風力發電對電力系統小干擾穩定性影響述評

和萍，文福拴，薛禹勝，Ledwich Gerard

（1.華南理工大學電力學院，廣州510640；2.鄭州輕工業學院電氣信息工程學院，鄭州450002；3.浙江大學電氣工程學院，杭州310027；4.網新創新研究開發有限公司，杭州310007；5.國網電力科學研究院/南京南瑞集團公司，南京210003；6.澳大利亞昆士蘭科技大學，布里斯班4001）

風力發電對電力系統小干擾穩定性影響述評

和萍1，2，文福拴3，4，薛禹勝5，Ledwich Gerard6

（1.華南理工大學電力學院，廣州510640；2.鄭州輕工業學院電氣信息工程學院，鄭州450002；3.浙江大學電氣工程學院，杭州310027；4.網新創新研究開發有限公司，杭州310007；5.國網電力科學研究院/南京南瑞集團公司，南京210003；6.澳大利亞昆士蘭科技大學，布里斯班4001）

隨著風力發電技術的不斷進步，風電裝機容量逐步增加，在電力系統中的滲透率隨之提高，其對電力系統穩定性的影響越來越顯著。在此背景下，系統地綜述了風力發電對電力系統小干擾穩定性的影響。概述了目前常用風力發電機組類型、結構原理及特點，總結了國內外就風電并網后對小干擾穩定性影響方面的研究熱點，闡述了風電對系統振蕩特性和阻尼特性的影響，指出了有待進一步研究的問題。最后，簡述了改善風電并網后的系統阻尼特性的基本思路和控制策略。

電力系統；風力發電；風電并網；小干擾穩定；阻尼特性；振蕩模式

在各種可再生能源中，風能以其無污染、可再生、蓄量豐富而受到很多國家的重視[1]。全球風能[2]約為2.74×1012kW，其中可開發利用的風能約為2×1010kW，比地球上可開發利用的水能總量要大10倍左右[2]。據估計，地面上風能的1%就能滿足全世界對能源的需求[1]。我國風能資源比較豐富，陸地風能資源理論儲量為32.26億kW，近海風能資源儲量為2.53億kW，可開發風能資源約為10億kW，相當于我國電力總裝機容量[2]。隨著風力發電技術水平的不斷提高，風力發電成本呈下降趨勢，考慮環保效益后風電成本基本接近燃煤發電成本。大力開發風能等可再生能源，實現能源可持續發展，已經成為解決能源危機和環境問題的戰略選擇。

隨著風電機組容量的不斷增大，風電場接入電壓等級也從最初的配電系統發展到高壓輸電系統，風電場對電力系統的影響越來越廣泛，已從簡單的局部電壓偏差、電壓閃變、頻率波動、諧波污染等發展到整個電力系統安全穩定、調頻調峰、經濟運行等各個方面[4，5]。近年來，研究風電并網后對電力系統的影響和應對策略在國內外都受到了普遍關注[6～21]。我國的大區域互聯電力系統發展迅速，穩定性成為影響互聯系統運行的主要因素；與此同時，大量風電并網后大規模互聯系統區域間和區域內的負阻尼或者弱阻尼問題顯現，風電并網接入點增多和容量增加對系統阻尼特性產生的不利影響趨于明顯。特別是一些位于偏遠地區的、總裝機容量很大的風電場經長距離輸電線路向負荷中心送電，對系統小干擾穩定、系統振蕩特性和阻尼特性的影響這種情況。

在上述背景下，本文對國內外就風電并網后對電力系統小干擾穩定性影響方面的研究進行系統地綜述，并提出改善風電并網后系統阻尼特性的基本思路和控制策略。簡要介紹了風力發電機的類型和并網方式；概述了電力系統小干擾穩定性分析的原理和方法；綜述了風電并網對電力系統小干擾穩定性影響分析方面國內外的研究情況，包括建模和仿真、系統振蕩模式與阻尼特性，提出了改善風電并網后系統阻尼特性的基本思路和控制策略。

1 并網風力發電機

大型風力發電機組主要包括葉片、偏航裝置、剎車裝置、齒輪箱、發電機、控制裝置、風速計等組件[9]。風力發電可利用風速通常為3～30 m/s，風輪機將風能轉化為機械能，發電機將機械能轉化為電能。

