風火打捆系統暫態穩定性研究

孟亞男，戚坤基，李秋晨，劉驍眸，陳 鵬

(1．中國能源建設集團遼寧電力勘測設計院有限公司，沈陽 110000;2．國網遼寧省電力有限公司檢修分公司，沈陽 110000)

由于風能具有隨機性、間歇性和不確定性等特點，風電單獨遠距離輸送會威脅電網的穩定運行［1-3］。采用風電與近區火電以“打捆”的方式混合外送，不僅可滿足傳統能源和可再生能源大規模外送的基本要求，而且還有充分利用輸電通道，降低輸電價格和落地電價，是較為理想的輸電模式。我國“三北”地區蘊含豐富的風能和煤炭資源，而此地區煤炭儲量豐富，火力發電較為集中，存在重疊，這為風火打捆提供了現實可能［4］。但是，風火打捆能源基地處于電網末端，網架結構相對薄弱，風火打捆交流外送系統投入運行后易導致系統運行在接近極限的狀態，降低系統暫態穩定裕度［5-6］;而且，近電氣距離的風、火的互交作用，使電網的動態特性變得愈加復雜，因此，隨著風電等新興能源的大規模開發、利用及外送，深入研究風火打捆外送系統的暫態穩定特性，變得尤為迫切［7-8］。

雙饋風力發電機(以下簡稱雙饋風機)憑借著其功率的控制靈活、運行范圍較大且風能利用率較高等特點，受到風電廠商和風電場越來越多的關注，已成為風力發電機的主流機型［9-10］。由于雙饋風機對外不體現轉動慣量，其機械系統與電氣系統之間柔性連接，沒有功角穩定問題，但會對與之打捆的火電同步機組帶來影響。本文將以雙饋風機為例，分析有功無功的解耦運行和故障期間的暫態特性，并以此為基礎分析雙饋風機接入對同步發電機功角穩定的問題的影響。

1 雙饋風機工作機理分析

雙饋風機以普通的繞線式異步電機為基礎，外加了連接在轉子滑環和定子之間的變流器及控制系統。雙饋風機的轉子采用交流勵磁，同步磁場角速度是由轉子轉速和勵磁繞組中的交流頻率產生的旋轉磁場角速度共同決定的［11］。由于變流器的作用，雙饋風機實現了機械部分和電氣部分解耦。

1．1 雙饋風機的暫態特性

1．1．1 機械轉矩特性

雙饋風機在正常運行狀態下，工作點處于轉速轉矩特性曲線的最優點。故障時，機械轉矩大于電磁轉矩，此時運行點開始朝向轉速增加的方向進行移動，從而使得機械轉矩降低。由等面積定則可知，上述情況使得功角曲線的加速面積減小，而減速面積增大，這對系統的暫態穩定性是有利的。

1．1．2 轉子勵磁電流控制

雙饋風機的轉子轉速可以通過控制轉子勵磁電流頻率來改變。故障時，也可以通過調節轉子勵磁電流的頻率來保證功角不發生變化［12］。另外，故障中，雙饋風機可以采用類似于同步機強勵的控制策略來改善暫態穩定性，所以，雙饋風機不存在和同步發電機一樣的動力學失穩問題。

1．1．3 飛輪效應

能量守恒方面，故障中，機組將部分不平衡能量轉換為轉子旋轉動能，進而轉子加速以減緩對電網的沖擊。故障清除后，機組再逐漸將能量釋放給電網，因此風電機組的暫態特性要比同步機組好。

1．2 雙饋風機的功率特性

雙饋風機轉子側換流器采用定子磁鏈定向矢量控制，也可采用電子電壓定向矢量控制，這兩種控制方式都可以對有功和無功實現解耦控制。

變速恒頻風機并入電網運行時，通常按恒功率因數控制方式或恒電壓運行方式來考慮。

a．恒功率因數控制方式。在風速給定的情況下，通過風機的風功率特性曲線可以求得其有功功率。而對于轉子繞組，通過調節其外接電源的電壓幅值及相角，來維持風機定子側的功率因數恒定。

b．恒電壓運行方式。在恒電壓運行方式下，若系統的電壓水平較正常偏低，變速恒頻風機就提供一定的無功功率給系統，進而支撐系統的電壓。由于變速恒頻風機對無功功率是可以調節的，所以變速恒頻風機就具有調節電壓的能力，變速恒頻風機大多采用恒功率因數控制，將定子側輸出功率的功率因數保持為定值。

