大規(guī)模風(fēng)電接入的電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性分析及其控制方法

林國(guó)森

（國(guó)電南瑞科技股份有限公司 電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制技術(shù)分公司，江蘇 南京 211106）

1 小干擾穩(wěn)定性的概述

目前，在大多數(shù)的風(fēng)電場(chǎng)電力系統(tǒng)運(yùn)行中，一般情況下小干擾會(huì)產(chǎn)生一定的振蕩，假如能夠采取有效的解決措施，則可以確保電力系統(tǒng)在經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后保持穩(wěn)定。但是小干擾的振蕩非常難控制，一旦長(zhǎng)時(shí)間出現(xiàn)幅值變化，整個(gè)系統(tǒng)將無(wú)法保持穩(wěn)定的狀態(tài)。大多數(shù)的電力系統(tǒng)在出現(xiàn)小干擾問(wèn)題時(shí)，在系統(tǒng)中的調(diào)控部件、部件連接和運(yùn)轉(zhuǎn)情況等將出現(xiàn)一定的變化[1]。對(duì)于這種情況，眾多學(xué)者從電力系統(tǒng)出現(xiàn)小干擾穩(wěn)定問(wèn)題后的穩(wěn)定性著手研究，以線性化方法為主要代表。線性化方法對(duì)于電力系統(tǒng)中小干擾穩(wěn)定問(wèn)題的分析有著明顯作用。除此之外，在系統(tǒng)振蕩問(wèn)題方面，小干擾穩(wěn)定性大致為局部位置下的模態(tài)振蕩和兩個(gè)區(qū)域之間的模態(tài)振蕩。局部模態(tài)振蕩主要是因?yàn)榘l(fā)電機(jī)和系統(tǒng)中的其他構(gòu)成發(fā)生振蕩，其中轉(zhuǎn)子擁有恒大的慣性常數(shù)，通常振蕩頻率為1～2 Hz。而在各區(qū)域間進(jìn)行模態(tài)振蕩，大多發(fā)生在2臺(tái)及多臺(tái)發(fā)電機(jī)中，在不同區(qū)域中不同發(fā)電機(jī)的慣性常數(shù)存在一定的不同，并且振蕩頻率多數(shù)情況是保持在較為穩(wěn)定的數(shù)值。因此，不管是哪種振蕩情況其形成的原因都可以判定為在阻尼狀態(tài)下由電力系統(tǒng)自己產(chǎn)生的功率震蕩、擾動(dòng)狀態(tài)下受到弱阻尼影響后，功率振蕩無(wú)法穩(wěn)定下來(lái)，在振動(dòng)作用下功率上的各項(xiàng)波動(dòng)保持同樣的頻率，假若此時(shí)是因?yàn)樽枘彷^弱，那么功率波動(dòng)就會(huì)逐漸提高，從而引發(fā)功率振蕩[2]。因此在實(shí)際的分析研究過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)著重從各發(fā)電機(jī)組的相關(guān)參數(shù)和實(shí)際震蕩情況開(kāi)始，逐步分析阻尼的特點(diǎn)、特征以及風(fēng)電場(chǎng)對(duì)小干擾穩(wěn)定的多種影響等。同時(shí)對(duì)于電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性分析有較多的方法，如時(shí)域仿真法和小干擾分析法，而每種方法都存在優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)，如表1所示。

表1 電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性分析

2 在簡(jiǎn)單發(fā)電系統(tǒng)中小干擾穩(wěn)定性的表現(xiàn)

2.1 小干擾穩(wěn)定在非同步發(fā)電系統(tǒng)中的表現(xiàn)

