大規模風電并網對系統暫態穩定性的影響分析

高海濤

（新疆水利水電（高級技工）學校，新疆 烏魯木齊830000）

在現代化背景下，電能憑借其優異的轉化能力與傳輸效果而成為社會必需能源，風力發電具有可再生、無污染優勢，在可持續發展理念指導下，風電項目受重視程度逐漸提升。據國家能源局發布的全國電力工業統計數據顯示，2020 年新增電源裝機總量19087 萬千瓦，其中風電并網裝機7167 萬千瓦，遠超2019 年風電新增并網裝機2574 萬千瓦，由此可見，風電并網在電力行業中的地位。

1 大規模風電并網環境下系統暫態穩定性的影響因素

1.1 風電機組類型

處于同一風電系統的不同類型風電機組可對系統暫態產生一定干擾，降低其穩定性，風電機組在系統內的初始潮流相等，但數學模型不同，所呈現出的數據動態存在差異，恒速異步風電機（CSWT）對系統的調節效果較差，而雙饋感應電機（DFIG）與直驅同步風機（DDSG）可實現有功功率、電壓、槳距角調節，系統控制過程可對風電系統暫態造成一定波動，并產生電氣阻尼，因此若風機數據參數設置不合理則會進一步降低系統暫態穩定性。設定風電并網系統基準容量、火電機組額定有功、額定電壓、機端電壓分別為100MVA、00MW、20kV，并設定系統機械阻尼為0，電壓220kV，系統內線路電抗為0.1p.u.，同時設置50 臺2MW 機組構成風電機組，潮流計算時風電功率因數為1.0[1]。借助仿真實驗了解CSWT、DFIG、DDSG 三種不同類型的風電機組對系統暫態穩定性的影響，仿真實驗時間為5s，具體實驗結果如圖1 所示，CSWT 機組并網后，系統同步機穩定性較好，波動程度最小，而DDSG、DFIG 機組并網時，系統暫態穩定性嚴重下降，由此可見，不同機組類型對系統暫態穩定性具有不同反映。計算震蕩阻尼比可得，CSWT、DFIG、DDSG 并網后振蕩阻尼比分別為0.1361、-0.0014、-0.0009，DFIG、DDSG 機組并入系統后存在負阻尼，使系統暫態穩定性有所降低，而CSWT 振蕩阻尼比為正數，可在一定程度上提高系統暫態穩定性。

圖1 CSWT、DFIG、DDSG 并網后同步機功角變化

1.2 風電接入位置

設定風電系統存在bus（1～4）四個接口，發電機到無窮大系統的電抗、發電機到bus2 接入位置的電抗、風電接入位置到無窮大系統的電抗分別為X∑、X1、X2，三者存在以下關系：X∑=X1+X2，設定風電機組為負阻抗（Xwind），在星角變換公式應用下可得系統等值電抗為：

由式（1）可知，當X1、X2數值相等時，X 取值最小，此時風電系統同步機存在輸送功率最大值，公式為：

式（3）中，P0為風電系統同步機電磁功率。同步機電磁功率與機械功率數值近似相等，根據式（2）、式（3）可知，同步機靜穩裕度隨著輸送功率的增加而增加，此時風電系統受到大規模并網的影響較小，阻尼越大，則風險越小，系統暫態穩定性提高。

1.3 風電滲透率

風電滲透率可決定風電系統初始潮流，繼而對系統同步機靜穩裕度造成干擾，根據特征根分析法來看，系統初始潮流變化可引起狀態矩陣變化，繼而干擾系統穩定性，CSWT 可產生正阻尼比，可抑制同步機功角變化，因此，若CSWT 滲透率增高，則風電機組阻尼比增大，繼而起到提高系統暫態穩定性的作用。表1為不同風電滲透率下的風電系統振蕩阻尼比，由表1 可知，CSWT 機組系統振蕩阻尼比隨著風電滲透率的增高而增高，而DDSG 的負阻尼表現為降低，DFIG 的振蕩阻尼比并非呈現出線性關系。在此算例中可知，風電滲透率可提高系統負載率，DFIG機組并網系統的穩定性可能同時受風電滲透率與系統負載率的影響，而CSWT、DDSG 機組隨著風電滲透率的提升而系統逐漸穩定。