1．3 雙饋風機的低電壓穿越特性

雙饋風機穩態運行時，要求雙饋風機工作于恒功率因數方式，通常無功功率參考值為0。當電網短路時，根據測得的實際電壓值判斷機組運行狀態，當機組機端跌落到大于 0．2 p．u．且小于 0．9 p．u．時，雙饋風機的控制模式由穩態運行模式切換為故障穿越控制模式，對系統的動態無功功率提供支撐［13］。故障清除后，再轉換為穩態運行控制模式，雙饋風機的有功功率恢復。

1．4 雙饋風機等效外特性

通過前文論述可知，正常運行時，雙饋風機工作在恒功率因數控制方式下，電網故障期間，工作在恒電壓控制方式下，在雙饋風機控制系統的調節下，向系統注入一定容量的無功功率，故障清除后恢復為恒功率因數運行方式。

正常運行時，雙饋風機工作于恒功率因數控制方式;故障發生后，雙饋風機所提供的有功功率降低，其控制模式是故障穿越控制模式，雙饋風機會向電網提供一定的無功功率支撐電網電壓;故障切除后，雙饋風機恢復穩態運行，有功出力和無功出力恢復正常。由此可見，把雙饋風機簡化為負電阻和負電抗模型具有一定的合理性。

2 風火打捆系統暫態穩定性的影響機理

2．1 風火打捆系統

風電場其近端未與常規電站“捆綁”的系統被稱為未捆綁系統。雙饋風機與電網是柔性聯結的，轉子轉速沒有與電網頻率一致的要求，故不存在同步穩定問題。

風電場與常規電站進行“捆綁”后，再經高壓輸電線路接入到遠方大系統的系統被稱為捆綁系統。對于捆綁系統，雖然風電機組自身沒有同步穩定性問題，但對與之捆綁的傳統火電機組的同步穩定性將有較大影響。本文所提的風火打捆系統的暫態穩定性就是指同步機組的暫態穩定性。

2．2 風火打捆系統的暫態穩定分析

根據經典電力系統分析理論，單機無窮大系統的同步發電機輸出功率PEq為［13］:

式中:Eq為同步發電機內電勢;U為接收端電壓;δ12為Eq與U之間的角度;Z11和Z12分別為同步發電機自阻抗和互阻抗;α11、α12分別為同步發電機自阻抗和互阻抗相應阻抗角的余角。

2．2．1 故障前風火打捆系統暫態穩定性分析

故障前，雙饋風機運行在恒功率因數方式下，其等效外特性為一負電阻r。故障前系統等值電路見圖1，其中X1為發電機電抗與出口變壓器電抗的和，X2為線路電抗與無窮大系統變壓器電抗的和。

圖2為故障前功角特性曲線，其中P1為風機并入前功角特性曲線，P＇1為風火打捆系統的功角特性曲線。

圖1 故障前系統等值電路

圖2 故障前功角特性曲線

系統中風機所注入的有功功率越多，系統的功率極限越低，其裕度便越小，對系統功角的穩定性就越不利。

2．2．2 故障期間雙饋風機對系統的影響

故障發生后，雙饋風機實現故障穿越時有功、無功控制策略，雙饋風機可用一負電阻和一負電抗的并聯電路來表示，其系統等值電路見圖3。

圖3 故障期間系統等值電路

圖4為故障期間功角特性曲線，P2為火電機組功角特性曲線，為風火打捆系統功角特性曲線。

故障前，同步發電機運行于a點，功角為δ0，故障發生時，同步發電機運行至b點，此時由于同步發電機機械功率PT大于電磁功率P2，轉子作加速運動，當轉子運動到δc時故障被清除。由上述推導可知，故障期間由于雙饋風機的并入，功角特性曲線向右下移動，進而使得加速面積增大，由 Sabcd增至Sab＇c＇d，增量為 Sbb＇c＇c，并且風功率越大，對系統的暫態功角穩定性越不利。

