风电接入电力系统对电网频率动态特性的影响

摘 要针对风电接入电力系统后对其稳定性的影响问题，阐述了含风电的电力系统动态仿真模型（风电机组模型包括双馈变速风电机组和恒速异步风电机组）。利用电力系统分析工具（PSAT）在新英格兰10机39节点标准测试系统下进行仿真分析了电网侧发生扰动及风电场侧发生扰动情况下（考虑接入两种不同类型风机和同种风机的不同的并网容量）风电系统的频率响应过程。仿真结果表明，电网侧发生扰动及风电场侧发生扰动情况下，两种不同风电机组以及同种风电机组下不同并网容量对系统频率的作用及影响是不同的。

【关键词】风机模型 PSAT 频率动态响应 动态仿真

频率是衡量电能质量的重要指标之一。其较小的波动就可能会降低用电设备的效率而且使其工作异常，当其波动较大时，将会给电力系统造成不利影响，甚至会发生频率稳定破坏性事故。

文献[2]分析了两处大电网（美国EI电网、中国川渝电网）在某次故障时刻的频率的动态监测结果，指出电力系统在稳态运行时，常规同步发电机组并列运行，电网中各处母线节点的频率基本保持一致，因此可视为全网统一频率。但随着电网互联和范围扩大以及各种分布式发电的大量并网，在机组跳闸、切负荷或线路故障等有功功率扰动时，频率动态过程在空间上的分布特性逐渐体现出来，各节点频率的偏移量和达到最大值的时间都不再相同。该文献主要从常规电网角度出发，以常规机组为研究对象，没有指出包含风电场群的功率波动对频率变化的时空分布特性。文献[3]认为由于电网中各发电机组在地理的的分布差异、各机组的工况不同及控制参数的差异，以及区域负荷特性的不确定，大型互联电力系统的频率动态过程呈现明显的时空分布特征。提出了一种基于观测空间的频率响应时空分布特征量化描述方法。文献[4][5][6]只谈及了风电场并网对电压的影响、风功率预测及无功补偿，未提及对频率的影响。文献[7]从不同类型的风电机组接入系统的角度揭示了风电接入与系统频率的响应特性，但没有考虑风电机组的并网容量对频率的影响。

本文建立了仿真所用的两种风电机组的数学模型，分别为恒速异步风电机组（Cswt） 和双馈感应风电机组（DFIG），使用电力系统分析软件（PSAT），结合新英格兰10机39节点标准测试系统，分别对电网侧发生扰动与风电场侧发生扰动情况下（接入不同类型风机和考虑不同并网容量）的风电系统频率响应过程进行仿真分析。

1 风力发电机组的数学模型

数学模型主要包括风速模型、风力发电机模型等环节。在PSAT应用中，描述了三种风力发电机模型：鼠笼式恒速异步风力发电机（Cswt），双馈变速风力发电机（DFIG），直驱同步风力发电机。这些模型在当今也被广泛使用，这里主要介绍本文仿真所用到的前两种风机模型。

1.1 风速数学模型

在PSAT中的风速模型有韦伯分布模型、墨西哥草帽风模型以及由恒定风速，陡风，阵风和狂风组成的复合风速模型。本文仿真所用的风速模型是网侧发生扰动情况下的恒速风力模型以及研究机侧扰动的复合风速模型，如图1所示。

1.2 风力发电机模型

1.2.1 恒速异步风电机组模型

恒速异步风机采用的是鼠笼型感应电机，鼠笼式發电机的简化电路同单鼠笼感应电动机模型一样。关于感应电动机唯一不同的是如果是注入网络则电流是正的。方程可以用真实的r轴和假设的m轴以及网络参考角公式表示。在旋转坐标系模型中，有如下关系：

（1）

功率吸收为：

（2）

bc是固定电容电导，微分方程电压超前固定阻rs：

（3）

而在电压，电流，状态变量中连接的是：

（4）

ωm转子角速度，x0，x'，T'0从发电机参数得到：

转子运动方程如下：

（5）

Ht、Hm分别为涡轮机和转子惯性，Ks为轴刚度，ωt是风力发电机的角速度，电气转矩Te被定义为：

（6）

机械转矩为：

（7）

其中pw是来自风力的机械功率，可根据空气动力学原理等效如下：

（8）

（9）

（10）

（11）

其中ρ为空气密度，ng为风机数，Sn为额度容量，R为风力机叶片半径，属于风机的固有参数；cp为风轮机的功率系数，Vw为风速；ηGB为齿轮箱传动比，λ为叶尖速比；ωt风轮机转速。

为了仿真塔影效应，一个周期转矩脉动加在Tt上，频率取决于角速度频率ωt齿轮箱转动比ηGB和叶片数nb，如下：

（12）

转矩脉动振幅被设为0.025。

1.2.2 双馈变速风电机组模型

双馈发电机组的风轮通过齿轮箱连接到双馈感应发电机，发电机通过变频器与电网连接，并实现与电网的解耦。

PSAT软件内置了5阶风机模型，其中，直轴电流、交轴电流、风速、风轮角速度、风机功角分别为5个状态变量。换流器被看作是理想电流源，其转速控制idr、电压控制iqr和桨距角控制框图分别如图2 、图3、图4所示。

