大规模风电并网小干扰稳定性研究

大规模风电并网小干扰稳定性研究摘要随着全球对清洁能源需求的不断增长，大规模风电并网成为电力系统发展的重要趋势。然而，风电的间歇性、随机性以及风电设备自身特性，给电力系统的小干扰稳定性带来诸多挑战。本文深入分析了大规模风电并网对电力系统小干扰稳定性的影响因素，探讨了常用的小干扰稳定性分析方法，并提出了提升大规模风电并网小干扰稳定性的策略，旨在为保障电力系统安全、稳定、高效运行提供理论依据与技术支持。一、引言在全球能源结构加速向清洁低碳转型的背景下，风力发电凭借其资源丰富、环境友好等优势，成为最具发展潜力的可再生能源发电形式之一。近年来，我国风电装机容量持续快速增长，大规模风电集中接入电网已成为常态。然而，与传统同步发电机组不同，风电尤其是双馈感应风力发电机（DFIG）和直驱永磁同步风力发电机（PMSG）等主流机型，其运行特性和控制方式与传统机组存在显著差异。当大规模风电接入电网后，电力系统的拓扑结构、潮流分布以及机电暂态特性等均发生改变，系统在遭受诸如负荷波动、线路投切等小干扰时，维持稳定运行的能力面临新的考验。小干扰稳定性作为电力系统稳定性的重要方面，直接关系到电力系统能否安全可靠运行。因此，开展大规模风电并网小干扰稳定性研究具有重要的理论意义和工程应用价值。二、大规模风电并网对小干扰稳定性的影响因素（一）风电的间歇性和随机性风力资源受自然条件影响显著，风速和风向时刻变化，导致风电功率输出具有明显的间歇性和随机性。当大规模风电接入电网后，这种功率波动会引起系统频率和电压的波动。在小干扰作用下，系统频率和电压的稳定调节能力受到影响，若系统缺乏足够的调频、调压手段，可能引发系统频率偏移、电压失稳等问题，降低系统的小干扰稳定性。例如，在风速骤变时，风电功率快速变化，而传统机组由于响应速度相对较慢，无法及时调整出力来平衡功率缺额或盈余，从而使系统频率和电压偏离稳定值。（二）风电设备特性双馈感应风力发电机（DFIG）DFIG通过变流器与电网相连，其转子侧变流器和网侧变流器的控制策略对系统小干扰稳定性有重要影响。在正常运行时，变流器控制策略可实现对有功功率和无功功率的灵活调节，但在小干扰情况下，变流器的控制参数设计不合理可能导致系统出现次同步振荡等问题。此外，DFIG的轴系由多个质量块和弹性轴段组成，其固有频率可能与电网电气系统的频率相互作用，在特定条件下引发轴系扭振，威胁系统的稳定运行。直驱永磁同步风力发电机（PMSG）PMSG采用全功率变流器与电网连接，虽然其不存在DFIG的次同步振荡问题，但变流器的控制环节同样会影响系统小干扰稳定性。PMSG的变流器控制策略在小干扰下若不能快速准确地调节功率，可能导致系统电压波动加剧。同时，PMSG的惯性时间常数较小，在系统遭受小干扰时，其提供惯性响应的能力较弱，不利于系统频率的稳定。（三）电网结构与运行方式大规模风电集中接入地区的电网结构和运行方式对小干扰稳定性影响重大。若风电接入地区电网网架结构薄弱，输电线路容量有限，在风电功率波动或小干扰发生时，容易出现潮流分布不合理、电压降落过大等问题。此外，电网的运行方式，如联络线功率传输水平、无功补偿装置的配置与投切等，也会影响系统的小干扰稳定性。例如，当联络线传输功率接近极限时，小干扰可能引发联络线功率振荡，甚至导致系统解列。三、大规模风电并网小干扰稳定性分析方法（一）特征值分析法特征值分析法是电力系统小干扰稳定性分析的经典方法。通过建立电力系统的状态空间模型，求解系统线性化后的特征值，根据特征值的实部和虚部来判断系统的稳定性。若所有特征值的实部均小于零，则系统在小干扰下是稳定的；若存在实部大于零的特征值，则系统不稳定。该方法能够清晰地揭示系统各振荡模式的频率、阻尼比等特性，有助于分析系统不稳定的根源。在大规模风电并网系统中，可通过特征值分析研究风电设备控制参数、电网结构参数等对系统小干扰稳定性的影响。