雙饋與直驅(qū)風(fēng)電機組的小干擾穩(wěn)定性對比分析

1、雙饋與直驅(qū)風(fēng)電機組的小干擾穩(wěn)定性比照分析李培強，王繼飛，李欣然，郝元釗湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院 ，湖 南 長沙 摘 要：清 潔能源在電力系統(tǒng)中的大規(guī)模利用，使 得風(fēng)電機組在電網(wǎng)中的占比日益擴 大，其運行特性極大地影響電力系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性 本文分析了雙饋變速與直驅(qū)同步風(fēng)電機 組的結(jié)構(gòu)特點，建立了各個機組的降階數(shù)學(xué)模 型 在 此根底上，對兩 區(qū)域系統(tǒng)進(jìn)行了仿真計 算研究說明：風(fēng)電機組并網(wǎng)增加了系統(tǒng)與風(fēng)電機組強相關(guān) 的振蕩模式 ，且 有很好的阻尼特 性當(dāng)風(fēng)電機組在系統(tǒng)中容量比例提高時 ，雙饋 機組會減弱新增局部振蕩模式的阻尼 ，直 驅(qū) 機組能提高區(qū)域內(nèi)相關(guān)的局部振蕩的阻尼關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；風(fēng)力機

2、組；模態(tài)分析；小干擾穩(wěn)定中圖分類號：；文獻(xiàn)標(biāo)識碼： ， ， ，：， ， ， ， ， ：；隨著大規(guī)模電網(wǎng)的互聯(lián) ，由于 弱聯(lián)絡(luò)線等引起 的振蕩問題不容無視 伴隨著可再生能源的開發(fā)與 利用、越來越多的風(fēng)電場接入電網(wǎng)的同時 ，對風(fēng)電場 接入電力系統(tǒng)后的影響進(jìn)行分析研究成為電力系統(tǒng)急需解決的課題大 規(guī)模的風(fēng)電場接入會對原 有系統(tǒng)的振蕩模式產(chǎn)生怎樣的影響 ，阻 尼比增大還 是減小，風(fēng)電場的 接入是否利于系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定 等問題，都是需要進(jìn)行深入研究的 不同的風(fēng)電機組 收稿日期：基金工程：國家自然科學(xué)基金資助工程作者簡介 ：李 培強，男 ，山 西忻州人 ，湖南大學(xué)工學(xué)博士 ，副 教授 ，碩 士生導(dǎo)師 ，博

3、 士后通訊聯(lián)系人 ，：第 期李培強等 ：雙饋與直驅(qū)風(fēng)電機組的小干擾穩(wěn)定性比照分析 類型和容量比例對電網(wǎng)小干擾穩(wěn)定性的影響可能是 多樣的為了大規(guī)模利用風(fēng)能 ，研究這些因素對電力 系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性的影響十分必要目前，國 內(nèi)外的專家學(xué)者針對并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電 技術(shù)的 各 個 方 面 進(jìn) 行 了 許 多 有 意 義 的 研 究文 獻(xiàn)根據(jù)風(fēng)電場不同容量下的系統(tǒng)穩(wěn)定情況提出了風(fēng)電場絕對平安容量的概念 文 獻(xiàn) 概 述了目前 投入市場的各種不同類型的風(fēng)電機組 ，詳 細(xì)討論了塊、電壓控制模塊及槳距角控制模塊 風(fēng)速模塊與恒 速機組相同，減少了軸系模塊雙饋機組的機械局部 與電氣局部根本上被換流器解耦 ，換流器的控制方 式

4、決定了軸系模型所反映的機端特性 由 于換流器 的動態(tài)過程相比于發(fā)電機電磁暫態(tài)過程要快的多，因此換流器用一個理想電流源等效代替 電 流按 ， 軸分解為 與 ，分 別用于控制轉(zhuǎn)速模塊與電壓 模塊用下述方程描述 ：其不同的結(jié)構(gòu)、原理以及彼此相應(yīng)的比照 針對雙饋 ；型風(fēng)力發(fā)電機組，文 獻(xiàn) 提出了 利用暫態(tài)穩(wěn)定指 標(biāo) 與極限切除時間 共 同來評估系統(tǒng)的暫態(tài) 穩(wěn)定性文獻(xiàn)基于功角和頻率兩種穩(wěn)定判據(jù) ，提出了一個在兩種運行方式下 ，采 用 種擾動方式的 風(fēng)電場極限穿透功率計算方法 ，并 且通過仿真得到 其中 為功率轉(zhuǎn)速 特性，用 來表示一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的最大功率追蹤 發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩以及向 電網(wǎng)輸出的無功功率也