按照與風輪機相連接的發電機轉速是否恒定，風力發電可分為恒速運行與變速運行2種方式；按照風力發電機槳葉對風能功率調節方式不同，風力發電機組可分為定槳距調節型機組、變槳距調節型機組和主動失速調節型機組。定槳距調節型機組的槳葉與輪轂固定連接，槳葉的迎風角不能隨風速變化而變化；變槳距調節型機組是定槳距風力機的改進和發展，機組的葉片可繞葉片中心軸旋轉，使得葉片節距角可在一定范圍調節；主動失速調節型機組是前兩種功率調節方式的組合，通過調節槳葉的節距角，改變氣流對槳葉的功角，進而控制風輪捕獲的氣動轉矩和氣動功率，將功率調整在額定值上。

在目前的風電場中，主要采用的風力機型[9]有：籠型異步風力發電機組SCIG（squirrel cage induction generator）、雙饋感應風電機組DFIG（doubly fed induction generator）和直驅永磁同步風電機組DDPMSG（direct-drive permanent magnet synchronous generator）。

1.1 SCIG

基于籠型異步發電機的異步風電機組由風機、普通感應發電機及一組用于無功補償的并聯電容器組成，如圖1所示。風機和發電機的軸系通過齒輪箱連接，定子繞組直接與系統相連。

定槳距異步風力發電機的槳距角控制方式一般為定槳距失速控制或主動失速控制，也有少數采用槳距控制。這種類型的風電機組一般運行在很小的轉差范圍內。變槳距異步發電機在轉子繞組中串接入一個可變電阻，通過調整該電阻值可以達到改變風機轉速的目的。一般采取槳距控制，與定槳距異步風力發電機相比轉速運行范圍有所加大，但仍然很小。

圖1 籠型異步風力發電機組Fig.1Squirrel cage induction wind power generator

總之，籠型異步風力發電機不能充分和有效利用風能，且額定運行時的穩定裕度較小。

1.2 DFIG

DFIG是一種采用脈寬調制PWM（pulse width modulation）技術的新型風力發電機組，是目前風電場采用的主流機型。DFIG定子直接與電力系統相連，而轉子經PWM變頻器與系統相連，如圖2所示。通過調節轉子側變頻器調制系數，實現對轉子回路電流有功和無功分量的解耦控制，從而使風電機組有功、無功功率與電力系統解耦。這樣的電氣結構和控制方式能最大限度地吸收風能，提高風電機組的風能轉換效率，改善風電場發電出力的功率因數和電壓穩定性。當系統發生低頻振蕩時，其控制系統不改變控制方案，僅通過定子感受系統電氣量變化，從而在轉子側感應出振蕩電流，產生阻尼轉矩；然而，由于DFIG內部電阻小，因此阻尼轉矩抑制振蕩的能力有限。

圖2 雙饋感應風電機組Fig.2Doubly fed induction wind power generator

1.3 DDPMSG

如圖3所示，DDPMSG與發電機通過軸系連接，省去了齒輪箱、電刷和滑環，提高了機組運行可靠性，減少了維護費用；此外，通過全功率變換器與電力系統間接相聯，以防止風電功率波動對主網電能質量造成不良影響。由于槳距控制與永磁同步發電機直接相連，所以稱為直驅永磁同步風電機組；風電機組輸出電磁功率受全功率變換器與槳距角控制，發電機輸出經發電機側變換器整流后由電容支撐，再經電力系統側變換器將電能送給系統。雖然發電機輸出功率的頻率隨風力機轉速變化，但經網側逆變器后，與系統頻率相同。全功率變換器使風電機組與電力系統在電氣上完全解耦。然而，與DFIG相比，這種電機需要配備100%容量的變換器，因此造價較高，損耗也較大。