2 频率动态特性

电力系统频率动态过程是指当系统受到小的 或大的扰动之后，系统有功功率平衡状态遭到破 坏，系统频率从开始振荡到恢复初始频率值或过 渡到新的稳态值所经历的过程。

2.1 频率测量模型

在PSAT中，母线频率测量是通过高通和低通滤波器的手段获得，如图5所示。微分方程组如下：

（13）

其中△ω是：

3 算例仿真

仿真中采用的系统模型为新英格兰10机39节点标准测试系统，如图6所示。endprint

3.1 仿真流程及条件

仿真流程如图7所示。

仿真条件：假设风电机组的动态行为是相同的，因为风电场采用单机等值模型，风能在某区域内变化不大，不同风机之间的电气联系紧密，对大扰动故障下的反应是相似的。两风电机组的电气参数设置如表1所示。

3.2 仿真结果及分析

3.2.1 电网扰动时系统频率动态响应特性

对电网侧发生有功扰动进行仿真分析过程中假设风速保持恒定，即用如图1所示的恒定风速模型，这就相当于风电场风轮机输入机械功率保持恒定。t=5s时，在30号母线处设置一个三相故障，持续时间为0.2s，对以下四种情况分别进行仿真：

（1）在8号母线接入恒速异步风力发电机、风电机组并网容量为80MW。

（2）在8号母线接入恒速异步风力发电机、风电机组并网容量为150MW。

（3）在8号母线接入双馈变速风力发电机、风电机组并网容量为80MW。

（4）在8号母线接入双馈变速风力发电机、风电机组并网容量为150MW。

分别观测发生相同的扰动后，且频率观测母线相同（均为1号母线）的情况下的频率动态过程。其观测结果如图8所示。

从图8中可以看出，当系统发生三相故障时，

频率会出现波动，但不同情况下频率响应过程不同。接入恒速异步风电机组，在动态过程中频率跌落的幅度要小于接入双馈风电机组情况，且并网容量对频率波动影响较小，但是接入双馈变速风电机组，其并网容量对频率波动影响较大。

在电网侧扰动时，双馈风电机接入系统所引起的频率初始变化率大于恒速风机接入，所以对频率变化敏感的负荷来说，恒速异步机相较于双馈风电机组接入系统是比较好的选择。

3.2.2 风电场发生扰动时系统频率动态响应特性

对于装机容量不大的风电场来说，风速变化引起的风机出力波动不足以改变频率的动态行为，但随着风电并网规模越来越大时，可以将风电场看作是一等值的大电源，此时，风能的变化引起的风电场出力波动就会引起系统频率波动。本文仿真中不同机组的风速都是利用如图1所示的复合模型，假设等值风电场的风速影响是相同的。同样对3.2.1的四种情况分别进行仿真，得到仿真结果如图9所示。

由图9 的结果可知，当风速从初始的恒定风速到陡风，再到阵风的过程中，风机转子从恒定到加速，风机出力随之增加，并逐渐过渡到功率恒定输出模式，风机在其桨距控制的调节下，功率不再增加，在这整个过程中，频率是随着风机出力变化而波动的，但接入不同风机系统频率波动幅度不一样，因为恒速异步风转子与电网的频率是直接耦合的，所以转子转速波动较大，进而引起的频率波动也较大；然而，双馈感应风机转子是通过解耦控制的，这就使得其转速变化对电网频率波动的影响较小。但对接入同一种风力发电机组，在给定复合风速模型下系统频率的波动又会随着装机容量的增加而增大。总之，当风电场风速突变，即扰动来自于风电场时，由双馈感应机组构成的风电场对系统频率的影响较小。

4 結论

（1）在电网侧发生扰动时，双馈风电机接入系统所引起的频率初始变化率大于恒速风机接入，恒速异步风机的接入对频率稳定起到了更大的支持作用，而双馈感应风机在其功率的解耦控制之下对频率响应并不明显。

（2）当风电场侧发生扰动时，双馈感应风机因其解耦控制，使得其转速变化对电网频率波动的影响较小，尤其在复合风速下双馈感应风电机组具有更高的优越性。但不管接入哪一种风电机组，在给定复合风速模型下系统频率的波动都会随着装机容量的增加而增大。

参考文献

[1]蔡邠.电力系统频率[M].北京：中国电力出版社，1999：21-49.

[2]王晓茹.大规模电力系统频率动态分析[J].南方电网技术，2010，l.4（01）：11-17.

[3]张恒旭，刘玉田.电力系统动态频率响应时空分布特征量化描述[J].中国电机工程学报，2009，29（07）：64-70.

[4]迟永宁，李群英，李琰.大规模风电并网引起的电力系统运行与稳定问题及对策[J].电力设备，2008，9（11）：16-19.

[5]吴雄飞.大型风电并网系统电压稳定性研究[J].电工电气，2008（08）：14-17.

[6]黄德琥，陈继军，张岚.大规模风电并网对电力系统的影响[J].广东电力，2010，32（07）：27-30.

[7]张俊，段晓田，晁勤，王厚军.含风电场的电力系统频率特性动态仿真分析[J].黑龙江电力，2012.

[8]MILANOF.Power System Analysis Toolbox Documentation for PSAT version2.1.6[R].Canada：University of Waterloo，2011.

[9]张红光，张粒子，陈树勇，等.大容量风电场接入电网的暂态稳定特性和调度对策研究[J].中国电机工程学报，2007，27（31）：45-51.

[10]伍济开，江辉，彭建春.基于同伦函数的风电系统频率稳定特征值分析[J].中国电机工程学报，2007，27（31）：103-107.

作者简介

王凤军（1986-） ，男，大学本科学历。研究方向为新能源并网、风电场功率优化、电能质量测试。

作者单位

大唐东北电力试验研究所有限公司 吉林省长春市 130015endprint