5、分別由了影響該系統(tǒng)并網(wǎng)容量的主要因素是頻率波動的結(jié) 與 決定：；論文獻(xiàn)介紹 了雙饋感應(yīng)發(fā)電機與直驅(qū)同步發(fā) 電機兩種變速風(fēng)機的數(shù)學(xué)模型 ，并 通過比擬模型對 風(fēng)速的響應(yīng)數(shù)據(jù)與實際中測量的響應(yīng)數(shù)據(jù) ，證 明了模型的可用性但 上述文獻(xiàn)都沒有針對不同類型風(fēng) 電機組對系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定進(jìn)行比照研究本文分析了 種風(fēng)電機組的數(shù)學(xué)模型，通 過強 耦合兩區(qū)域系統(tǒng)的算例 ，得出風(fēng)機并網(wǎng)后 ，增加了系 統(tǒng)的強相關(guān)的振蕩模式 ，而對系統(tǒng)阻尼特性的改變 流過換流器轉(zhuǎn)子電流的限制是通過設(shè)置有功和無功 功率限制值實現(xiàn)的換流器是短路故障時雙饋機組 中最敏感的部件，因此必須對轉(zhuǎn)速模塊與電壓模塊 加以 限 制，以 避 免 暫 態(tài)

6、過 電 流 的 影 響 方 程 如 下 所示： 不明顯當(dāng)風(fēng)電機組在系統(tǒng)中的容量提高時 ，系統(tǒng)原有的同步機組區(qū)間或局部振蕩模式改變不大 ，而 振烄 ； 蕩特性有所變化，雙饋機組穿透功 率的增加會減弱 新增局部振蕩模式的阻尼 ，直驅(qū)機 組穿透功率增加 ；烅 能提高區(qū)域內(nèi)發(fā)生的與風(fēng)電機組相關(guān)的局部振蕩的 ；阻尼 烆 風(fēng)電機組的數(shù)學(xué)模型槳距角控制模型由如下微分方程表示： 雙饋風(fēng)電機組模型雙饋異步發(fā)電機的定子繞組與電網(wǎng)直接相連，其中為槳距角起始改變設(shè)置點函數(shù) 槳 距角控制轉(zhuǎn)子繞組通過一個帶有電流控制環(huán)的背靠背電壓源 換流器與電網(wǎng)相連，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子的 電氣頻率與機械 頻率解耦換流器 通過注入頻率可變的轉(zhuǎn)子電

7、流來 補償機械頻率與電氣頻率之差 如下式所示：只有在轉(zhuǎn)速超過同步轉(zhuǎn)速時才開始起作用 為槳距角控制時間常數(shù) 直驅(qū)風(fēng)電機組模型直驅(qū)同步機組的換流器與定子繞組相連，因 此描述換 流 器 的 電 流 源 電 流 分 別 為 ： ， 與 用 于 其中為定 子 輸 出 頻 率； 為 發(fā) 電 機 極 對 數(shù)； 為 轉(zhuǎn)子機械頻率；為轉(zhuǎn)子電流頻率通過控制轉(zhuǎn)子的 轉(zhuǎn)速控制，無功控制以及電壓控制 ，其控制方程為：烄 ；電流頻率使得定子的輸 出頻率保 持恒定，從 而實現(xiàn)風(fēng)機的變速運行與恒速機組相比，雙 饋機組增加了轉(zhuǎn)速控制模烅 ；烆 湖南大學(xué)學(xué)報自 然科學(xué)版年由此決定的電磁轉(zhuǎn)矩及無功功率為：烄 ；態(tài)變量相關(guān)的參與因子

