程度则介于阿拉善盟和巴彦淖尔市之间。

同理分析了包头市、呼和浩特市、乌兰察布市、锡林郭勒盟双馈风电机组的矢量裕度计算结果。其中包头接入系统的双馈风机对系统稳定性有正作用，呼和浩特市、乌兰察布市、锡林郭勒盟的双馈风电机组对系统的稳定性均起负作用。

2.3 直驱型风机矢量裕度法计算结果

除双馈风机外，直驱风机在内蒙古电网新能源机组中也占有相当比例。同样使用矢量裕度法计算冬平风电大发方式下所有出力的直驱风机对系统稳定性的影响，从计算结果可知，鄂尔多斯市及呼和浩特市的直驱机组对系统稳定性起正作用，而乌兰察布市的直驱机组起负作用。对于巴彦淖尔市和包头市来说，虽然机组的作用有正有负，但因为起负作用的机组远多于起正作用的机组，且作用程度较正作用机组高，因此最终呈现出的总体效果仍然是弱化系统的稳定性。

2.4 小结

（1）内蒙古电网内的双馈异步风机对系统稳定性的影响具有一定的规律性，即靠西侧的阿拉善盟、鄂尔多斯市、巴彦淖尔市和包头市内的双馈风机均对系统稳定性起正作用，而对于靠中、东侧的呼和浩特市、乌兰察布市和锡林郭勒盟内的双馈风电机组恶化系统的稳定性。

（2）内蒙古电网直驱风机对内蒙古电网-山东电网区域振荡模式影响的计算结果与双馈风机的结果有些不同，原因为风机模型及接入位置不同导致剩余电网传递函数矩阵及风机传递函数矩阵的相位不同。

（3）根据以上规律，可以考虑适当增加阿拉善盟、鄂尔多斯市、巴彦淖尔市以及包头市出力的双馈机组数量，同时增加单台机组的出力，适当减少呼和浩特市、乌兰察布市以及锡林郭勒盟出力的双馈机组数量，同时减少单台机组的出力。

（4）对于直驱风机，可以考虑提升鄂尔多斯市地区直驱风机的比例，适当降低巴彦淖尔市、包头市及乌兰察布市地区的比例。通过提高内蒙古电网-山东电网区域振荡模式的阻尼比，优化系统的稳定性。

3 结语

随着内蒙古电网风电装机总量的连年增长，其小干扰稳定性问题面临新的挑战。本文应用小扰动频域方法，通过对2019年冬平风电大发方式下蒙西各地区部分风机及同步机的相互替换，分析了内蒙古电网-山东电网振荡模式的变化情况。基于矢量裕度方法研究了不同接入区域的风机容量、类型对内蒙古电网稳定性的影响。研究结论可为内蒙古电网规划及统筹考虑新能源接入提供理论依据。