對(duì)于非同步發(fā)電機(jī)的應(yīng)用，在以往的研究過(guò)程中，多以狀態(tài)方程進(jìn)行模型的構(gòu)建。如三相非同步發(fā)電機(jī)，其中的轉(zhuǎn)子和定子繞組分別與外部的無(wú)緣電路、對(duì)稱電源保持相連狀態(tài)，定子電磁能夠?qū)⑥D(zhuǎn)子電流表現(xiàn)出來(lái)。具體而言，非同步風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中不需要接入其他的附加系統(tǒng)，只需要確保電機(jī)中電磁轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)矩等處于合理狀態(tài)，能夠使電機(jī)進(jìn)行有效運(yùn)行即可。但是需要注意該電機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程時(shí)要求進(jìn)行無(wú)功功率的吸收，因此需要在當(dāng)中安裝或設(shè)置相應(yīng)的電容器組，從而達(dá)到無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康腫3]。除此之外，還要從簡(jiǎn)單系統(tǒng)的角度出發(fā)，該類發(fā)電系統(tǒng)以升壓變壓器、無(wú)窮母線和變壓器為主要結(jié)構(gòu)，當(dāng)進(jìn)行小干擾穩(wěn)定性研究時(shí)，可以利用相應(yīng)的系統(tǒng)方程對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)、阻尼特性、振蕩頻率等進(jìn)行分析。同時(shí)注意非同步風(fēng)電機(jī)組本身可細(xì)化槳距角可調(diào)和不可調(diào)兩種，結(jié)合各種不同運(yùn)行狀態(tài)下的機(jī)組槳距角的表現(xiàn)情況對(duì)小干擾穩(wěn)定性開(kāi)展分析。

2.2 在雙饋風(fēng)電機(jī)組中小干擾穩(wěn)定的表現(xiàn)

雙饋風(fēng)電機(jī)組是變速機(jī)組的主要代表之一，而雙饋風(fēng)電機(jī)組的優(yōu)勢(shì)是在對(duì)無(wú)功交換的控制，并且可以通過(guò)控制有功功率，保證各發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。而實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)組的控制，依靠于對(duì)槳距角、轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器的有效控制[4]。分析小干擾穩(wěn)定性其中的表現(xiàn)情況時(shí)，需要完成變頻器、控制系統(tǒng)、感應(yīng)發(fā)電機(jī)等相關(guān)模型的創(chuàng)建，并在創(chuàng)建的模型上完成基礎(chǔ)的系統(tǒng)分析。

2.3 小干擾穩(wěn)定在永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中的表現(xiàn)

而在永磁同步發(fā)電系統(tǒng)中，其內(nèi)部的電磁結(jié)構(gòu)非常精細(xì)，不僅要求在模型創(chuàng)建中考慮發(fā)電機(jī)模型，還要做好變頻器、控制系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)等模型的創(chuàng)建，并在這種基礎(chǔ)情況上對(duì)簡(jiǎn)單系統(tǒng)完成分析。根據(jù)實(shí)際的研究情況可以知道，此種類型發(fā)電機(jī)組在振蕩模態(tài)方面的影響主要來(lái)源于控制系統(tǒng)、風(fēng)力機(jī)的暫停狀態(tài)以及發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速等，并且調(diào)控系統(tǒng)的參與和電壓情況會(huì)直接影響到模態(tài)的負(fù)變化。

3 隨機(jī)響應(yīng)面法的電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性分析

風(fēng)力發(fā)電屬于利用自然中的風(fēng)能進(jìn)行發(fā)電，風(fēng)力在發(fā)電過(guò)程中非常容易受到自然因素的影響，而自然因素大多存在不穩(wěn)定性、隨機(jī)性等特點(diǎn)，將風(fēng)力發(fā)電大范圍的接入到電網(wǎng)中會(huì)帶來(lái)眾多不穩(wěn)定影響因素，必將對(duì)電力系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定造成一定的影響[5]。目前對(duì)于因不穩(wěn)定因素下系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性的分析方式主要有概率分析法、解析法、點(diǎn)估計(jì)法、隨機(jī)相應(yīng)面法等。其中解析法采用的是數(shù)學(xué)假設(shè)的方法，以數(shù)學(xué)邏輯推導(dǎo)相關(guān)內(nèi)容，這種方法在使用過(guò)程時(shí)較為煩瑣；點(diǎn)估計(jì)法是以估計(jì)一種具有代表性質(zhì)的樣本，從而估計(jì)總體的類似概率統(tǒng)計(jì)的方法；而隨機(jī)響應(yīng)面法求解多項(xiàng)式系數(shù)的方式，將輸出和輸入變量聯(lián)系起來(lái)，能夠很好地處理變量隨機(jī)性問(wèn)題，也是目前運(yùn)用最多的方法。