8、之和等于 參與因子 越 大表示參與程度越高 ，找 出 最大的發(fā)電機組，就可判斷它是否與該振蕩模式強弱相關(guān) ，從 而為安裝烅 烆其中 表示永磁磁通量保 護(hù)系統(tǒng)對流過換流器的 定子電流限制如下：烄 ； ；抑制該振蕩模 式 的 電 力 系 統(tǒng) 穩(wěn) 定 器 或 其 他 控 制提供參考 強耦合系統(tǒng)的兩區(qū)域算例烅 ；烆 具體模型及其參數(shù)詳見文獻(xiàn) 模態(tài)分析與參與因子為分析風(fēng)力發(fā)電機組對電力系統(tǒng)特征 值 的 影 響，本文構(gòu)建了如圖 所示測試系統(tǒng)它由兩局部組 成，一局部是大 型強耦合系統(tǒng) ，用 無窮大母線表示， 另一局部由兩臺同步發(fā)電機組成 為了考慮不同類 型風(fēng)電機組的影響，節(jié) 點 的同步發(fā)電機分別由雙 饋機組

9、以及直驅(qū)機組代替阻抗以 為基基于系統(tǒng)線性化模型的模態(tài)分析是目前電力系統(tǒng)小信號穩(wěn)定分析中最成熟的一種方法 它 能給出 關(guān)鍵失穩(wěn)模態(tài)、參與因子等重要信息 ，從而為抑制低 頻振蕩提供理論指導(dǎo) 為確定模態(tài)與狀態(tài)向量之間 的關(guān)系，把左特征向量和右特征向量結(jié)合起來 ，確定 度量模態(tài)與狀態(tài)變量之間關(guān)聯(lián)程度的參與因子矩陣矩陣元素 為參與因子，表示第 個模式與第 個狀態(tài)變量的互相參與程度 ，即可觀性，也包含了第個狀態(tài)變量對模式 的可控性信息第個 狀態(tài)變 量對第 個特征值的參與因子可通過下式計算： 值的標(biāo)幺值表示，負(fù)荷采用恒功率模型發(fā)電機發(fā)出 功率均為 ，節(jié) 點電壓為 母 線 與母線的聯(lián)絡(luò)線阻抗為 母 線 與母

10、線， 的 聯(lián) 絡(luò) 線 阻 抗 均 為 頻 率 為 ，電壓等級為通過計算，共軛復(fù)數(shù)特征值與發(fā)電機轉(zhuǎn)子運動方 程對應(yīng)，稱為低頻振蕩模式，實部反映了低頻振蕩的衰 減特性，虛部反映了低頻振蕩的頻率，復(fù)特征值 所對應(yīng)振蕩模式的阻尼比和頻率分別為 槡 與 小擾動隨時可能發(fā)生，且當(dāng)系 統(tǒng)阻尼比擬弱 時，都有可能造成系統(tǒng)動態(tài)失穩(wěn)，通常要求系統(tǒng)正常運行下區(qū)域振蕩模式的阻尼比不小于鑒于特征向量的規(guī)格化 ，與 任何模式或任何狀圖 用于小擾動分析的各機組系統(tǒng) 雙饋機組有 個特征值， 對共 軛 特 征 值，其 頻率與阻尼 比 如 表 所 示直 驅(qū) 機 組 有 個 特 征值， 對共軛特征值，其頻率與阻尼 比 如 表 所

11、示 各系統(tǒng)特征值的分布如圖 所示第 期李培強等 ：雙饋與直驅(qū)風(fēng)電機組的小干擾穩(wěn)定性比照分析 表 雙饋機組系統(tǒng)的振蕩模式 模式特征值， 頻率 阻尼比表 直驅(qū)機組系統(tǒng)的振蕩模式 模式特征值， 頻率 阻尼比圖 各系統(tǒng)特征值分布比照圖 將雙饋機組替換母線的同步發(fā)電機后，模式與 狀態(tài)變量， 的參與因子最大，均為模式 及 的參與因子最大，分別為，即主導(dǎo)因素是同步發(fā)電機的暫態(tài)電勢 軸分 量與雙饋機組轉(zhuǎn)子電流的 軸分量 將直驅(qū)機組替換母線的同步發(fā)電機后，模式 與狀態(tài)變量， 的參與因子最大，均為模式與狀態(tài)變量 及 的 參 與 因 子 最 大，分 別 為，即主導(dǎo) 因素是直驅(qū)機組換流器 電流的 軸分量 與同步發(fā)電機