圖3 直驅永磁同步風電機組Fig.3Direct drive permanent magnet synchronous wind power generator

2 小干擾穩定性分析的原理與方法

電力系統小干擾穩定是指系統受到小擾動后，不發生自發振蕩或非周期性失步，自動恢復到起始運行狀態的能力[8]。小干擾穩定研究基于電力系統元件的動態特性，系統狀態可用系統運行點附近的線性化方程描述。小干擾穩定性機理分析一般以發電機轉子運動方程和轉矩特性為基礎，主要包括負阻尼機理、共振機理、非線性奇異和混沌機理等[22～25]。

影響電力系統小干擾穩定性的原因有2種：①缺乏與功角增量成比例的同步轉矩而引起發電機轉子角度持續增大；②缺乏與轉速增量成比例的阻尼轉矩而引起的轉子增幅振蕩。到目前為止，建立在線性化模型基礎上的電力系統小干擾穩定性分析方法主要有2類：以狀態空間模型為基礎的特征值分析法和以傳遞函數矩陣為基礎的頻域分析法。

特征值分析法是小干擾穩定分析中應用最廣泛的方法，其以線性系統理論和李亞普諾夫第一定律為理論基礎，將電力系統模型線性化后用狀態空間法將其描述成一般的線性系統，求取其狀態矩陣的特征值和特征向量，然后給出描述系統穩定性的定性和定量信息，如振蕩性過渡過程的特征，包括振蕩頻率、衰減因子、影響因子和相應強相關狀態變量等。特征值分析法是研究系統振蕩模式和阻尼特性的有力工具，已成功應用于電力系統小干擾穩定性評價、阻尼控制器安裝地點確定及參數優化等方面[26～28]。

頻域分析法則根據所研究的具體問題，適當選擇系統的輸入和輸出變量，建立以傳遞函數矩陣形式描述的系統頻域模型，即

式中：y（s）為輸出向量；G（s）為傳遞函數矩陣；u（s）為輸入向量。系統如果是小干擾穩定的，則G（s）的全部極點的實部都為負，通常采用多變量Nyquist穩定準則來檢驗。電力系統小干擾穩定分析的頻域法就是以此準則為基礎的，這種方法受系統規模影響較小，適用于大規模電力系統，同特征值分析方法相比，其缺點是其所能提供的信息量不足，因此頻域法曾一度陷入停頓狀態。隨著適用于多變量控制系統的現代頻域理論的發展，頻域法又重新受到重視，在電力系統領域中也得到了發展和應用。文獻[29]建立了包括高壓直流輸電線路的電力系統小干擾穩定的頻域分析模型；文獻[30]則將頻域法運用于電力系統的魯棒穩定性分析。

電力系統穩定器PSS（power system stabilizer）作為勵磁系統的一種附加控制裝置，能夠在發電機勵磁回路中提供附加的阻尼轉矩[22，26，27]，從而增強電力系統的小干擾穩定性，抑制低頻振蕩。近年來，智能優化算法被逐漸引入到PSS的參數優化設計之中[28]，一些結構簡單、適應性強、魯棒性好的PSS已經在大規模互聯電力系統穩定性控制中被逐步采用。

3 風電并網對小干擾穩定性的影響

3.1 建模和仿真

在風電場接入系統后的小干擾穩定分析的建模和仿真方面，國內外已做了大量研究工作[14～16，31～35]，其中包括對各類風力發電機組入網后的建模與仿真，但研究最多的則是雙饋感應發電機。

文獻[14]給出了DFIG的動態模型，包括其控制和保護電路，可用于仿真單鼠籠式轉子和雙鼠籠式轉子的風力發電機；文獻[15]研究了發電機轉子側連接雙邊PWM功率變換器時并網DFIG的數學模型，對于其在低于同步轉速和高于同步轉速運行時也適用；文獻[16]分析了在超同步和次同步區域DFIG的穩態特性，給出了其等效電路，給出了最大化發電機輸出功率的最優控制策略，但該電路忽略了鐵心損失和諧波損失；文獻[31]根據磁鏈、電勢和電流的關系導出了DFIG動態數學模型，但該模型沒有考慮轉子繞組勵磁電壓特性控制變量和發電機電氣受控變量之間的控制關系。文獻[32]采用Matlab/Simulink軟件實現了DFIG的8階、5階和3階模型，其中8階模型包括完整的傳動系統模型、定子模型和轉子模型，5階模型包括定子模型、轉子模型和簡化的傳動系統模型，忽略定子的暫態過程后，3階模型包括轉子模型和簡化的傳動系統模型，仿真比較了各自模型的響應特性；文獻[33]采用Matlab分析了異步風力發電機和雙饋感應風力發電機接入無窮大系統時對系統穩定性的影響，對不同風電機組的轉速、有功和無功功率、風電場出口電壓的變化情況進行了仿真。結果表明，雙饋感應風力發電機變速平穩、低電壓穿越能力較強；文獻[34]討論了風力發電系統建模思想，綜合分析了國內外在風力發電機組建模方面采用的方法及其應用的優缺點，并介紹了模型簡化方法和線性化方法。

