大规模风电场集群并网的电力系统小扰动稳定分析

李润良　刘景霞

摘 要：由于风力资源丰富的区域远离负荷中心，致使建设大规模风电基地并集群并入电网成为了必然趋势，而大规模风电集群接入后给电力系统带来了新的不确定因素。本文针对风电场集群接入后电力系统的小扰动稳定进行研究。首先，建立风电机组动态等值模型，包括风轮机、发电机、转子轴系以及变流器模型；其次，取风速作为分群依据对风电场进行聚类分群，建立风电场动态等值模型；最后，利用典型的两区域四机系统分析风电场集群接入后的小扰动稳定性。仿真结果表明，风电场接入位置和容量均会对电力系统的小扰动稳定产生不利影响。

关键词：风电场 小扰动稳定 集群特性 电力系统

中图分类号：TM71 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）11（b）-0065-03

我国风能资源储量巨大，全国范围内来看，“三北”及华东沿海广大地区是风能储量相对集中的区域，这一有利的客观因素使得我国风电发展方式为规模化、基地化集中开发建设[1]。如此大规模的风电场并入传统电力网，在为电网输入可再生能源的同时，也给传统电力系统的安全平稳运行提出了一系列亟待解决的问题，主要表现在风电场出力的不稳定性（随机性、波动性、间歇性等）[2]，对电力系统的稳定性研究提出了一个巨大的难题。本文结合风电场出力的随机性和分布的分散性，分析大规模风电场集群并网的电力系统小扰动稳定性。

1 风电机组建模

单台风力发电机组是由多个模块组成，每个模块均有自身的动态特性且各单元间互相耦合，协同配合完成整台风机的安全运行任务，接下来针对每个模块进行建模。

1.1 风速模型

自然风由基本风、阵风、随机风、渐变风组成，通过叠加各分量来拟合自然风速，风速模型具体见图1。

1.2 风轮机模型

1.3 发电机模型

风力发电机组在稳态运行下的磁链方程及电压方程在dp0坐标下的计算式为：

1.4 轴系模型

本文选取双质量块模型对机组传动系统建模，把风轮机与变速齿轮箱看作一质量块，发电机看作另一质量块[3]，搭建风机轴系模型如下：

2 风电场等值建模

对于风电场多机等值建模过程中机组分群依据的选取有很多种，本文选取K-means均值聚类算法进行分群，步骤如下。

（1）从样本元素中随机提取K个元素，定义成原始组的均值向量。

（2）对其他的所有元素，根据它同每个组均值向量间距离远近，将该元素归类给距离最小的组。

（3）再次算出各个新形成的K个组的均值向量。

（4）返復进行（2）～（3）步骤，直到满足算法终止要求，如均值向量不再改变，或达到迭代次数上限等。

对风电场等值参数的计算中以等值前后风电场输出功率不变为计算原则。假设风电场由N架同一型号的风电机组构成，根据上一章所述聚类方法将风电场内所有风机聚合成K组，则对应的模型等值参数计算如下：

3 仿真算例

本文采用典型的两区域四机系统分析风电场集群接入后的小扰动稳定性，将风电场分别接入两区域四机系统中的区域A和区域B分析其对电力系统小扰动稳定的影响程度。两区域四机系统的接线图如图3所示，其中具体参数见文献[4]。

风电场选取由33台1.5MW的双馈型风力发电机组组成，将实测风电场风速作为分群依据，33台等值机组被分群为4个等值机组，分群结果如图4所示。

3.1 风电场接入不同区域的功角特性

以发电机组4的功角曲线分析风电场集群接入后的小干扰稳定特性，具体如图5所示。

从图5可以看出，风电场接入区域A和B，均不同程度地降低了电力系统的小干扰稳定性，使得系统阻尼不足，对电力系统的安全稳定性影响不利。

3.2 风电场不同风速下的功角特性

仍以发电机组4的功角曲线分析风电场不同风速下的小干扰稳定特性，具体如图6所示。

从图6可以看出，风电场在大风速和小风速下，均不同程度地降低了电力系统的小干扰稳定性，使得系统阻尼变差，风速较小时小扰动下的功角波动幅度较大风速下大，其主要原因是风速较小时，风电场出力小的原因导致的。

4 结语

建立双馈型风力发电机组模型，通过K-means均值聚类算法将大规模风电场的风电机组进行分群等值建模，极大地提高了风电场接入电网的小扰动稳定计算速度，根据分群后的等值模型，结合典型的两区域四机系统仿真算例，分析了大规模风电场集群接入后的小扰动稳定特性，仿真结果表明了风电场接入后会降低电力系统的小扰动稳定性，使得系统的阻尼特性变差，需做进一步的抑制研究。

参考文献

[1] 李文津，汤广福，康勇，等.基于VSC-HVDC的双馈式变速恒频风电机组启动及并网控制[J].中国电机工程学报，2014，34（12）：1864-1873.

[2] L.Trilla，O.Gomis-Bellmunt，A.Junyent-Ferre，et al.Modeling and validation of DFIG 3-MW wind turbine using field test data of balanced and unbalanced voltage sags[J].IEEE T Sustain Energ，2011，2（4）：509-519.

[3] 蒙晓航，叶林，赵永宁.永磁直驱同步风电场多机动态等值模型[J].电力系统保护与控制，2013，41（14）：25-32.

[4] Kundur.电力系统稳定与控制[M].中国电力出版社，2001.endprint