大规模双馈型风电机组接入电力系统对电网阻尼特性的影响

内蒙古电力技术2015年第33卷第6期INNERMONGOLIAELECTRICPOWERL5DOILO3969JISSN10086218201506006大规模双馈型风电机组接入电力系统对电网阻尼特性的影响柳鑫，陈字飞，刘晓华，陆可西南交通大学电气工程学院，成都610031摘要风资源丰富地区往往会建设多个风电场，且风电场所在地区远离经济中心，用电负荷较小，大量风电需外送，外送风电对电力系统尤其是风电所在区域与主网间弱阻尼的影响会比较突出。本文以东北地区某典型风电外送区域双馈型风电机组为例，通过PSDBPA平台搭建系统，采用特征值分析法研究了不同的风电穿透率及并网方式对电网阻尼特性的影响，仿真结果表明风电的接入改善了电网的阻尼特性，风电的低电压等级并网较高电压等级并网会获取更好的阻尼特性。关键词双馈型风电机组；电力系统；风电并网；小干扰稳定；振荡模式；阻尼特性；特征值分析，文献标志码B中图分类号TM712文章编号10086218201506001505ACCESSIMPACTOFLARGESCALEDIFGSTOPOWERSYSTEM0NGRIDDAMPINGCHARACTERISTICSLIUXIN，CHENYUFEI，LIUXIAOHUA，LUKESOUTHWESTJIAOTONGUNIVERSITY，CHENGDU610031，CHINAABSTRACTCONSIDERINGAREASFUL1OFABUNDANTWINDRESOURCESTENDTOBUILDMOREWINDFARMS，BESIDES，AREASFULLOFWINDPOWERAREFARAWAYFROMTHEECONOMICCENTER，WHICHMEANSTHEPOWERLOADISSMALLANDALARGEAMOUNTOFWINDPOWERNEEDTOBEDELIVEREDTOTHEOUTSIDEAREAITLEADSTOAGREATINFLUENCEONTHEWEAKDAMPINGBETWEENTHEAREAFULLOFWINDPOWERANDTHEMAINGRIDTHISPAPERTAKINGATYPICALAREAFULLOFWINDPOWERINNORTHEASTCHINAASANEXAMPLE，BUILDINGTHESYSTEMTHROUGHTHEPSDBPAPLATFORM，USINGTHEMETHODOFEIGENVALUEANALYSISTOSTUDYTHEINFLUENCEOFTHEDOUBLYFEDWINDPOWERONSADDAMPINGCHARACTERISTICSINDIFFERENTWINDPOWERPENETRATIONRATEANDDIFFERENTWAYSOFGRIDINTERCONNECTIONSIMULATIONRESULTSSHOWTHATTHESADCONNECTIONOFDIFGCANIMPROVETHEDAMPINGCHARACTERISTICS，ANDINTEGRATIONOFWINDPOWERTHROUGHALOWVOLTAGEGRADECANOBTAINABETTERDAMPINGCHARACTERISTICSKEYWORDSDIFG；POWERSYSTEM；INTEGRATIONOFWINDPOWER；SMALLSIGNALSTABILITY；OSCILLATIONMODE；DAMPINGCHARACTERISTICS；EIGENVALUEANALYSIS收稿日期】20150828【作者简介】柳鑫1984，男，山东人，在读硕士，研究方向为含新能源的电力系统分析。基金项目J中央高校基本科研业务费专项资金资助项目SWJTU12CX03116内蒙古电力技术2015年第33卷第6期0引言近年来，随着国内风资源的开发利用，风电场开始大量并入电网。大型风电场往往处于电网末端，当地负荷较小，为典型的潮流外送区域，大规模风电的接入对电力系统稳定性造成一定的影响，因此有必要对风电接人后的电力系统阻尼特性进行分析。