双馈与直驱风电机组的小干扰稳定性对比分析

李培强　王继飞　李欣然　郝元钊

摘要：清洁能源在电力系统中的大规模利用，使得风电机组在电网中的占比日益扩大，其运行特性极大地影响电力系统的运行稳定性.本文分析了双馈变速与直驱同步风电机组的结构特点，建立了各个机组的降阶数学模型.在此基础上，对两区域系统进行了仿真计算.研究表明：风电机组并网增加了系统与风电机组强相关的振荡模式，且有很好的阻尼特性.当风电机组在系统中容量比例提高时，双馈机组会减弱新增局部振荡模式的阻尼，直驱机组能提高区域内相关的局部振荡的阻尼.

关键词：电力系统；风力机组；模态分析；小干扰稳定

中图分类号：TM761；TM712 文献标识码：A

随着大规模电网的互联，由于弱联络线等引起的振荡问题不容忽视.伴随着可再生能源的开发与利用、越来越多的风电场接入电网的同时，对风电场接入电力系统后的影响进行分析研究成为电力系统急需解决的课题[1-9].大规模的风电场接入会对原有系统的振荡模式产生怎样的影响，阻尼比增大还是减小，风电场的接入是否利于系统的小干扰稳定等问题，都是需要进行深入研究的.不同的风电机组类型和容量比例对电网小干扰稳定性的影响可能是多样的.为了大规模利用风能，研究这些因素对电力系统静态稳定性的影响十分必要.

目前，国内外的专家学者针对并网型风力发电技术的各个方面进行了许多有意义的研究.文献[10]根据风电场不同容量下的系统稳定情况提出了风电场绝对安全容量的概念.文献[11]概述了目前投入市场的各种不同类型的风电机组，详细讨论了其不同的结构、原理以及彼此相应的对比.针对双馈型风力发电机组，文献[12]提出了利用暂态稳定指标η与极限切除时间CCT共同来评估系统的暂态稳定性.文献[13]基于功角和频率两种稳定判据，提出了一个在两种运行方式下，采用3种扰动方式的风电场极限穿透功率计算方法，并且通过仿真得到了影响该系统并网容量的主要因素是频率波动的结论.文献[14]介绍了双馈感应发电机与直驱同步发电机两种变速风机的数学模型，并通过比较模型对风速的响应数据与实际中测量的响应数据，证明了模型的可用性.但上述文献都没有针对不同类型风电机组对系统的小干扰稳定进行对比研究.

本文分析了2种风电机组的数学模型，通过强耦合两区域系统的算例，得出风机并网后，增加了系统的强相关的振荡模式，而对系统阻尼特性的改变不明显.当风电机组在系统中的容量提高时，系统原有的同步机组区间或局部振荡模式改变不大，而振荡特性有所变化，双馈机组穿透功率的增加会减弱新增局部振荡模式的阻尼，直驱机组穿透功率增加能提高区域内发生的与风电机组相关的局部振荡的阻尼.

1风电机组的数学模型

1.1双馈风电机组模型

3强耦合系统的两区域算例

为分析风力发电机组对电力系统特征值的影响，本文构建了如图1所示测试系统.它由两部分组成，一部分是大型强耦合系统，用无穷大母线表示，另一部分由两台同步发电机组成.为了考虑不同类型风电机组的影响，节点3的同步发电机分别由双馈机组以及直驱机组代替.阻抗以2 500 MVA为基值的标幺值表示，负荷采用恒功率模型.发电机发出功率均为2 500 MW，节点电压为1.025p.u..母线2与母线1的联络线阻抗为0.1+j1.0.母线2与母线3，4的联络线阻抗均为0.01+j0.1.频率为50 Hz，电压等级为220 kV.

通过计算，共轭复数特征值与发电机转子运动方程对应，称为低频振荡模式，实部反映了低频振荡的衰减特性，虚部反映了低频振荡的频率，复特征值σ±jω所对应振荡模式的阻尼比和频率分别为-σ/σ2+ω2与ω/2π.小扰动随时可能发生，且当系统阻尼比较弱时，都有可能造成系统动态失稳，通常要求系统正常运行下区域振荡模式的阻尼比不小于0.04.

4.3分析与讨论

1）风电机组在系统中容量的提高，对系统原有的区间或局部振荡模式改变不大，振荡特性有所变化.

2）双馈机组由于发电机内部转子电阻较小，阻尼转矩抑制振荡能力有限，会导致增加一个风机所在区域的局部振荡模式，其穿透功率的增加会减弱此局部振荡模式的阻尼.

3）直驱机组的发电机由于通过电力电子变流器与电力系统完全解耦，换流器控制转速和电气功率，随着穿透功率的增加能提高区域内发生的与风电机组相关的局部振荡的阻尼.

4）双馈机组系统都增加了与风电场强相关的振荡模式，但这些振荡模式具有较好的阻尼特性.

5结语

本文分析了两种风电机组的数学模型，通过强耦合两区域系统的算例，得出风机并网后，增加了系统的强相关的振荡模式，且有很好的阻尼特性，而对系统阻尼特性的改变不明显.当风电机组在系统中的容量提高时，对系统原有的同步机组区间或局部振荡模式改变不大，而振荡特性有所变化.双馈机组穿透功率的增加会减弱新增局部振荡模式的阻尼，直驱机组穿透功率增加能提高区域内发生的与风电机组相关的局部振荡的阻尼.

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