1.4 風電負載率

不同風電機組動態可導致系統同步機功角產生波動，不同風電滲透率導致系統負載率產生變化，而風電機組在不同系統負載條件下的動態行為亦存在差異。CSWT 機組無法調節槳距角，因此CSWT 類型機組系統的負載率取決于風速變化，而DFIG、DDSG 機組具有可調節功能，可通過改變機組槳距角調節風功率利用率，繼而改變風電系統機械功率與負載率。為更好地分析風電負載率對系統暫態穩定性的影響，由于CSWT 機組無法自主調節系統負載率，本次影響因素實驗僅圍繞DFIG 與DDSG 并網系統展開。將DFIG 兩個并網系統設置的相等初始潮流，依次保障系統內同步機在同一運行點展開變化，在此基礎上設定A 與B 兩種情況，情況A 條件下，將構成風電機組的50臺2MW DFIG 設定為滿發，此時風電系統負載率為100%，且風電發出功率為100MW，功率因數為1.0；情況B 條件下，將原50臺2MW DFIG 改為100 臺，此時設定風電系統發出功率為100MW，但系統負載率為50%，此時風電功率因數仍為1.0，當，同步機機械阻尼為0 時系統失衡，因此本次分析中，設定同步機機械阻尼為0.3p.u.，在特征根分析法應用下得出，情況A 條件下，風電機組的振蕩阻尼比為0.0008，情況B 條件下的風電機組振蕩阻尼比為0.0012，由此可見，若以DFIG 為風電機組構成系統，則可通過降低系統負載率調節系統阻尼，并提高系統暫態穩定[2]。針對DDSG 機組并網系統展開分析時，為防止系統失衡，將系統同步機機阻尼設定為0.3p.u.，與DFIG 并網實驗類似，設定情況C 與情況D，在情況C 條件下，將50 臺2MW DDSG 設定為滿發狀態，風電系統發出功率為100MW，系統負載率為100%，此時風電功率因數為1.0；情況D 條件下，將100臺2MW DDSG 機組構建為風電系統，滿發為200MW，設定發出功率100MW，此時系統負載率50%，風電功率因數為1.0，根據特征根展開分析，由DDSG 構成的并網系統在情況C 與情況D條件下振蕩阻尼比均為0.0018。由此可知，DDSG 并網系統并不會受到風電負載率的變化而產生暫態穩定性變化，因此，風電負載率僅可對DFIG 并網系統造成影響。

表1 不同風電滲透率下的風電系統振蕩阻尼比

2 系統暫態穩定性在大規模風電并網環境下的控制策略

2.1 系統故障分析

當風電系統發生故障時，故障期間系統機械功率隨著風電系統的電壓降低而降低，因此為提高風電系統暫態穩定性，可提高系統機端電壓數值，以此減緩暫態期間機械功率的降低程度，繼而保障風電系統在故障期間的穩定性，實現暫態穩定控制。當故障消除后，由于機械功率降低程度被減緩，因此風電系統暫態可實現快速恢復，通過提升系統機械功率增強暫態穩定性。風電系統內風機機組也可在一定程度上影響系統機械功率，因此可在故障處理過程中，在原風機機組系統內增加DFIG雙饋感應機組，以此調節風電系統機械功率，降低風電系統暫態過程中的機械功率，緩解故障對風電系統的影響，繼而達到提高系統暫態穩定性的作用。

2.2 應用同步無功補償

在暫態穩定性控制過程中，可借助靜止同步補償器（SVG）在風電系統內實現無功補償，SVG 可運用瞬時無功補償原理與全控型開關器件構成自換相逆變器，輔以小容量儲能元件，構成與風電設備相匹配的無功補償裝置，電流型SVG 效果較差，因此在控制系統暫態穩定時，需采用電壓型SVG，SVG 在直流側儲能電容輔助下可根據系統情況通斷開關，將系統直流側電壓轉變為同頻率交流電壓，以此形成相位可控的系統電壓源，圖2 為SVG 結構示意圖，在SVG 應用下可實現系統無功補償，繼而提高暫態穩定性[3]。

圖2 SVG 結構示意圖

結合SVG 工作原理來看，SVG 工作過程中所吸收的有功功率有限，以無功功率為主，當SVG 輸出電壓大于風電并網電壓時，SVG 則起到調節電容量的作用，但若SVG 輸出電壓小于風電并網電壓，則發揮出可調電感器的效果，若SVG 輸出電壓與風電并網電壓等量，則在風電系統內不存在無功交換現象，由此不難看出，在風電系統內應用靜止同步補償器（SVG）可起到調節系統網側電壓大小的作用，通過調節SVG 無功功率正負實現無功補償，繼而借助SVG 完成風電系統的電壓快速調節，加大對風電系統暫態穩定性的控制。

2.3 SVG 暫態控制驗證

為進一步了解SVG 對風電系統暫態穩定性的控制效果，采用仿真實驗的方式進行驗證。本次仿真實驗中采用包括3 機9節點的風電機組，并于母線處并入風電系統，在PSASP 仿真平臺應用下完成數據建模，設定兩種實驗環境，其中一次仿真實驗中并未開啟SVG 設備，用以作為對照，而另一仿真實驗借助SVG 進行風電系統調節。經過SVG 暫態控制驗證后發現，具有SVG 結構的風電系統面對故障暫態時，風電場功角波動程度遠小于不使用SVG 結構的風電系統功角波動。由此可見，SVG 結構對風電系統暫態穩定性具有較強的控制效果，此外在仿真實驗過程中，在SVG 結構無功補償效果下發生故障時，系統電壓所受干擾較小，且可在故障結束后快速恢復到正常狀態。總而言之，運用SVG 結構對風電系統母線展開無功補償穩定性控制效果顯著，可極大提高風電系統暫態穩定性[4]。

結束語

綜上所述，為提高風電系統暫態穩定性，應從風電機組類型、風電接入位置、風電滲透率、風電負載率等方面了解風電并網對系統暫態穩定性的影響，并結合大規模風電并網形勢針對常見系統故障進行分析，運用SVG 結構進行無功補償，為進一步了解系統暫態穩定性控制，依托SVG 結構展開控制仿真驗證工作。