目前，针对风电接人后的电力系统小干扰稳定问题已有较多研究。文献3、4分析了双馈风机及相关控制模型；文献【5】研究了适用于含风电场电力系统的小干扰稳定性分析的建模；文献6通过平衡机组使电网保持有功平衡的条件下，对风电接入后对电力系统阻尼特性的影响进行了仿真分析；文献7】通过风电场替换同等容量同步发电机的方式仿真分析了风电对电力系统阻尼特性的影响，得出的结论是随着风电穿透率的提高，风电阻尼比下降，弱化了系统的阻尼特性；文献8考虑了同步发电机参与和不参与协调控制2种工况下，风电接人后系统阻尼特性的变化，系统潮流不变时区域间的阻尼特性要优于潮流改变时的阻尼特性。文献912分别从不同角度采用不同的电网模型对风电接人后的电力系统低频振荡特性做了研究。目前，国内外在此方面的研究主要侧重于风机模型的改进，采用的节点系统较小，仅考虑一处或几处风电场。实际电网中风电区域往往会含有大量风电，考虑风电整体的穿透比率对电力系统阻尼特性的影响对电网具有重要参考意义，同时根据风电不同的装机容量，在风电并网规划时会考虑不同电压等级的并网方式，并网方式的不同也会对电网小干扰稳定性造成影响。本文主要以我国东北地区某典型的风电外送地区为例，通过特征值分析方法，考虑其风电整体穿透率对该地区与主网区域阻尼特性的影响，并研究了不同的风电场接人电网方式对电网区域间阻尼特性的影响。L双馈型风电机组建模双馈发电机组DOUBLYFEDINDUCTIONGENERATOR，DFIG模型主要分为机械部分、异步电机部分和变换器部分。双馈风机结构如图1所示。由图1可以看出，其定子侧直接与电网相连，转子侧通过双PWM变换器与电网相连。本文主要研究双馈发电图1双馈风机结构机组的电气部分，即主要对双馈电机和变换器进行建模。11双馈电机模型双馈电机模型由电压方程、磁链方程和转矩方程组成，为了便于分析，建模分析需基于一定的假设条件，详见文献6。通过派克变换得到绕线式异步电机在同步旋转坐标系的数学方程，忽略定子磁通的暂态过程，最后得到双馈电机在DQ坐标系下的标幺制四阶模型去一IQS4“去LM一一等RRIQS瓦1一去式中ED、EQ一等效电势D、Q轴分量；、一同步旋转角速度、基准值角速度和转差角速度；、一定子自感、转子自感和定转子间的互感；II。一定子绕组电流D、Q轴分量；、一转子绕组电压D、G轴分量和定子绕组电压D轴分量；S一转差率；一转子等效两相绕组的时间常数；尺、R一定子和转子电阻。12变换器模型双馈发电机的变换器由转子侧变换器、网侧变一，一L上一厂一一B8一2015年第33卷第6期柳鑫，等大规模双馈型风电机组接入电力系统对电网阻尼特性的影响17换器和直流母线电容组成。根据文献7可知，直流母线电容电压的状态方程为CUDCDZDEDRUQRM如DG4GQS，2式中直流母线电容；D一直流母线电压；、一网侧变换器电压的鹕由分量和Q轴分量；、网侧变换器电流的D轴分量和Q轴分量；、一转子绕组电流的D轴分量和G轴分量。双馈感应电机网侧变换器功能是保持直流母线电压稳定以及控制转子和电网之间的功率因数；转子侧变换器的主要作用是通过控制转子电流的D、Q轴分量来实现有功功率和无功功率的解耦控制。文献7】给出了转子侧和网侧变换器的控制结构，引入中间变量一后，其数学模型为PFPIFIK1P一PKI。一IQ一QI一一IKP一PK。，一IDCFDCAUDCIDFIGKPDGAUDK峨5一IDGQDJREF一QDIGS_耐一IGGKPQGIDKL7一I2小干扰稳定分析方法电力系统小干扰稳定性可以类比于动力学系统LYAPONOV下的渐近稳定性。电力系统的动态特性可以由1组非线性微分方程和1组非线性代数方程表述1112】T，1一4L1，2，0，I，NL，N2，N将上述方程在稳态运行点附近进行线性化处理，并按泰勒级数展开，略去各增量的二次及高次项，可得一，0套善M1，M，N将公式5写成矩阵形式为JAJBX06，。八L，其中，Y，XNT，消去非状态变量，得AX一AAX。