含雙饋風電場電力系統暫態穩定性分析

盛 超， 曾 杰， 郝正航， 曾 沅

(1.廣東電網公司電力科學研究院， 廣州 510080；2.天津大學智能電網教育部重點實驗室， 天津 300072)

含雙饋風電場電力系統暫態穩定性分析

盛 超1， 曾 杰1， 郝正航2， 曾 沅2

(1.廣東電網公司電力科學研究院， 廣州 510080；2.天津大學智能電網教育部重點實驗室， 天津 300072)

隨著風電裝機容量的增長，風電場接入運行對電力系統穩定性的影響不容忽視。借助單機無窮大系統分析了雙饋風電機組的自身穩定性，發現雙饋感應發電機轉子運動沒有機電暫態失穩現象，但存在電磁暫態失穩現象；研究了雙饋風電場與同步電機運行在典型接線方式下系統穩定性的差異和變化。仿真算例表明，由于雙饋風電機組有功功率的快恢復特性，可能使含雙饋風電場混合電力系統的暫態穩定水平顯著降低。

雙饋感應發電機； 風電場； 電力系統； 暫態穩定性

雙饋式風電機組與常規同步發電機有很多不同，隨著風電裝機容量的增長，風電對電力系統穩定性影響不容忽視。尤其在我國，雖然風能資源豐富，但適合大規模開發風電的地區一般都遠離負荷中心，甚至遠離主干電網。當風電高比例滲入電網以后，對電網穩定性產生怎樣的影響，國內外學者開展了對這一問題的研究。從已發表的文獻來看，研究方法大致相同--即通過仿真工具建立風電場模型，再將風電場接入電力系統，仿真計算以后得出穩定性結論。為了得出風電對電力系統穩定性影響是正面還是負面，通常的做法是將風電場替換為常規同步電機后，再次做相同的仿真計算，以此作為與前者比較的參考。

文獻[1]研究了大規模風電接入對電力系統的影響。通過對雙饋風電機組進行動態建模以及對包含風電場的電力系統進行仿真計算，研究結果表明大規模的風電接入可能會使電網出現線路傳輸功率越限、短路容量增加及電力系統穩定性發生變化等問題。文獻[2]假設了一個示例系統，在電網末端接入100 MW的雙饋式風電場，研究了受擾后系統的動態行為，又將該風電場替換為相同容量的常規同步電站，又做了相同的仿真分析。結論是接入雙饋式風電場比接入同等容量的常規電站有更好的阻尼特性和暫態穩定性。文獻[3]認為，雙饋機組的機械慣性與電力系統解耦，于是將雙饋機組視為無機械慣性的常規同步機組，通過計算特征值對機組機械慣性的靈敏度來判斷風電機組對電力系統穩定性影響的性質。事實上，這種做法只考慮到雙饋機組的一個特點--機電解耦性，沒有考慮到雙饋機組的其他特性，將雙饋機組僅僅視為無慣性的同步機組值得商榷。文獻[4]的做法與文獻[1]類似，但該文全面考慮了測試系統中同步電機和負荷的各種建模，仿真結論是雙饋機組代替同步機組后暫態穩定性趨向增強，但在有些故障條件下也出現暫態穩定性減弱情況。文獻[5]研究了風電場整體與電網的相互作用，指出了風電場接入容量與電力系統電壓穩定性及功角暫態穩定性的關系。文獻[6]研究了雙饋風電機組與電力系統中同步電機的交互作用，認為雙饋風電機組可能對電力系統穩定性不利。

本文在文獻[6]的基礎上，研究雙饋風電機組自身的穩定性，并深入的分析了雙饋風電場對電力系統的穩定性影響。

1 雙饋風電機組的基本結構

雙饋風力發電機組的基本物理結構如圖1所示，由風力機、傳動軸及齒輪箱、雙饋感應發電機DFIG(doubly-fed induction generator)和雙脈沖寬度調制PWM(pulse width modulation)變流器及其控制系統組成[7，8]。

圖1 雙饋風力發電機組基本結構

風力機的作用是通過葉輪捕獲風能，將風能轉化為作用在輪轂上的機械轉矩；傳動軸及齒輪箱的作用是將風力機的驅動作用傳遞給發電機并提升轉速；雙饋感應發電機類似于繞線式異步電機，其作用是將機械能轉化為電能，且保證輸出恒頻的交流電壓；雙PWM變流器一方面為雙饋電機提供交流勵磁，另一方面為轉子到電網之間提供功率流動途徑，它可運行于4個象限。

雙饋電機的核心控制部件是雙PWM變流器，其中與轉子繞組直接相連的稱為機側變流器，與電網直接相連的稱為網側變流器，兩個變流器的直流側由共同的電容器提供電壓支撐。機側變流器的基本功能是為雙饋發電機提供勵磁電壓，并且在矢量控制策略下實現有功和無功的解耦調節；網側變流器的主要功能是在直流調節系統的控制下維持電容電壓恒定，同時具有調節功率因數的功能。此外，這兩個“背靠背”變流器構成了四象限可逆變流系統，即從機側到網側可實現有功、無功雙向流動。