12、的暫態(tài)電勢 軸 分量綜上所述，在種風(fēng)電機組接入電力系統(tǒng)后 ，增 加了與風(fēng)電機組強相關(guān)的振蕩模式 ，但 這些振蕩模 式阻尼比擬高，有很好的阻尼特性 風(fēng)電機組替代同步機組接入后，雖然改變了系統(tǒng)的振蕩模式 ，但是對 系統(tǒng)阻尼特性的改變不明顯 不同風(fēng)電機組容量對小干擾穩(wěn)定的影響為研究風(fēng)電穿透功率對系統(tǒng)特征參數(shù)的影響， 本文構(gòu)建了如圖 所示兩區(qū)域系統(tǒng)母 線 處的同 步發(fā)電機組逐 步 被 風(fēng) 電 機 組 取 代 初 始 時 個 節(jié)點發(fā)出的有功功率均為 逐 步 增 加 風(fēng) 電 機組出力，相應(yīng)減少母線處并聯(lián)同步機組的出力 ，分 析風(fēng)電功率增加對系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定的影響 風(fēng) 電機 組的出力至 ， ， 相 應(yīng)母線 處

13、的同步機組出 力 為 ， ， ，分析其振蕩模式的變化圖 兩區(qū)域系統(tǒng) 湖南大學(xué)學(xué)報自 然科學(xué)版年 雙饋機組情形表 反映了含雙饋機組系統(tǒng)的機電振蕩模式 分析參與因子，模式的最相關(guān)狀態(tài)變量 分別是 機組與 機組的與模式最相關(guān)的是 機組 與 機組的與，以上兩種模式均為局部振蕩 模 式 最相關(guān)的狀態(tài)變量是 機組與 機組的與，為區(qū)間 振蕩模式模 式 最相關(guān)的狀態(tài)變量是雙 饋機組的 ，說明該模式是 與雙饋機組相關(guān)的振蕩 模式模式與 與 同步機組的與 的相關(guān)度 較大，為新增的局部振蕩模式 表 雙饋機組系統(tǒng)的振蕩模式 功率 模式特征值， 頻率 阻尼比 表反映了增加雙饋機組出力后振蕩模式的變 化由表可知，隨著機組

14、出力的增加 ，模 式 與模式 的阻尼比稍有增加，模式 保持不變，模 式 降低 較大說明雙饋機組穿透功率的提高 ，不利于風(fēng)機所 在區(qū)域局部振蕩的阻尼 而與風(fēng)電機組相關(guān)的振蕩 模式阻尼比變化不大，頻率很低，具有良好的阻尼 特性雙饋 機 組 系 統(tǒng) 前 種模式 的 阻尼特性差異不 大與風(fēng)電機組相關(guān)的振蕩模式具有更好的阻尼比 ， 但卻出現(xiàn)了一個風(fēng)機所在區(qū)域局部振蕩的模式 ，且 隨著風(fēng)電穿透功率的增大 ，阻尼比減少較大 其原因 是，雙饋機組系統(tǒng)沒有針對小干擾穩(wěn)定的控制 ，即在 系統(tǒng)發(fā)生振蕩時，通過定子回路感 知系統(tǒng)電氣量的 變化，從而在轉(zhuǎn)子側(cè)感應(yīng)出振蕩電流 ，產(chǎn)生出阻尼轉(zhuǎn) 矩由于雙饋機組內(nèi)部電阻較小 ，