從現有的文獻來看，基于空氣動力學的風力發電機建模技術相對比較成熟，在很多商業化仿真軟件中已有典型的風機模型模塊，例如DIgSILEN/PowerFactory、PSASP、PSCAD/EMTDC、Matlab等。在對實際系統進行分析時，可以根據研究目標和研究對象的具體情況采用詳細或簡化風機模型，在此基礎上構建風電機組并網后電力系統小干擾穩定分析模型并進行仿真研究。

3.2 風電并網對系統振蕩模式和阻尼特性的影響

文獻[12]于2003年率先開展了恒速風力發電機和變速風力發電機對電力系統小干擾穩定性影響的研究，研究重點集中在系統模式分析和時域仿真方面，采用特征值分析和時域仿真分析研究風電接入對系統振蕩模式和阻尼特性的影響；文獻[13]利用電力系統綜合分析程序PSASP（power system analysis software package）的用戶自定義功能，將SCIG線性化模型與PSASP連接，通過對大容量風電場接入大規模實際電力系統的小干擾穩定特性進行分析，得出大容量風電場接入系統沒有改變系統內各大機群間原有的振蕩模式，但振蕩特性會發生變化。系統內增加了與風電場強相關的振蕩模式，這些振蕩模式具有較好的阻尼特性，而外部系統的阻尼特性隨著風電并網比例的增大呈下降趨勢；文獻[17]分析了在新西蘭電力系統中并網風電對系統阻尼特性的影響，通過對不同工況下機電振蕩模式的比較，發現不同類型風力發電機組投入對系統阻尼特性的影響不大；文獻[18]研究表明風力發電機并網容量、并網接入點和網絡阻塞程度的不同會導致大規模風電并網對系統小干擾穩定造成正面或負面影響，并通過特征值分析、概率特征值分析和時域仿真進行了驗證；文獻[19]針對挪威和北歐電力系統研究了大規模風電并網對系統阻尼特性的影響；文獻[20]分析了雙饋感應風電機組對系統小干擾穩定性的影響；文獻[11]表明恒速風電機組對系統功率振蕩有一定的阻尼作用，而變速風電機組因為變流器的作用，風電機組轉速與電力系統頻率解耦，阻尼作用因而被削弱了；文獻[21]建立了適合小干擾穩定分析的風力發電機組的數學模型，推導了考慮同步發電機勵磁調節系統動態行為的全系統狀態矩陣。采用特征值分析方法所求得的結果表明，風電并網對系統中與同步發電機強相關的振蕩模式的頻率影響不大，但當風電出力增加時，相關振蕩模式的阻尼增強，這有利于系統的小干擾穩定性。對于風電場接入受電端區域的情況，由于區域間振蕩模式阻尼特性相對差一些，就更容易發生振蕩；文獻[35]采用李雅普諾夫穩定性分析方法，將表示風力發電機數學模型的非線性方程組在其穩態運行點處線性化，得到系統狀態方程；然后，通過求解狀態矩陣的特征值，得到風機接入后系統的小干擾穩定情況。分別在單機無窮大和三機系統上仿真分析了異步風力發電機外電抗變化和風電機組出力變化對系統阻尼特性的影響，結果表明常規異步風力發電機組對系統原有振蕩模式和振蕩特性的影響很小；文獻[36]采用DIgSILENT/Power Factory進行頻域分析和時域仿真，以分析SCIG對電力系統小干擾穩定性及阻尼特性的影響，將系統頻率偏差信號引入槳距角控制系統，通過調節槳距角控制異步風力發電機組的輸出功率，這樣就使風電場輸出功率與系統功率振蕩頻率相關；文獻[37]研究了DFIG出力增加時對系統小干擾穩定性和暫態穩定性的影響，采用特征值靈敏度分析了雙饋感應風力發電機接入點的選擇問題，采用特征值分析和故障情況下的時域仿真研究了系統阻尼特性隨風機出力增加而變化的情況；文獻[38]在PSCAD/EMTDC環境下針對DFIG的小干擾穩定分析模型及其控制和轉換電路進行了時域仿真分析。