但特征值分析法依赖于系统的精确模型，计算复杂度较高，且难以考虑系统的非线性因素和复杂的控制策略。（二）时域仿真法时域仿真法是通过对电力系统的数学模型进行数值求解，模拟系统在各种运行工况和小干扰下的动态响应过程。在大规模风电并网系统中，可利用时域仿真软件（如PSCAD/EMTDC、MATLAB/Simulink等）搭建包含风电设备、电网等元件的详细模型，设置不同的小干扰场景（如负荷突变、线路投切等），观察系统各变量（如频率、电压、功率等）随时间的变化曲线，从而直观地评估系统的小干扰稳定性。时域仿真法能够考虑系统的非线性特性和复杂的控制策略，结果较为准确可靠，但仿真计算量大，计算时间长，且难以全面分析系统的所有振荡模式。（三）参与因子分析法参与因子分析法通常与特征值分析法结合使用。在通过特征值分析法得到系统的特征值和特征向量后，计算各状态变量对不同振荡模式的参与因子。参与因子的大小反映了该状态变量在相应振荡模式中的参与程度，通过分析参与因子，可以确定对系统小干扰稳定性影响较大的元件和变量，为制定稳定性提升策略提供依据。例如，在大规模风电并网系统中，通过参与因子分析可以明确风电变流器控制参数、发电机转子角度等变量对系统振荡模式的影响程度。四、提升大规模风电并网小干扰稳定性的策略（一）优化风电设备控制策略改进双馈感应风力发电机（DFIG）控制策略针对DFIG可能出现的次同步振荡问题，可在其变流器控制策略中引入附加阻尼控制环节。例如，采用基于转子电流反馈的阻尼控制策略，通过调节转子电流的相位和幅值，增加系统的阻尼，抑制次同步振荡。同时，优化DFIG的最大功率跟踪控制策略，使其在风速变化时能够更平滑地调节有功功率输出，减少对系统频率和电压的冲击。完善直驱永磁同步风力发电机（PMSG）控制策略为提高PMSG在小干扰下的频率和电压支撑能力，可在其变流器控制策略中增加虚拟惯性控制和下垂控制功能。虚拟惯性控制使PMSG能够模拟传统同步发电机组的惯性特性，在系统频率变化时提供惯性响应；下垂控制则可实现PMSG有功功率和无功功率的协调控制，增强系统的电压稳定性。（二）加强电网建设与优化运行方式优化电网网架结构加大对风电集中接入地区电网的建设投入，加强电网网架结构，提高输电线路的输送能力和可靠性。通过合理规划和建设变电站、输电线路等设施，优化电网的潮流分布，降低风电功率波动对系统电压和频率的影响。例如，采用多回输电线路并行输电、建设柔性交流输电系统（FACTS）等技术手段，增强电网的调节能力和抗干扰能力。合理配置无功补偿装置在风电接入点及附近区域合理配置无功补偿装置，如静止无功发生器（SVG）、并联电容器和电抗器等。根据系统运行工况和小干扰情况，实时调节无功补偿装置的输出，维持系统电压稳定。同时，优化无功补偿装置的控制策略，使其能够更好地与风电设备和电网协同运行。优化电网运行方式合理安排电网的运行方式，避免联络线功率传输过载和电网运行过于薄弱。通过制定科学的调度计划，协调风电与传统机组的发电计划，提高系统的整体调节能力。在小干扰发生时，能够快速调整机组出力和电网运行方式，维持系统的稳定运行。（三）构建多能互补的能源系统将风电与其他能源形式（如水电、火电、储能等）进行有机结合，构建多能互补的能源系统。水电具有快速响应能力，可在风电功率波动时迅速调节出力，平衡系统功率；火电可作为基荷电源，提供稳定的电力支撑；储能系统（如电池储能、抽水蓄能等）能够实现电能的存储和释放，平滑风电功率波动，提高系统的灵活性和稳定性。通过优化多能互补系统的运行控制策略，实现不同能源之间的协调配合，共同提升系统的小干扰稳定性。五、结论大规模风电并网给电力系统小干扰稳定性带来了新的挑战，风电的间歇性和随机性、风电设备特性以及电网结构与运行方式等因素均会对系统小干扰稳定性产生重要影响。特征值分析法、时域仿真法和参与因子分析法等为研究大规模风电并网小干扰稳定性提供了有效的手段。通过优化风电设备控制策略、加强电网建设与优化运行方式以及构建多能互补的能源