15、阻尼轉(zhuǎn)矩抑制振蕩 的能力較低，因此會導(dǎo)致系統(tǒng)阻尼降低 直驅(qū)機組情形表 反映了含直驅(qū)機組系統(tǒng)的機電振蕩模式分析參與因子，模式的最相關(guān)狀態(tài)變量 分別是 機組與 機組的與模式最相關(guān)的是 機組 與 機組的與，以上兩種模式均為局部振蕩 模 式 最相關(guān)的狀態(tài)變量是 機組與 機組的與 ，為 區(qū) 間 振 蕩 模 式以上與前兩種 機 組 系 統(tǒng) 相 同 模式最相關(guān)的狀態(tài)變量是 機組的，與直驅(qū)機組的 ，說明該模式是同步 機組與直驅(qū)機組相關(guān)的局部振蕩模式表 直驅(qū)機組系統(tǒng)的振蕩模式 功率 模式特征值， 頻率 阻尼比 分析與討論風(fēng)電機組 在系統(tǒng)中容量的提高 ，對 系統(tǒng)原有 的區(qū)間 或 局 部 振 蕩 模 式 改 變 不

16、 大 ，振 蕩 特 性 有 所 變化雙饋機組 由于發(fā)電機內(nèi)部轉(zhuǎn)子電阻較小 ，阻 尼轉(zhuǎn)矩抑制振蕩能力有限 ，會導(dǎo)致增加一個風(fēng)機所 在區(qū)域的局部振蕩模式 ，其穿透功率的增加會減弱 此局部振蕩模式的阻尼直驅(qū)機組的發(fā)電機由于通過電力電子變流器 與電力系統(tǒng)完全解耦 ，換流器控制轉(zhuǎn)速和電氣功率 ， 隨著穿透功率的增加能提高區(qū)域內(nèi)發(fā)生的與風(fēng)電機 組相關(guān)的局部振蕩的阻尼雙饋機組系統(tǒng)都增加了與風(fēng)電場強相關(guān)的振 蕩模式，但這些振蕩模式具有較好的阻尼特性 結(jié)語本文分析了兩種風(fēng)電機組的數(shù)學(xué)模型，通 過強 耦合兩區(qū)域系統(tǒng)的算例 ，得出風(fēng)機并網(wǎng)后，增加了系 統(tǒng)的強相關(guān)的振蕩模式 ，且有很好的阻尼特性，而對 系統(tǒng)阻尼特性的

17、改變不明顯 當(dāng)風(fēng)電機組在系統(tǒng)中 的容量提高時，對 系統(tǒng)原有的同步機組區(qū)間或局部 振蕩模式改變不大 ，而振蕩特性有所變化雙饋機組第 期李培強等 ：雙饋與直驅(qū)風(fēng)電機組的小干擾穩(wěn)定性比照分析 穿透功率的增加會減弱新增局部振蕩模式的阻尼， 直驅(qū)機組穿透功率增加能提高區(qū)域內(nèi)發(fā)生的與風(fēng)電 機組相關(guān)的局部振蕩的阻尼參考文獻(xiàn) 王忱 ，石 立寶 ，姚 良忠 ，等 大 規(guī) 模雙饋型風(fēng)電場的小干擾穩(wěn)定 分析中國電機工程學(xué)報 ，： ， ， ，： 張寶群 ，張 伯明 ，吳 文 傳基于小干擾穩(wěn)定的雙饋感應(yīng)電機電 磁模型降階分析 電力系統(tǒng)自動化 ， ： ， ， ，： 楊濤 ，鄭 濤 ，遲 永寧 ，等 大規(guī)模風(fēng)電外送對電力系統(tǒng)小 干 擾穩(wěn) 定性影響中 國電力 ， ： ， ， ，： ， ， ，： 馬幼捷 ，張 繼東 ，周 雪松 ，等 基于分岔理論的含風(fēng)電場電 力 系 統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定問題研究電 網(wǎng)技術(shù) ， ， ： ， ， ， ， ： 洪蘆誠 ，石 立寶 ，姚 良忠 ，等 計及風(fēng)電場發(fā)電功率不確定 性 的 電力系統(tǒng)模糊 潮 流 電 工 技 術(shù) 學(xué) 報 ，： ， ， ， ， ： 陳功貴 ，李 智歡 ，陳 金富 ，等 含風(fēng)電場電力系統(tǒng)