2 DFIG自身穩定性分析

所謂自身穩定性是指單臺機組接入無窮大系統的穩定性問題。對這一問題的研究，在方法上可借鑒基于同步電機的“單機無窮大系統”，因此，回顧同步電機的穩定性概念和理論可以為研究DFIG穩定問題拓展想象的空間。

同步電機的“單機無窮大系統”有兩個主要的穩定問題，其一是大擾動下的暫態穩定問題，其二是小擾動下的低頻振蕩問題。對于暫態穩定問題，“等面積定則”從物理意義上揭示了穩定機理并提供判據。從非線性動力方程的角度看，同步電機的搖擺方程是關于功角的非線性二階微分方程，有一個穩定平衡點和一個不穩定平衡點，從李雅譜諾夫穩定概念上可以確定一定存在有限的穩定域邊界。對于低頻機電振蕩，是因為線性化的二階轉子運動方程的特征根是共軛復根，而且在一定控制參數和運行條件下，共軛復根的實部可能為正。

綜上所述，同步電機的兩個穩定問題均由二階轉子運動方程引起。對于DFIG其情況完全不同于同步電機，由于機電解耦性，DFIG轉子運動方程不是二階微分方程而是關于轉速的一階微分方程，故不存在類似于同步電機的動力學失穩問題。但是，由于DFIG采用了雙閉環勵磁調節，再加上Park方程仍然是非線性高階微分方程，因此存在電磁暫態尺度下動力學穩定性問題。

為說明上述觀點，考察如下示例系統的動態行為。圖2是單臺DFIG經輸電線路接入無窮大母線的系統接線圖。

圖2 基于DFIG的單機無窮大系統

利用Matlab/Simulink的Power System Block建立DFIG及其控制系統仿真模型，其中DFIG參數如表1所示。

表1 DFIG參數

故障設置如下：在t=3.00 s時一回輸電線路發生三相短路故障，t=3.04 s時故障線路切除，t=3.6 s時線路重合成功。圖3是故障前后的DFIG定子有功和無功，可以看出，故障導致定子有功和無功發生劇烈振蕩，當故障清除以后又經過大約1 s的時間定子有功和無功又恢復到初值，系統最終恢復了穩定。圖4是DFIG轉子轉速的暫態變化過程。

圖3 DFIG定子有功和無功的暫態響應

圖4 DFIG轉子轉速的暫態響應

從圖4可以看出，受擾后的DFIG在機械轉矩不變的條件下，其轉速可以大范圍變化，而沒有出現動力學失穩現象。當轉速發生變化時，其轉子電流的頻率發生變化，如圖5所示。

圖5 DFIG轉子電流的暫態響應

研究發現，當定、轉子繞組的電阻減小時，電磁模式阻尼變小，容易出現電磁暫態失穩現象。當定子電阻和轉子電阻減小12%后，再做如上故障仿真，發現定子有功和無功出現了永久性振蕩現象，如圖6所示，表明存在電磁暫態的動力學失穩問題。

圖6 電磁暫態失穩現象

3 風電場與電力系統的交互作用

當風電場與電力系統中的同步發電機SG(synchronous generator)的電氣距離很小時，風電機組和同步機組可發生強烈的交互作用，這一問題在中國風電模式下尤為突出。對于歐洲風電而言，風電場規模小，分布式地接入配電系統，配電系統屬于電力系統末梢，風電場與同步電機的交互作用非常微弱，這也是歐洲風電對電網影響很小的根本原因。研究風電與電力系統的交互作用，可使用如圖7所示的典型接線模式，即風電場與同步電機(常規電站)并列運行。

圖7 風電場與同步電機并列運行系統

文獻[6]在雙饋機組功角概念的基礎上，提出了DFIG和SG的功角搖擺曲線可能存在兩類交點，將其分別定義為主動交越點和被動交越點，交越性質決定了DFIG對SG穩定性影響的性質。大擾動時，SG的首擺期間有主動交越點，DFIG降低了系統的暫態穩定性，因此對于雙饋風電場與常規電站并列運行的輸電系統，風電場極有可能降低系統的暫態穩定性。

以圖7所示系統為例，考察含風電的電力系統暫態穩定性。為了量化分析，需要比照標準，故研究三種情形：①圖7所示的混合系統；②將圖7中雙饋風電場替換為另一同容量的同步電機，形成兩臺同步電機對無窮大系統；③將圖7中的同步發電機替換為另一同容量的雙饋風電場，形成兩個風電場對無窮大系統。故障設置：3.00 s一回線路上發生三相短路故障，3.04 s三相跳開，3.60 s重合。

3.1 同步電機與風電場并列情形

對情形①做暫態仿真分析，所得同步電機和風電場的有功功率如圖8所示。由圖中可以看出，混合電力系統最終失去穩定。從風電場的有功波形上看出，在故障后的0～0.3 s期間，風電場的有功出力幾乎不變，這導致了同步電機暫態過程的“加速面積”增加，降低了系統的穩定性。