綜上所述，SCIG定子繞組直接與系統相連能夠對系統振蕩起到阻尼作用。DFIG機組僅通過定子與電力系統相連，由轉子側變頻器實現對機組輸出有功、無功的解耦控制，減小了相應振蕩模式的阻尼，不利于抑制系統振蕩。DDPMSG機組與系統間通過全功率變頻器相連，完全隔離了風電機組與系統的電氣聯系，因此與SCIG和DFIG相比，其導致的系統阻尼降低程度最為嚴重。當然，大規模電力系統區域間或區域內部的振蕩特性和阻尼情況與電力系統結構及其特性等因素有關，風電機組并網容量、并網接入點等因素也會對并網后的系統阻尼特性帶來不同影響。因此，風電場并入不同性質電力系統后需根據實際系統和風電場的具體情況進行小干擾穩定性分析。

3.3 改善風電并網系統阻尼特性的控制策略研究

風電并網后對系統阻尼特性的影響有正面的也有負面的，特別是投入大容量風電時，這種情況尤為明顯。因此，如何改善風電并網后的系統阻尼特性引起了廣泛關注。

為了改善風電接入系統后的同步穩定性，文獻[10]采用基于能量守恒的方法構造了含有風電機組的電力系統能量存儲函數，利用風機轉速變化存儲故障過程中系統的不平衡能量從而改善其接入系統的同步穩定特性；基于耗散理論構造了滿足漸近穩定條件的風電場穩定控制策略，分析了機組運行約束對控制效果的影響。研究結果表明，針對系統同步穩定所設計的控制策略不會惡化系統電壓穩定特性，變速恒頻風電機組采用所設計的控制策略不會對其他風電機組運行產生不利影響。

針對含雙饋感應風電場的一類典型混合輸電系統，文獻[39]通過分析DFIG的頻率-功率動態特性，考察其并網后對系統阻尼貢獻的性質和程度。研究表明這與勵磁控制器的參數密切相關，雙閉環PI控制器的比例系數、積分系數對DFIG的頻率-功率動態特性有顯著影響，這導致DFIG的阻尼強度甚至阻尼性質會因調節器參數變化而顯著改變。為增強含有大型風電場的電力系統的機電阻尼，文獻[40]在傳統雙閉環控制結構基礎上提出了一種雙饋感應風電機組附加阻尼控制策略的設計方法并提出了風電場動態頻率特性的概念，研究表明當風電場動態頻率特性在低頻段的相位等于180°時，風電場對其接入的電力系統產生純阻尼作用，阻尼的大小取決于低頻段幅頻特性的幅值。

傳統的PSS也逐漸被用于改善風電并網后的系統阻尼特性。文獻[41]提出將雙饋感應風力發電機轉差信號引入到轉子側變頻器控制模型中，通過改變轉子勵磁電壓的相角，調節雙饋感應風電機組與振蕩相關的輸出功率，達到使風電場能夠改善系統阻尼的目的。在DIgSILENT/Power Factory中對在雙饋感應風電機組增加PSS前后的系統進行特征值分析和系統故障時域仿真，結果表明增加了PSS控制模塊的雙饋感應風電機組能夠有效增加系統阻尼，這在一定程度上能夠抑制系統功率振蕩；文獻[42]采用特征值分析和時域仿真，研究了PSS應用到雙饋感應風力發電機時對風電并網后的系統阻尼特性改善情況，但所采用的PSS中沒有超前和滯后環節；文獻[43]采用特征值靈敏度方法設計了雙饋感應風力發電機的阻尼控制器，用以改善系統的阻尼特性；文獻[44]采用差分進化算法設計了雙饋感應風力發電機的多目標優化控制器，基于閉環矢量控制，在不同工況下對轉子側和系統側轉換器的控制器參數進行優化，最后在單機無窮大和九節點系統上驗證了所優化的控制器參數的有效性；粒子群算法也被用于優化雙饋感應風力發電機的控制器參數[45]；文獻[46]采用模糊邏輯槳距角阻尼控制來設計電力系統穩定器，以修正風機的非線性空氣動力學特性，進而改善風電并網后的系統阻尼特性。

