双馈与直驱风电机组的小干扰稳定性对比分析

1、双馈与直驱风电机组的小干扰稳定性比照分析李培强，王继飞，李欣然，郝元钊湖南大学 电气与信息工程学院 ，湖 南 长沙 摘 要：清 洁能源在电力系统中的大规模利用，使 得风电机组在电网中的占比日益扩 大，其运行特性极大地影响电力系统的运行稳定性 本文分析了双馈变速与直驱同步风电机 组的结构特点，建立了各个机组的降阶数学模 型 在 此根底上，对两 区域系统进行了仿真计 算研究说明：风电机组并网增加了系统与风电机组强相关 的振荡模式 ，且 有很好的阻尼特 性当风电机组在系统中容量比例提高时 ，双馈 机组会减弱新增局部振荡模式的阻尼 ，直 驱 机组能提高区域内相关的局部振荡的阻尼关键词：电力系统；风力机

2、组；模态分析；小干扰稳定中图分类号：；文献标识码： ， ， ，：， ， ， ， ， ：；随着大规模电网的互联 ，由于 弱联络线等引起 的振荡问题不容无视 伴随着可再生能源的开发与 利用、越来越多的风电场接入电网的同时 ，对风电场 接入电力系统后的影响进行分析研究成为电力系统急需解决的课题大 规模的风电场接入会对原 有系统的振荡模式产生怎样的影响 ，阻 尼比增大还 是减小，风电场的 接入是否利于系统的小干扰稳定 等问题，都是需要进行深入研究的 不同的风电机组 收稿日期：基金工程：国家自然科学基金资助工程作者简介 ：李 培强，男 ，山 西忻州人 ，湖南大学工学博士 ，副 教授 ，硕 士生导师 ，博

3、 士后通讯联系人 ，：第 期李培强等 ：双馈与直驱风电机组的小干扰稳定性比照分析 类型和容量比例对电网小干扰稳定性的影响可能是 多样的为了大规模利用风能 ，研究这些因素对电力 系统静态稳定性的影响十分必要目前，国 内外的专家学者针对并网型风力发电 技术的 各 个 方 面 进 行 了 许 多 有 意 义 的 研 究文 献根据风电场不同容量下的系统稳定情况提出了风电场绝对平安容量的概念 文 献 概 述了目前 投入市场的各种不同类型的风电机组 ，详 细讨论了块、电压控制模块及桨距角控制模块 风速模块与恒 速机组相同，减少了轴系模块双馈机组的机械局部 与电气局部根本上被换流器解耦 ，换流器的控制方 式

4、决定了轴系模型所反映的机端特性 由 于换流器 的动态过程相比于发电机电磁暂态过程要快的多，因此换流器用一个理想电流源等效代替 电 流按 ， 轴分解为 与 ，分 别用于控制转速模块与电压 模块用下述方程描述 ：其不同的结构、原理以及彼此相应的比照 针对双馈 ；型风力发电机组，文 献 提出了 利用暂态稳定指 标 与极限切除时间 共 同来评估系统的暂态 稳定性文献基于功角和频率两种稳定判据 ，提出了一个在两种运行方式下 ，采 用 种扰动方式的 风电场极限穿透功率计算方法 ，并 且通过仿真得到 其中 为功率转速 特性，用 来表示一定转速范围内的最大功率追踪 发电机的电磁转矩以及向 电网输出的无功功率也

5、分别由了影响该系统并网容量的主要因素是频率波动的结 与 决定：；论文献介绍 了双馈感应发电机与直驱同步发 电机两种变速风机的数学模型 ，并 通过比拟模型对 风速的响应数据与实际中测量的响应数据 ，证 明了模型的可用性但 上述文献都没有针对不同类型风 电机组对系统的小干扰稳定进行比照研究本文分析了 种风电机组的数学模型，通 过强 耦合两区域系统的算例 ，得出风机并网后 ，增加了系 统的强相关的振荡模式 ，而对系统阻尼特性的改变 流过换流器转子电流的限制是通过设置有功和无功 功率限制值实现的换流器是短路故障时双馈机组 中最敏感的部件，因此必须对转速模块与电压模块 加以 限 制，以 避 免 暂 态

6、过 电 流 的 影 响 方 程 如 下 所示： 不明显当风电机组在系统中的容量提高时 ，系统原有的同步机组区间或局部振荡模式改变不大 ，而 振烄 ； 荡特性有所变化，双馈机组穿透功 率的增加会减弱 新增局部振荡模式的阻尼 ，直驱机 组穿透功率增加 ；烅 能提高区域内发生的与风电机组相关的局部振荡的 ；阻尼 烆 风电机组的数学模型桨距角控制模型由如下微分方程表示： 双馈风电机组模型双馈异步发电机的定子绕组与电网直接相连，其中为桨距角起始改变设置点函数 桨 距角控制转子绕组通过一个带有电流控制环的背靠背电压源 换流器与电网相连，实现了转子的 电气频率与机械 频率解耦换流器 通过注入频率可变的转子电

