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入后的电力系统阻尼特性进行分析^{[1, 2]}。

目前，针对风电接入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，风电接入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^{[9, 10, 11, 12]}分别从不同角度采用不同的电网模型对风电接入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^{[9, 10]}。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入电网方式对电网区域间阻尼特性的影响。

双馈发电机组（doubly-fed induction generator，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机组的电气部分，即主要对双馈电机和变换器进行建模。

图 1

图 1

1.1 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d-q 坐标系下的标幺制四阶模型：

双馈发电机的变换器由转子侧变换器、网侧变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：

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x1 — x8 后，其数学模型为：

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^{[11, 12]}：

将上述方程在稳态运行点x0 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：

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。

采用PSD-BPA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18座，总容量为826.5 MW；火电厂3座，总容量为1400 MW，风电和火电机组装机容量见表 1。

表 1

表 1 风电场和火电厂装机容量

表 1 风电场和火电厂装机容量

3.2 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，所发电力大部分送入主网，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入的情况下，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、C 3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A 2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。

图 2()

图 2

图 3()

图 3

表 2

表 2

表 2

3.3 不同风电穿透率下的阻尼特性

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27.2%时，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^[7]。

表 3

表 3

表 3

3.4 某风区出力改变后的阻尼特性

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49.5 MW的风电场为例，4座风电场通过线路T接最终接入220 kV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

表 4

表 4

3.5 不同电压等级风电并网下的阻尼特性

该地区风电场接入电网电压等级分为66 kV和 220 kV 2种，风电低电压接入系统首先会被当地负荷消纳，风电高电压等级接入电网后直接将电力送出。对该地区1座99 MW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，风电低电压等级接入系统后，区域间阻尼特性会得到改善。

表 5

表 5

表 5

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入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入系统后，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，明显改善了接入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。