DFIG接入對電力系統低頻振蕩的抑制

劉 斌 王巧珍 周中峰

內蒙古電力（集團）有限責任公司巴彥淖爾電業局

DFIG接入對電力系統低頻振蕩的抑制

劉 斌 王巧珍 周中峰

內蒙古電力（集團）有限責任公司巴彥淖爾電業局

給出了雙饋發電機組的數學模型及含風場的電力系統靜態穩定分析方法。針對電力系統低頻振蕩信號的非線性、非平穩的特點，提出了一種希爾伯特-黃變換（Hilbert-Huang transform，HHT）的信號分析算法，并在完整的雙饋風力發電機組（doubly fed induction generation， DFIG）模型上進行仿真。結果表明，DFIG接入系統后，此方法可以對低頻振蕩的抑制研究起到一定的效果，在一定程度上提高了電力系統的安全穩定性。

現階段，風電技術不斷發展，其規模也在繼續擴大，在大容量的風電機組接入時，對電力系統的影響也十分明顯。

目前電力系統普遍實行區域互聯，在受到小的擾動下因其阻尼不足會發生頻率在0.17～2.5Hz之間的相對擺動，故稱之為低頻振蕩。此振蕩使得區域間的功率傳輸受到了限制，同時也影響系統的穩定性。

雙饋感應發電機（doubly fed induction generator，DFIG）較傳統的恒速風機可以提高風能轉換效率，在某些情況下能對電網提供無功和電壓的支持，改善風電場功率因數及電壓穩定性。目前，介于雙饋機組對小擾動穩定及低頻振蕩（Low Frequency Oscillation）特性的影響所采用的抑制方法還比較少。在本文中給出的機組模型在接入電網中可以有效提高振蕩區域之間模態的阻尼特性。

雙饋感應發電機（doubly fed induction generator，DFIG）的優勢在于通過自身的控制系統來達到恒頻率的電能輸出，此量與風速的變化無關。在文中機組接入兩區四機系統中，并在雙饋風力發電機組模型的基礎上利用HHT分析方法對接入電網的DFIG產生的振蕩信號進行分析，與傳統方法的比較中體現出了此方法的優越性。

風力發電機組動態模型

風力機數學模型

風力發電機組是由葉片、輪轂及傳動機構組成，在進行研究時需要滿足某些條件。

定子磁鏈飽和不計

在變速風機中，葉片與輪轂要可用一階的慣性系統來模擬定子磁鏈的暫態過程與定子電阻同時不計。

電機模型

發電機轉子運動方程即為風力發電機組的暫態方程，在方程中，電磁轉矩能夠反映出發電機各電氣量之間的動態關系。

HHT方法簡介

希爾伯特-黃變換（Hilbert-Huang Transform，HHT）是一種非線性、非平穩的信號處理方法，其核心部分為經驗模態分解（Empirical Mode Decomposition，EMD），通過此過程把信號分解為若干本征模態函數（Intrinsic Mode Function， IMF），然后把IMF進行Hilbert變換，得到每一個IMF隨時間變化的瞬時頻率和瞬時幅值，由此可以構建信號的Hilbert譜。

算例分析

算例采用Kunder的兩區四機系統，系統具體參數，該系統由兩個對稱區域組成，每個區域各有兩臺900MVA的發電機，區域1的有功負荷為967MW，無功負荷為100Mvar，區域2的有功負荷1767MW，無功負荷為100Mvar，采用的運行方式為區域1向區域2輸電。

雙饋風電機組運行的一個特點為其工作模式將隨風速的變換而變化，進而將出現幾種不同的運行模式。對于不同的風速，給定的葉尖速比λ，不同的槳距角對應的風能利用系數相差較大，且只有一個固定的最佳風力機的風能利用系數pC隨槳距角β的減小而增大。

在額定風速之下時，為了追蹤最大功率，槳距角趨于0度，使pC趨于最大，風輪功率輸出會達到最大；當風速在額定風速之上時，槳距角開始順槳處于關槳狀態，B值在0～45度之間變化，降低功率系數pC值，風輪會減小吸收功率，風功率會趨于額定功率。

當機組系統受到擾動后，發電機轉子發生搖擺，輸出的風輪功率信號波形在EMD分解的作用下產生本征模態函數imf，進而對振蕩信號進行分析。

對于發電機輸出功率的振蕩信號辨識的結果如下：給定初始轉速電機轉速運行在1400rpm，當風速發生突變情況，電機的轉子轉速跟隨風速的變化而變化，很快的趨于穩定狀態。

同樣在風速突變時沒有利用此方法處理，利用HHT變換處理振蕩信號得到的波形與未處理得到的波形相比，振幅與衰減時間明顯下降，同樣能夠增強系統阻尼。

結語

研究了DFIG的動態模型及穩定性的分析方法，對接入系統后能夠產生電力系統低頻振蕩（Low Frequency Oscillation）做了相關研究，提出了HHT的信號分析方法，運用此方法能夠從時域仿真信號或現場試驗信號中辨識出低頻振蕩（Low Frequency Oscillation）模態分量的瞬時幅值、瞬時頻率及阻尼比等參數。接入兩區四機系統后的仿真表明，系統的振蕩在一定程度上得到了一定的改善。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.06.045