考虑过渡电阻的风机并网对电力系统稳定性的影响

张炳达，杨俊鹏，孙杰，赵丹

(天津大学 电气与自动化工程学院，天津 300072)

考虑过渡电阻的风机并网对电力系统稳定性的影响

张炳达，杨俊鹏，孙杰，赵丹

(天津大学 电气与自动化工程学院，天津 300072)

大规模双馈风电集中接入对电网中传统同步机组暂态功角稳定有重要影响。将双馈风电机组近似等效为恒功率源，基于等面积定则分析了不同故障时段双馈风机等容量替代同步机组时同步机组暂态功角的变化，考虑了不同三相接地故障过渡电阻对同步机组功率特性的影响，据此分析了风电场并网运行时对系统暂态稳定影响的机理。理论分析表明，当过渡电阻值较小时，双馈风机接入增强了系统暂态功角稳定性，当过渡电阻值较大时，可能降低了系统暂态功角稳定性，对风机并网产生不利影响。通过PSCAD/EMTDC仿真验证了所提观点的正确性。

双馈风机；风电机组；暂态功角稳定；功率特性；过渡电阻

0 引 言

在高渗透率风电的电力系统中，风机的接入对整个系统功角稳定性有着很大的影响，这直接关系到风能外送与消纳能力。

由于双馈感应电机(doubly fed induction generator，DFIG)所需变流器容量小，能够实现有功功率、无功功率的解耦控制，在风力发电系统中得到了广泛的应用。文献[1-2]将风电场的电磁功率等值到同步发电机内节点，研究表明DFIG能够有效地参与系统的调节，减少系统的加速面积，增加减速面积，有利于系统稳定。文献[3-4]着重关注了DFIG接入后的摇摆角度，指出DFIG与传统同步机的功角摇摆曲线可能存在两类交越点，并分析了DFIG功角快变特性对系统稳定性的影响。文献[5]分析了不同类型风电场在故障期间和故障切除后的动态特性。文献[6]分析了不同的风电渗透率对系统暂态稳定性的影响。文献[7-9]利用DFIG模型不同的等效方法分析其暂态期间响应特性，指出 DFIG的影响既可能是正面也可能是负面的。文献[10]3406提出DFIG等容量替代同步机能改善功角稳定水平,但未考虑过渡电阻的影响。文献[11]研究了不同的风电接入模式对暂态稳定的影响，风电直接接入时,同步机暂态功角稳定性降低;等容量替换同步机时,同步机暂态功角稳定性提高。文献[12]进一步揭示了风机接入功率以及惯量在系统中的比重会对系统稳定性产生影响，当DFIG以等容替代同步发电机组的方式接入系统时，DFIG的暂态功率响应情况和被替代同步发电机组的功率和惯量在原系统中的比重大小将共同决定系统惯性中心功角加速度的暂态变化。

由于接地故障中的过渡电阻参与系统能量转化的过程，它将影响风机接入系统后的暂态过程。本文将DFIG等效为恒功率源，将故障过渡电阻的能量消耗考虑到电力系统功率平衡之中，以不同工况下同步机摇摆角度为指标，研究DFIG等容量替代同步机组对电力系统暂态功角稳定的影响。

1 双馈风力发电系统功率特性

双馈风力发电系统的结构如图1所示。DFIG转子侧接入背靠背换流器，可灵活控制励磁电流，进而实现输出功率的控制，同时DFIG的机械系统与电气系统之间柔性连接，本身不存在功角失稳的问题。在正常运行方式下，双馈风机能够实现最大功率跟踪。当采用定电压控制的DFIG能够满足低电压穿越要求。

图1 双馈风力发电系统结构示意图

图2为DFIG低电压穿越试验功率实测曲线，故障发生前，定子电压恒定，DFIG视为恒功率源。故障期间，DFIG有功迅速跌落，在故障清除后0.2 s即可恢复到原有有功功率。图2中：P为风电机组的实测功率与风电机组额定功率的比值。鉴于DFIG的快速恢复特性，其故障前和故障清除后的功率基本恒定，可近似等效为恒功率源[10]3402。

图2 双馈机组低电压穿越试验功率曲线(实测)

2 考虑过渡电阻的稳定水平影响分析

2.1 暂态稳定分析

系统功角失稳的本质在于扰动产生的不平衡能量。对于同步机组而言，故障期间原动机注入功率与输出电磁功率的差值定义为加速功率，加速功率在故障期间对时间的积分会转化为转子动能。当故障清除后，将电磁功率与原动机输入机械功率的差值定义为减速功率，减速功率对时间的积分则是故障清除后发电机转速降低而释放的动能转化为的电磁能。当故障前后每段积分时间确定时，系统的稳定性取决于加速功率以及减速功率的大小关系。

2.2 基于两区域系统的三相接地故障

图3 两区域系统结构示意图

考虑两种工况，工况1送端两台同步机组完全相同，并列运行；工况2将G3替换为同容量的DFIG。图3中开关K表示两种工况的切换关系。系统的稳定性可比较送端机组G2加速功率和减速功率大小关系来判定。

1)故障期间同步机加速功率。有工况1、2下送端G2机组的加速功率:

(1)

同样，受端G1机组在两种工况下的加速功率有:

(2)

(3)

整理后有:

(4)

由式(4)知故障期间受端母线电压与送端母线电压的关系满足一元二次函数，其中对称轴为K2R。一旦系统确定，K2即为常数。

(5)

故障清除后工况1的传输功率方程为:

(6)

(7)

(8)

故障清除后，风机可视作恒功率源，故工况2的传输功率方程为:

PL=P″1+P″21

(9)

(10)

(11)

3)稳定性水平综合分析

系统功角稳定水平的变化可通过比较G2加速功率与故障清除后G2减速功率大小关系来判定。由于短路故障期间同步机转子的加速过程产生的动能转化为电磁能，较稳态时出力变大，则：

(12)

(13)

(14)

3 算例分析

本文基于PSCAD/EMTDC仿真平台搭建两区域系统，如图3所示。算例系统中同步机组采用经典模型，工况1送端为600 MW火电机组和600 MW火电机组并列运行；工况2为600 MW火电机组和600 MW风电机组并列运行。搭建可以忽略线路电阻的高压输电系统，分别在送端母线出口设置三相金属性接地故障和经过渡电阻R的三相接地故障，其中分别设置R=0 Ω，5 Ω，80 Ω，1 s时刻系统发生故障，1.2 s故障清除。风机等容量接入前后同步机组有功出力以及机间功角摇摆曲线如图4-9所示。

图4 扰动后送端同步机组电磁功率曲线(R为0 Ω)

图5 扰动后G1-G2机组功角曲线(R为0 Ω)

图6 扰动后送端同步机组电磁功率曲线(R为5 Ω)

图7 扰动后G1-G2机组功角曲线(R为5 Ω)

图8 扰动后送端同步机组电磁功率曲线(R为80 Ω)

图9 扰动后G1-G2机组功角曲线(R为80 Ω)

由仿真结果明显可以看出，当过渡电阻R=0 Ω(即送端母线发生三相金属性接地故障)时，工况2下同步发电机功角小，故障清除瞬间同步机输出电磁功率大，系统稳定水平较高；当R=5 Ω(即过渡电阻值较小)时，工况2下同步发电机组的功角幅值逐渐减小且衰减加快，同步机清除瞬间能输出较大电磁功率，系统稳定水平较高；当R=80 Ω(即过渡电阻值较大)时，工况2下同步发电机组功角摇摆角度低于工况1，此时系统工况2输出电磁功率小，说明了减速功率小，系统稳定水平较差。总体来讲当过渡电阻值较小时，系统暂态功角稳定性较强，当过渡电阻值较大时，双馈风机接入可能降低了系统暂态功角稳定性，仿真结果与之前分析一致。

4 结束语

本文对双馈风力发电机组采用恒功率注入模型，研究了在不同过渡电阻下双馈风力发电机组等容量替换同步发电机组接入对电力系统功角稳定性的影响，结论如下：

双馈风电接入对系统功角的影响与接地故障的过渡电阻大小相关，近似可以认为：在三相金属性接地故障以及经小过渡电阻的三相接地故障发生概率高的系统中，双馈风电接入增强了系统的功角稳定性；在经高过渡电阻的三相接地故障发生概率高的系统中，双馈风电接入可能降低系统的功角稳定性，在电网规划期间应尽量避免在过渡电阻较大的区域接入风电场，本文为风电场选址规划提供了理论指导。

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Impact of Wind Power Integration upon Stability of Power Systems in View of Transition Resistance

Zhang Bingda, Yang Junpeng, Sun Jie, Zhao Dan

(College of Electrical and Automation Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

Large scale integration of doubly-fed induction generators (DFIG) has important influence upon stability of transient power angle of traditional synchronous generators in the power grid. In this paper, DFIG is made approximately equivalent to a constant power source. Based on the equal-area criterion, it analyzes changes of transient power angle of the synchronous generator replaced by the doubly-fed induction generator with equal volume in different fault periods, and takes into account influence of different three-phase grounding fault transition resistances upon power characteristics of the synchronous generator. On that basis, it further analyzes the mechanism of the impact upon stability of the system's transient stability during grid-connected operation of the wind farm. Theoretical analysis shows that the system's transient power angle stability is enhanced through integration of the doubly-fed induction generator when transition resistance remains low, and may possibly be reduced while the resistance is high, thus producing negative influence upon grind connection of wind turbines. The correctness of the proposed view is verified through PSCAD / EMTDC simulation.

doubly-fed induction generator (DFIG); wind turbine; transient power angle stability; power characteristics; transition resistance

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.02.017

TM712

A

1000-3886(2017)02-0056-04

张炳达(1959-)，男，江苏人，教授，博士生导师，研究方向电能质量监测与控制、变电站培训仿真、配电网络等。 杨俊鹏(1991-)，男，河北人，硕士生，研究方向为风力发电。 孙杰(1991-)，男，江苏人，硕士生，研究方向为微电网能量管理。 赵丹(1992-)，女，河北人，硕士生，研究方向为电力系统并行计算。

定稿日期: 2016-11-12