2．2．3 故障清除后雙饋風電機組對系統的影響

在故障清除后，雙饋風機恢復恒功率因數控制策略，向系統提供有功功率，表示為一負電阻。此時切除一條輸電線路的線路阻抗為2X2，其等值電路圖見圖5。

圖5 故障清除后系統等值電路

故障清除后的功角特性曲線向右下移動。圖6為故障清除后功角特性曲線，P3為火電機組功角特性曲線，為風火打捆系統功角特性曲線。

圖6 故障清除后功角特性曲線

當同步發電機轉子運行到δc時，故障線路被切除，由于同步發電機機械功率PT小于故障清除后的電磁功率P3，轉子開始做減速運動，最大減速面積為Sdefg，轉子運動對應的功角為δm。由上述推導可知，風火打捆系統的功角特性曲線是向右下移的，在圖6中對應的最大減速面積為Sde＇fg＇，轉子運動對應的功角為，從圖中可以看出＞δm，即最大搖擺角變大，對系統暫態穩定性不利，而且與所發有功功率所表示的負電阻正相關。

綜上所述，風火打捆系統相對于火電系統，系統的暫態穩定性變差。

圖4 故障期間功角特性曲線

3 仿真分析

3．1 仿真條件

為了驗證上述風火打捆系統的暫態穩定性理論，在Matlab/Simulink當中構建風火打捆仿真系統(見圖7)，其中，G為火電機組，G1為火電機組或風電場，火電機組和風機打捆后經輸電線路送至無窮大系統S。仿真時間20 s，在輸電線路中段發生三相短路故障，在10 s發生故障，0．2 s后故障被切除。

圖7 風火打捆仿真系統接線示意圖

雙饋風機運行在最大功率跟蹤模式下，轉子側變流器采用定子電壓矢量定向控制方法，能夠實現恒功率因數控制，具備良好的低電壓穿越能力，模型不考慮虛擬慣量控制。

圖7中，對G1以2種情況接入系統，分別進行仿真分析:

a．情況1:火電機組G出力300 WM，火電機組G1為150 WM;

b．情況2:火電機組G出力300 WM，將G1替換為等容量的風電場。

3．2 仿真結果分析

在發生同樣的故障下，對同步機組的狀態量變化進行比較。圖8a、b、c分別給出了兩種情況的功角、有功功率和無功功率。圖中有功功率和無功功率為標幺值。

通過圖8a兩條曲線對比，可以看出，當G1為火電機組時，在故障發生后，功角發生振蕩，約2 s后功角逐漸趨于平緩。而G1為風電場，同樣在故障發生后，功角振蕩劇烈，振幅較火電機組要大，經過4 s后才趨于平緩。

圖8中b、c分別表示有功功率和無功功率曲線。對比可知，在G1為風電場的情況下，故障后同步機G的有功功率、無功功率跌落較G1為火電機組時要大，振蕩程度也較劇烈，同時所需恢復時間更長。

圖8 仿真結果

通過上述分析比較，可以得出系統中雙饋風機的并入，對打捆后的同步機組暫態穩定性有一定的影響。

4 結語

本文以雙饋風機為例，針對風火打捆系統的暫態穩定性進行了研究討論，得出以下結論。

a．本文討論了雙饋風機變流器通過采用定子電壓矢量控制實現有功和無功功率解耦的特性，以及兩種控制方式下，即恒功率因數和恒電壓控制方式下雙饋風機的功率特性。

b．對雙饋風機故障穿越控制特性和暫態輸出特性進行研究分析，得出了故障前后雙饋風機無功和有功功率注入的變化。通過對雙饋風機仿真計算，驗證了機端電壓跌落的行為。

c．將風火打捆系統中的風機在故障前后，等效為負電阻、負電抗，并驗證其合理性，為風火打捆系統的雙饋風機與同步機組之間的交互影響的研究提供理論基礎。

d．基于雙饋風機的等效外特性，結合單端送電系統對風火打捆系統的暫態功角穩定性進行了分析，得到了雙饋風機并入后系統的暫態功角穩定變差的結論，并通過仿真驗證了與理論分析的一致性。