在風電機組側加裝阻尼控制裝置是改善風電機組并網后的系統阻尼特性所普遍采用的方法，效果比較顯著。相關的研究集中于阻尼控制器設計、輸入信號選擇、阻尼控制器參數優化算法、槳距角控制算法、PSS應用等方面。

4 結論

（1）并網運行的風電機組一般采用普通籠型異步風力發電機、雙饋感應發電機和直驅永磁同步發電機。普遍認為，SCIG能夠增強系統阻尼，而DFIG則會削弱系統阻尼。事實上，風機類型、并網方式、并網接入點、并網容量比例等因素會對系統阻尼特性帶來不同影響，結果可能是正面的也可能是負面的，需要根據實際情況進行具體分析。

（2）風電并網后對系統小干擾穩定性分析的研究熱點集中在系統模式分析和時域仿真；換言之，一般通過特征值分析和時域仿真分析研究風電接入對系統振蕩模式和阻尼特性的影響。

（3）改善風電并網后系統阻尼特性的研究則主要集中在風機附加阻尼控制策略的設計方面，主要包括：阻尼控制器設計、輸入信號選擇、阻尼控制器參數優化算法、槳距角控制算法、特征值靈敏度方法、PSS應用等。

（4）研究風電并網所采用的商業化軟件主要包括：DIgSILEN/Power Factory、PSASP、PSCAD/EMTDC和MATLAB。這些軟件中大都有可供小干擾穩定分析用的典型的風電機組模型模塊。

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Survey on Impact of Wind Power on Small Signal Stability in Power System

HE Ping1，2，WEN Fu-shuan3，4，XUE Yu-sheng5，Ledwich Gerard6
（1.School of Electric Power，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China；2.College of Electric and Information engineering，Zhengzhou University of Light Industry，Zhengzhou 450002，China；3.College of Electrical Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China；4.INSIGMA Innovative Research and Development Ltd.，Hangzhou 310007，China；5.State Grid Electric Power Research Institute，Nanjing 210003，China；6.Queensland University of Technology，Brisbane 4001，Australia）

With the advancement of wind generation technology，the installed capacity of wind generation and its penetration level in a power system have been increasing in the past decade.As a result，the impacts of wind generation on stability of power system are becoming more and more significant.Under this background，the impacts of wind generation on small-signal stability in power system are systematically surveyed in this work.First，the principles and characteristics of the widely-used types of wind power generators are described，and the researches associated with the impacts of wind generation on small-signal stability in power system are clarified.Then，the impacts of wind power on oscillation and damping characteristics of power system are systematically addressed，and the problems to be studied are pointed out.Finally，some basic ideas and control strategies for improving the damping characteristics of power system with wind power integration are presented.

power system；wind power generation；wind farm integration；small-signal stability；damping characteristic；oscillation mode

TM711

A

1003-8930（2014）01-0001-07

和萍（1980—），女，博士研究生，講師，從事電力系統穩定性分析與控制方面的研究。Email：hplkz@126.com

2013-04-12；

2013-08-06

國家科技支撐計劃資助項目（2011BAA07B02）；澳大利亞國家自然科學基金資助項目（DP120101345）

文福拴（1965—），男，通信作者，博士，特聘教授，博士生導師，從事電力系統故障診斷與系統恢復、電力經濟與電力市場、智能電網與電動汽車等方面的研究。Email：fushuan. wen@gmail.com

薛禹勝（1941—），男，博士，中國工程院院士，博士生導師，從事電力系統自動化方面的研究。Email：xueyusheng@sgepri. sgcc.com.cn