3.1 隨機(jī)響應(yīng)面法的基理

隨機(jī)響應(yīng)面法主要是在系統(tǒng)中建立簡(jiǎn)單的輸出和輸入響應(yīng)關(guān)系，把系統(tǒng)變成所謂的黑箱，不僅大大減少了仿真的次數(shù)，還確保輸出響應(yīng)時(shí)的準(zhǔn)確性。并且隨機(jī)響應(yīng)面法的建立前提是輸出響應(yīng)和輸入響應(yīng)，都是標(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)隨機(jī)變量，但是在實(shí)際問(wèn)題中輸入變量通常是不會(huì)服從正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)的。所以需要將不正確的正態(tài)分布轉(zhuǎn)變?yōu)檎_的正態(tài)分布。

3.2 隨機(jī)響應(yīng)面法的相關(guān)流程

在使用隨機(jī)響應(yīng)面法分析小干擾穩(wěn)定性問(wèn)題時(shí)，通常會(huì)涉及到較多的數(shù)學(xué)驗(yàn)算，并在驗(yàn)算過(guò)程中需要基于線形無(wú)關(guān)原則的概率配點(diǎn)選取，有一個(gè)較為正確的流程，基于線性無(wú)關(guān)原則的概率配點(diǎn)選取法流程如圖1所示。因?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的不穩(wěn)定性和不確定性來(lái)源于自然界的風(fēng)，而自然界的風(fēng)速具有很強(qiáng)的不穩(wěn)定性，將風(fēng)速作為該方法的輸入變量，并且將特征值、阻尼比、振蕩頻率作為該方法的輸出變量，利用隨機(jī)響應(yīng)面法對(duì)系統(tǒng)中的小干擾穩(wěn)定性進(jìn)行分析和計(jì)算，如圖2所示為隨機(jī)響應(yīng)面法的小干擾穩(wěn)定性分析流程。

圖1 基于線性無(wú)關(guān)原則的概率配點(diǎn)選取法流程

圖2 SRSM的小干擾穩(wěn)定性分析流程

4 含風(fēng)電的電力系統(tǒng)小干擾失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及有功優(yōu)化調(diào)整

4.1 含風(fēng)電的電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)

按照隨機(jī)響應(yīng)面法對(duì)小干擾穩(wěn)定性的概率進(jìn)行分析，可以得到系統(tǒng)中各種震蕩模式的統(tǒng)計(jì)特征和分布曲線，雖然可以全面反映出各震蕩模式的穩(wěn)定概率，但是無(wú)法準(zhǔn)確分析出具體的風(fēng)險(xiǎn)是多少。在現(xiàn)階段的研究過(guò)程中主要是運(yùn)用較為單一的評(píng)價(jià)系統(tǒng)，確定小干擾穩(wěn)定的概率，如將震蕩模式的零點(diǎn)作為小干擾穩(wěn)定的臨界點(diǎn)，而這種評(píng)價(jià)方式?jīng)]有辦法全面分析系統(tǒng)中小干擾穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 考慮失穩(wěn)指標(biāo)的有功優(yōu)化調(diào)整

以系統(tǒng)發(fā)電成本、發(fā)電調(diào)整量和小干擾穩(wěn)定失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)最小為目標(biāo)的有功優(yōu)化調(diào)整模型，考慮系統(tǒng)阻尼比靈敏度排序，采用改進(jìn)NSGN-II算法進(jìn)行求解，求解流程如表2所示。同時(shí)在改進(jìn)后的NSGN-II算法基礎(chǔ)上考慮系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)的有功優(yōu)化調(diào)整，算法流程如圖3所示。

圖3 小干擾穩(wěn)定失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)的有功優(yōu)化調(diào)整算法流程

表2 NSGN-II算法求解流程

5 結(jié) 論

在大規(guī)模風(fēng)電接入的電力系統(tǒng)中小干擾穩(wěn)定性的分析和控制能夠有效促進(jìn)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。因此在進(jìn)行小干擾穩(wěn)定和控制分析時(shí)要結(jié)合機(jī)組實(shí)際情況與類型采用相應(yīng)的方法，有效開(kāi)展分析，及時(shí)解決機(jī)組中的振蕩問(wèn)題，為電力系統(tǒng)的正常運(yùn)作提高有力的保障。