圖8 情形①的暫態仿真波形

3.2 兩臺同步電機并列情形

對情形②做暫態仿真分析，所得兩臺同步電機的有功功率如圖9所示。

圖9 情形②的暫態仿真波形

由圖9可見，當兩臺同步電機并列運行時，短路故障開斷一回線路后，因為同步發電機功角不能迅速增大，在故障后的0～0.3 s期間SG2的有功功率小于故障前，之后隨功角的增大功率上升并持續搖擺一段時間，最終系統趨于穩定。從圖8和圖9兩種情形的對比中得出，混合電力系統的暫態穩定性較單純同步電力系統穩定性差。分析其原因在于雙饋風電機組的功率特性具有“快恢復特性”，即雙饋風電機組由于有功功率的可快速調節，在不過載的情況下即使網絡出現故障仍然可以保持出力基本不變，這一特性對與之并列的同步電機產生了不利影響。

3.3 風電場并列情形

對于情形③做暫態仿真分析，所得兩個風電場的有功功率如圖10所示。從圖10可以看出，雙饋風電場在經歷一個暫態過程后沒有失去穩定。

圖10 情形③的暫態仿真波形

4 結語

(1)對于雙饋風電機組的自身穩定性，其雙饋感應發電機的轉子運動沒有動力學失穩問題，即沒有機電暫態失穩現象，但存在電磁暫態失穩現象。

(2)對于含雙饋風電場的混合電力系統，由于雙饋風電機組有功功率的快恢復特性，可能使混合電力系統的暫態穩定水平顯著降低。因此，對于我國未來風火打捆輸電系統的穩定性問題需要高度重視。

[1] 遲永寧，劉燕華，王偉勝，等(Chi Yongning, Liu Yanhua, Wang Weisheng,etal)．風電接入對電力系統的影響(Study on impact of wind power integration on power system)[J]．電網技術(Power System Technology)，2007，31(3): 77-81．

[2] Muljadi E, Butterfield C P, Parsons B,etal. Effect of variable speed wind turbine generator on stability of a weak grid[J].IEEE Trans of Energy Conversion, 2007, 22(1): 29-36.

[3] Gautam Durga, Vittal Vijay, Harbour Terry. Impact of increased penetration of DFIG based wind turbine generators on transient and small signal stability of power systems[J].IEEE Trans on Power Systems, 2009, 24(3): 1426-1434.

[4] Shi Libao, Dai Shiqiang,Ni Yixin,etal. Transient stability of power systems with high penetration of DFIG based wind farms[C]∥IEEE Power and Energy Society General Meeting.Calgary Canada: 2009.

[5] 郝正航，余貽鑫(Hao Zhenghang, Yu Yixin)．雙饋風力發電機組對電力系統穩定性影響(The influence of doubly-fed induction generator on stability of power system)[J]．電力系統保護與控制(Power System Protection and Control)，2011，39(3): 7-11，17．

[6] Pena R, Clare J C, Asher G M. Doubly fed induction generator using back-to-back PWM converters and its application to variable-speed wind-energy generation[J].IEE Proceedings: Electric Power Applications, 1996, 143(3): 231-241.

[7] Muller S, Deicke M, De Doncker R W. Doubly fed induction generator systems for wind turbines[J].IEEE Industry Applications Magazine, 2002, 8(3): 26-33.

盛 超(1972-)，男，工程師，研究方向為電力系統分析及勵磁控制。Email:sheng_chao@163.net

曾 杰(1979-)，男，工程師，研究方向為電力系統分析和新能源。Email:zjhust@gmail.com

郝正航(1972-)，男，博士，研究方向為電力系統穩定和風力發電。Email:haozhenghang@163.com

曾 沅(1975-)，男，副教授，研究方向為電力系統安全性與穩定性。Email:zengyuan@tju.edu.cn

AnalysisofTransientStabilityofPowerSystemswithDFIG-basedWindFarms

SHENG Chao1， ZENG Jie1， HAO Zheng-hang2， ZENG Yuan2

(1.Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Corporation,Guangzhou 510080, China;2.Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education, Tianjin University,Tianjin 300072, China)

The integration of large scale wind farm brings serious influence to the stability of power system. The stability of doubly-fed induction generator (DFIG) via single machine vs. infinite system is investigated at first. It is revealed that, for the rotor motion of DFIG itself, there exists the electromagnetic transition unstable phenomenon but not kinetic unstable phenomenon. Furthermore, according to the connection mode of DFIG-based wind farm and traditional synchronous generator, the transient stability of power system is compared and analyzed. Examples by simulation show that, due to the fast recovery character of the active power output by DFIG, the transient stability of hybrid system containing DFIG-based wind farm may be deteriorated obviously.

doubly-fed induction generator； wind farm； power system； transient stability

TM712

A

1003-8930(2012)01-0133-05

2011-05-06；

2011-12-05