7、流来 补偿机械频率与电气频率之差 如下式所示：只有在转速超过同步转速时才开始起作用 为桨距角控制时间常数 直驱风电机组模型直驱同步机组的换流器与定子绕组相连，因 此描述换 流 器 的 电 流 源 电 流 分 别 为 ： ， 与 用 于 其中为定 子 输 出 频 率； 为 发 电 机 极 对 数； 为 转子机械频率；为转子电流频率通过控制转子的 转速控制，无功控制以及电压控制 ，其控制方程为：烄 ；电流频率使得定子的输 出频率保 持恒定，从 而实现风机的变速运行与恒速机组相比，双 馈机组增加了转速控制模烅 ；烆 湖南大学学报自 然科学版年由此决定的电磁转矩及无功功率为：烄 ；态变量相关的参与因子

8、之和等于 参与因子 越 大表示参与程度越高 ，找 出 最大的发电机组，就可判断它是否与该振荡模式强弱相关 ，从 而为安装烅 烆其中 表示永磁磁通量保 护系统对流过换流器的 定子电流限制如下：烄 ； ；抑制该振荡模 式 的 电 力 系 统 稳 定 器 或 其 他 控 制提供参考 强耦合系统的两区域算例烅 ；烆 具体模型及其参数详见文献 模态分析与参与因子为分析风力发电机组对电力系统特征 值 的 影 响，本文构建了如图 所示测试系统它由两局部组 成，一局部是大 型强耦合系统 ，用 无穷大母线表示， 另一局部由两台同步发电机组成 为了考虑不同类 型风电机组的影响，节 点 的同步发电机分别由双 馈机组

9、以及直驱机组代替阻抗以 为基基于系统线性化模型的模态分析是目前电力系统小信号稳定分析中最成熟的一种方法 它 能给出 关键失稳模态、参与因子等重要信息 ，从而为抑制低 频振荡提供理论指导 为确定模态与状态向量之间 的关系，把左特征向量和右特征向量结合起来 ，确定 度量模态与状态变量之间关联程度的参与因子矩阵矩阵元素 为参与因子，表示第 个模式与第 个状态变量的互相参与程度 ，即可观性，也包含了第个状态变量对模式 的可控性信息第个 状态变 量对第 个特征值的参与因子可通过下式计算： 值的标幺值表示，负荷采用恒功率模型发电机发出 功率均为 ，节 点电压为 母 线 与母线的联络线阻抗为 母 线 与母

10、线， 的 联 络 线 阻 抗 均 为 频 率 为 ，电压等级为通过计算，共轭复数特征值与发电机转子运动方 程对应，称为低频振荡模式，实部反映了低频振荡的衰 减特性，虚部反映了低频振荡的频率，复特征值 所对应振荡模式的阻尼比和频率分别为 槡 与 小扰动随时可能发生，且当系 统阻尼比拟弱 时，都有可能造成系统动态失稳，通常要求系统正常运行下区域振荡模式的阻尼比不小于鉴于特征向量的规格化 ，与 任何模式或任何状图 用于小扰动分析的各机组系统 双馈机组有 个特征值， 对共 轭 特 征 值，其 频率与阻尼 比 如 表 所 示直 驱 机 组 有 个 特 征值， 对共轭特征值，其频率与阻尼 比 如 表 所

11、示 各系统特征值的分布如图 所示第 期李培强等 ：双馈与直驱风电机组的小干扰稳定性比照分析 表 双馈机组系统的振荡模式 模式特征值， 频率 阻尼比表 直驱机组系统的振荡模式 模式特征值， 频率 阻尼比图 各系统特征值分布比照图 将双馈机组替换母线的同步发电机后，模式与 状态变量， 的参与因子最大，均为模式 及 的参与因子最大，分别为，即主导因素是同步发电机的暂态电势 轴分 量与双馈机组转子电流的 轴分量 将直驱机组替换母线的同步发电机后，模式 与状态变量， 的参与因子最大，均为模式与状态变量 及 的 参 与 因 子 最 大，分 别 为，即主导 因素是直驱机组换流器 电流的 轴分量 与同步发电机

12、的暂态电势 轴 分量综上所述，在种风电机组接入电力系统后 ，增 加了与风电机组强相关的振荡模式 ，但 这些振荡模 式阻尼比拟高，有很好的阻尼特性 风电机组替代同步机组接入后，虽然改变了系统的振荡模式 ，但是对 系统阻尼特性的改变不明显 不同风电机组容量对小干扰稳定的影响为研究风电穿透功率对系统特征参数的影响， 本文构建了如图 所示两区域系统母 线 处的同 步发电机组逐 步 被 风 电 机 组 取 代 初 始 时 个 节点发出的有功功率均为 逐 步 增 加 风 电 机组出力，相应减少母线处并联同步机组的出力 ，分 析风电功率增加对系统小干扰稳定的影响 风 电机 组的出力至 ， ， 相 应母线 处

