大规模双馈风机接入对电网暂态电压的影响

周 云，巴 宇，马海薇，马海涛，赵肖旭，吴 林，张 佳

(国网江苏省电力有限公司镇江供电分公司，江苏 镇江 212000)

0 引言

交流励磁双馈电机变速恒频风力发电技术是目前最具前景的风力发电技术之一。双馈风机(doubly fed induction generator，DFIG)的工作原理与传统发电机有本质区别。随着风电装机容量的不断增长，研究DFIG 对电力系统暂态电压安全水平的影响显得非常迫切[1-4]。

调节电网中的无功功率是一种改善节点电压的有效方式，双馈式风电机组因其具有解耦控制性能，能够在稳定电网电压和补偿无功方面发挥一定的作用[5]。保证电网的安全经济运行是电网调度面临的一大课题，利用DFIG 风电机组补偿局部电网的无功功率，实现电网精益化调度，提高新能源消纳水平。通过减少机组出力、联络线功率，转子侧变流器暂态功角控制，等效故障电源等新视角分析DFIG，以进一步提高电网暂态安全裕度，推进风机并网的发展。

1 含风机电力系统无功电压特性分析

DFIG在网侧变流器与转子侧变流器的控制下，通过控制异步电机转子d，q 轴电流，实现有功功率与无功功率的解耦控制，机组具备一定的无功功率调节能力。在稳态运行时，基于DFIG 的风电场可以实现与主网系统之间无功功率交换为零的运行状态，甚至可以向主网系统提供一定的无功功率。因此，正常运行时含双馈型异步风机的电力系统能够维持较好的电压水平，对区域电网的电压稳定及静态电压水平有积极作用。含风机电力系统等效原理如图1 所示。

图1 含风机电力系统等效原理

由式(4)可以看出，电网发生故障时，系统中的电压Ut会跌落，此时风电场发出的无功功率可以通过连接风电场的等效电抗给系统注入一定的无功功率，对系统中的电压Ut提供支撑，节点电压被无功功率支撑的强度随着注入系统中无功功率的增加而变强。

从系统中无功功率平衡的角度出发，暂态过程中风电机组能够提供的暂态无功功率能够有效弥补系统的短时无功缺额，有效提高暂态电压安全裕度。无功功率平衡表达式为：

电力系统中节点电压的稳定水平主要取决于系统中无功功率水平，在电力系统暂态过程中，充分利用无功动态补偿提供电压支持，是改善电力系统稳定性的重要手段。

2 风电接入点电压支撑规律分析

双馈异步发电机发出的无功功率由转子电流控制，发出或者吸收的无功功率可以在大范围内变化，也可通过配置能量存储设备增强DFIG 低电压穿越能力。假设风机均具备低电压穿越能力，在电网发生故障情况下，保持机组并网运行可以提升故障切除后系统中节点电压的恢复速度，含双馈异步发电机并网稳态等效电路如图2 所示。

图2 含双馈异步发电机并网稳态等效电路

双馈发电机结构与绕线转子感应电动机相似，定、转子均为三相对称绕组，磁路、电路对称，均匀气隙分布。经过折算后，得到双馈发电机基本方程为:

由上式可以看出，风机并网点电压与风电场输出电流、短路阻抗及故障点距离风电场的电气距离相关，当风电场输出的电流越大，故障点距离风电场的电气距离越大或短路阻抗越大，对暂态期间并网点电压的支撑作用越强。随着风电渗透率的增加，风电场外送电流必然会增大，因此，理论上对并网点电压的支撑作用也越强。

3 仿真实验

3.1 仿真条件

为了证实该方法的有效性，采用新英格兰39节点系统进行仿真验证，如表1，图3 所示。在BPA 环境下搭建含大规模风电集中接入的新英格兰39 节点系统。仿真采用的双馈风机模型控制方式为恒电压控制。考虑三相接地短路故障发生在节点m (m=5，23，28)和k (k=8，24，29)之间线路的50 %处(见图3)，故障时长为5 周波，DFIG风电机组接入点为39 号节点。利用暂态期间风机并网点电压的最小值判断暂态稳定安全裕度变化。

表1 新英格兰39 节点系统发电机出力

图3 新英格兰39 节点系统结构仿真

3.2 渗透率对暂态电压安全的影响

暂态电压稳定因子(transient voltage stability index，TVSI)为暂态期间电压最小值与稳态时电压值的比值。TVSI 能够表征含风电机组电力系统在发生故障的情况下，风电机组对系统电压的支撑效果，该值越大，说明DFIG 风电机组对电压支撑效果越好，系统在故障切除后恢复稳定运行的速度越快。

从表2 中可以看出，仿真采用无风机接入、渗透率10 %风机接入、渗透率20 %风机接入三种情况进行计算。在稳态情况下，DFIG 风电机组并网点电压标幺值均为1.03，在发生故障的暂态过程中，DFIG 风电机组并网点电压随着渗透率的提高而上升，即TVSI 值随着渗透率的提高而增大。

表2 不同渗透率下暂态电压稳定因子

3.3 考虑电气距离的暂态电压安全

考虑常规渗透率下故障点距离风机接入点的电气距离对暂态安全裕度的影响，公共连接点(point of common coupling，PCC)选取节点39，故障发生地点分别为节点8，节点24，节点29。从表3中可以看出，节点8，节点24，节点29 距离风机并网节点39 的电气距离呈递增趋势，其标幺值分别为0.002 5，0.014 6，0.082 9。

表3 故障点距离风机接入点的电气距离

从仿真系统中不同电气距离下暂态电压变化可知，随着故障发生地点距离DFIG 风电机组并网点电气距离的增加，DFIG 风电机组并网点电压在暂态过程中有被抬高的趋势。从系统中无功功率平衡的角度出发，暂态过程中风电机组能够提供的暂态无功功率能够有效弥补系统的短时无功缺额，有效提高暂态电压安全裕度。

4 结论

采用稳态电路模型，根据暂态过程中风电机组的恒电压控制策略，推导双馈风机接入新英格兰 39 节点系统的暂态电压安全裕度机理。

(1) 在分析双馈风机接入系统对电网暂态电压安全裕度影响时，应当满足条件：双馈风机采用恒电压控制方式；双馈风机具有良好的低电压穿越特性，可认为在故障期间和故障清除后将双馈风机作为系统无功功率源。

(2) 双馈风机接入双机系统后，电力系统暂态电压安全裕度的水平与故障点距离风机接入点的电气距离、风电渗透率等因素有关，在一定条件下可以根据判断规则，讨论风电接入对系统暂态电压安全裕度的影响，对电网规划、风电机组并网运行、电网调度控制具有一定的指导作用。