7通过求解状态矩阵A可以得到其特征值和特征向量，从而判断其小干扰稳定性。3算例分析3I算例系统构建采用PSDBPA软件对东北地区某典型风电外送地区建立模型，该区域共有风电场L8座，总容量为8265MW；火电厂3座，总容量为1400MW，风电和火电机组装机容量见表1。表1风电场和火电厂装机容量32振荡模态分析该地区风电占总装机容量比例较大，其负荷较小，所发电力大部分送人主网，对该地区电网的阻尼特性的影响不可避免。根据东北地区某地区的电网构架，首先在不考虑风电接人的情况下，进行小干扰稳定分析，运行结果共存在68种振荡模式。考虑不同机电振荡模式下对应各发电机的右特征向量的模值、角度及参与因子，其中2种振荡模式与该多风区域火电机组强相关。振荡模式1为A、B、C3座火电厂与省主网之间的区间振荡，振荡模态见图2；振荡模式2为火电厂A2台机组间的振荡，振荡模态见图3。2种振荡模式的振荡特性见表2。33不同风电穿透率下的阻尼特性百百18内蒙古电力技术2015年第33卷第6期频率09735HZ阻尼比O0753极坐标表示图2振荡模式1的模态图频率18584HZ阻尼比O095721极坐标表示火电厂A机组1火电厂A机组215105OO5115图3振荡模式2的模态图表22种振荡模式下的振荡特性大量风电接入电网对电力系统的小干扰稳定性影响较大，风电机组出力的变化会影响省内各振荡模态的出现或消失，本文重点分析了该风电所在区域相关的振荡模式。表3为不同风电穿透率下的振荡特性。由表3可以看出，在振荡模式1下，随着风电穿透率的提高，其阻尼比明显增大；在振荡模式2下，当风电穿透率较低时，其阻尼变化不明显，且变化趋势不固定，当风电穿透率超过272LVJ“，随着风电穿透率的提高，其阻尼比明显下降；当风电穿透率较高时，振荡模式1的阻尼比增加幅度相比于风电穿透率较低时明显提高。这是因为当风电穿透率较高时，实际电网的潮流分布有较大改变，电网结构本身的变化会影响系统的阻尼特性。34某风区出力改变后的阻尼特性表3不同风电穿透率下的振荡特性由于随着整体风机出力的增加，电网中某些联络线传输功率较大，同时会改变系统整体的运行方式。为了验证某小范围风区对系统稳定性的影响，以该地区4座容量均为495MW的风电场为例，4座风电场通过线路T接最终接入220KV变电站。从表4可以看出，随着4座风电场出力的增加，区域间的振荡模式阻尼特性有所提高。表4某风区不同条件下振荡特陛35不同电压等级风电并网下的阻尼特性该地区风电场接人电网电压等级分为66KV和220KV2种，风电低电压接人系统首先会被当地负荷消纳，风电高电压等级接人电网后直接将电力送出。对该地区1座99MW容量风电场进行低电压等级和高电压等级并网方式仿真，其振荡模式1的振荡特性见表5。从表5可以看出，风电低电压等级接2015年第33卷第6期柳鑫，等大规模双馈型风电机组接入电力系统对电网阻尼特性的影响L9表5不同电压等级下的振荡特性人系统后，区域间阻尼特性会得到改善。4结论本文着重研究了含大型风电场的典型电力外送区域与主网之间的区域阻尼特性，通过对不同风电穿透率下典型区域与主网间的阻尼特性变化进行分析，探究了双馈型风电机组对大量风电场接人地区阻尼特性的影响。研究得出结论如下。1双馈型风电机组大量接人系统后，没有出现与双馈型机组强相关的机电振荡模式，仅是对原有的振荡模式产生影响，明显改善了接人地区与主网间的阻尼特性，但区域内机组之间的阻尼特性降低。2风电在低电压等级下并网比高电压等级并网会获得更好的阻尼特性，因为低电压等级接入电网相当于增加了线路的阻抗。参考文献1】谭谨，王晓茹，李龙源含大规模风电的电力系统小扰动稳定研究综述J电力系统保护与控制，2014，423L5222】和萍，文福拴，薛禹胜，等风力发电对电力系统小干扰稳定性影响述评LJ1电力系统及其自动化学报，2014，26118【3WUFENG，ZHANGXIAOPING，GODFREYK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