13、的同步机组出 力 为 ， ， ，分析其振荡模式的变化图 两区域系统 湖南大学学报自 然科学版年 双馈机组情形表 反映了含双馈机组系统的机电振荡模式 分析参与因子，模式的最相关状态变量 分别是 机组与 机组的与模式最相关的是 机组 与 机组的与，以上两种模式均为局部振荡 模 式 最相关的状态变量是 机组与 机组的与，为区间 振荡模式模 式 最相关的状态变量是双 馈机组的 ，说明该模式是 与双馈机组相关的振荡 模式模式与 与 同步机组的与 的相关度 较大，为新增的局部振荡模式 表 双馈机组系统的振荡模式 功率 模式特征值， 频率 阻尼比 表反映了增加双馈机组出力后振荡模式的变 化由表可知，随着机组

14、出力的增加 ，模 式 与模式 的阻尼比稍有增加，模式 保持不变，模 式 降低 较大说明双馈机组穿透功率的提高 ，不利于风机所 在区域局部振荡的阻尼 而与风电机组相关的振荡 模式阻尼比变化不大，频率很低，具有良好的阻尼 特性双馈 机 组 系 统 前 种模式 的 阻尼特性差异不 大与风电机组相关的振荡模式具有更好的阻尼比 ， 但却出现了一个风机所在区域局部振荡的模式 ，且 随着风电穿透功率的增大 ，阻尼比减少较大 其原因 是，双馈机组系统没有针对小干扰稳定的控制 ，即在 系统发生振荡时，通过定子回路感 知系统电气量的 变化，从而在转子侧感应出振荡电流 ，产生出阻尼转 矩由于双馈机组内部电阻较小 ，

15、阻尼转矩抑制振荡 的能力较低，因此会导致系统阻尼降低 直驱机组情形表 反映了含直驱机组系统的机电振荡模式分析参与因子，模式的最相关状态变量 分别是 机组与 机组的与模式最相关的是 机组 与 机组的与，以上两种模式均为局部振荡 模 式 最相关的状态变量是 机组与 机组的与 ，为 区 间 振 荡 模 式以上与前两种 机 组 系 统 相 同 模式最相关的状态变量是 机组的，与直驱机组的 ，说明该模式是同步 机组与直驱机组相关的局部振荡模式表 直驱机组系统的振荡模式 功率 模式特征值， 频率 阻尼比 分析与讨论风电机组 在系统中容量的提高 ，对 系统原有 的区间 或 局 部 振 荡 模 式 改 变 不

16、 大 ，振 荡 特 性 有 所 变化双馈机组 由于发电机内部转子电阻较小 ，阻 尼转矩抑制振荡能力有限 ，会导致增加一个风机所 在区域的局部振荡模式 ，其穿透功率的增加会减弱 此局部振荡模式的阻尼直驱机组的发电机由于通过电力电子变流器 与电力系统完全解耦 ，换流器控制转速和电气功率 ， 随着穿透功率的增加能提高区域内发生的与风电机 组相关的局部振荡的阻尼双馈机组系统都增加了与风电场强相关的振 荡模式，但这些振荡模式具有较好的阻尼特性 结语本文分析了两种风电机组的数学模型，通 过强 耦合两区域系统的算例 ，得出风机并网后，增加了系 统的强相关的振荡模式 ，且有很好的阻尼特性，而对 系统阻尼特性的

17、改变不明显 当风电机组在系统中 的容量提高时，对 系统原有的同步机组区间或局部 振荡模式改变不大 ，而振荡特性有所变化双馈机组第 期李培强等 ：双馈与直驱风电机组的小干扰稳定性比照分析 穿透功率的增加会减弱新增局部振荡模式的阻尼， 直驱机组穿透功率增加能提高区域内发生的与风电 机组相关的局部振荡的阻尼参考文献 王忱 ，石 立宝 ，姚 良忠 ，等 大 规 模双馈型风电场的小干扰稳定 分析中国电机工程学报 ，： ， ， ，： 张宝群 ，张 伯明 ，吴 文 传基于小干扰稳定的双馈感应电机电 磁模型降阶分析 电力系统自动化 ， ： ， ， ，： 杨涛 ，郑 涛 ，迟 永宁 ，等 大规模风电外送对电力系统小 干 扰稳 定性影响中 国电力 ， ： ， ， ，： ， ， ，： 马幼捷 ，张 继东 ，周 雪松 ，等 基于分岔理论的含风电场电 力 系 统静态电压稳定问题研究电 网技术 ， ， ： ， ， ， ， ： 洪芦诚 ，石 立宝 ，姚 良忠 ，等 计及风电场发电功率不确定 性 的 电力系统模糊 潮 流 电 工 技 术 学 报 ，： ， ， ， ， ： 陈功贵 ，李 智欢 ，陈 金富 ，等 含风电场电力系统