毛俊華

摘 要：隨著我國電網(wǎng)建設(shè)步伐的加快，要求從電網(wǎng)區(qū)域互聯(lián)角度分析電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。以風(fēng)力發(fā)電為典型代表，整個(gè)系統(tǒng)有大規(guī)模接風(fēng)電場(chǎng)接入后將存在許多影響因素，難以保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。而且現(xiàn)行關(guān)于阻尼特性、小干擾穩(wěn)定等方面研究仍表現(xiàn)出缺失的現(xiàn)狀，使風(fēng)電機(jī)組投入使用后缺少相應(yīng)的理論指導(dǎo)。對(duì)此，文章主要對(duì)小干擾穩(wěn)定性的相關(guān)概述、風(fēng)電機(jī)組相關(guān)模型的構(gòu)建、小干擾穩(wěn)定性在簡(jiǎn)單發(fā)電系統(tǒng)中的體現(xiàn)、阻尼特性與小干擾穩(wěn)定受風(fēng)電場(chǎng)的影響以及改善并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)的具體路徑進(jìn)行探析。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電場(chǎng)；電力系統(tǒng)；阻尼特性；小干擾穩(wěn)定

前言

不可否認(rèn)，我國近年來利用風(fēng)能源進(jìn)行發(fā)電取得較大的成就，在風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)規(guī)模上便可看出其具備較大的規(guī)模，且國內(nèi)各省在電力系統(tǒng)建設(shè)過程中逐漸從風(fēng)電接入方面著手，注重電能質(zhì)量的提高以及系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。但從大多關(guān)于風(fēng)電場(chǎng)并入電網(wǎng)中的研究?jī)?nèi)容上看，仍缺少關(guān)于小干擾穩(wěn)定性的分析，難以使電力系統(tǒng)在穩(wěn)定性以及阻尼特性等方面得以改善。因此，對(duì)小干擾穩(wěn)定性在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究具有十分重要的意義。

1 小干擾穩(wěn)定性的相關(guān)概述

現(xiàn)階段電網(wǎng)建設(shè)中更注重風(fēng)電場(chǎng)的接入，其對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行方式以及整體結(jié)構(gòu)都產(chǎn)生一定的影響。目前大多風(fēng)電場(chǎng)電力系統(tǒng)運(yùn)行中，小干擾通?？僧a(chǎn)生一定的振蕩情況，若能夠采取相應(yīng)的抑制措施則可使系統(tǒng)長時(shí)間運(yùn)行下保持穩(wěn)定，但小干擾振蕩難以控制，出現(xiàn)長時(shí)間的幅值變化，整個(gè)系統(tǒng)將保持不穩(wěn)定狀態(tài)。從目前大多電力系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀看，一旦出現(xiàn)小干擾問題，系統(tǒng)中控制裝置性能、元件緊密度以及運(yùn)行狀態(tài)等都將發(fā)生變化。對(duì)此現(xiàn)狀，許多學(xué)者開始從系統(tǒng)在小干擾后穩(wěn)定性方面著手，以線性化方法為典型代表，其對(duì)于小干擾穩(wěn)定分析具有明顯作用。另外在系統(tǒng)振蕩方面，小干擾穩(wěn)定下的振蕩主要以兩種模態(tài)存在，其一為局部模態(tài)，主要指發(fā)電機(jī)組與系統(tǒng)其他內(nèi)容發(fā)生振蕩，其中轉(zhuǎn)子具有較大的慣性常數(shù)，該類型下振蕩頻率通常為1-2Hz。其二為區(qū)域間模態(tài)，該類型下振蕩主要發(fā)生在多臺(tái)發(fā)電機(jī)中，不同區(qū)域內(nèi)發(fā)電機(jī)慣性常數(shù)都較高，且在頻率方面保持0.50Hz左右。綜合來看，無論哪種類型機(jī)電震蕩，其形成的原因可歸納為：阻尼狀態(tài)下電力系統(tǒng)自身出現(xiàn)的功率振蕩；擾動(dòng)狀態(tài)下功率振蕩受較弱的阻尼影響而無法穩(wěn)定；因振動(dòng)下功率波動(dòng)保持相同頻率，此時(shí)若阻尼較弱將使功率波動(dòng)逐漸增大，出現(xiàn)功率振蕩情況。實(shí)際分析過程中要求從風(fēng)電機(jī)組相關(guān)參數(shù)以及振蕩的類型著手，分析阻尼特性、小干擾穩(wěn)定等受風(fēng)電場(chǎng)影響[1]。

2 風(fēng)電機(jī)組相關(guān)模型的構(gòu)建

風(fēng)電機(jī)組構(gòu)建過程中首先需正確認(rèn)識(shí)機(jī)械系統(tǒng)在機(jī)組中的體現(xiàn)，可歸納為機(jī)械傳動(dòng)與風(fēng)力機(jī)兩方面系統(tǒng)。一旦電力系統(tǒng)中有風(fēng)電機(jī)組接入，勢(shì)必出現(xiàn)振蕩問題，加上現(xiàn)行電力系統(tǒng)運(yùn)行中要求利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，如果發(fā)生網(wǎng)絡(luò)異常情況很可能使振蕩問題表現(xiàn)更為突出，對(duì)此便需構(gòu)建相應(yīng)的風(fēng)電機(jī)組模型。根據(jù)以往學(xué)者研究，模型構(gòu)建中主要從三方面著手。第一，以空氣動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)構(gòu)建的模型，其主要對(duì)系統(tǒng)功率與風(fēng)速存在的關(guān)系進(jìn)行描述，若保持恒定風(fēng)速可對(duì)系統(tǒng)功率與漿距角關(guān)系進(jìn)行分析。第二，以漿距角控制為基礎(chǔ)所構(gòu)建的模型，該類模型的應(yīng)用多集中于變速風(fēng)電機(jī)組方面，可使能源利用率得以提高，并防止輸入功率超出風(fēng)力機(jī)組可承受的標(biāo)準(zhǔn)值。第三，以風(fēng)力機(jī)軸系為基礎(chǔ)所構(gòu)建的模型，其功能在于對(duì)電磁、機(jī)械等功率關(guān)系進(jìn)行分析。但實(shí)際構(gòu)建中需注意不同類型下模型往往存在許多影響因素，使小干擾穩(wěn)定性難以得到準(zhǔn)確判斷，如空氣動(dòng)力學(xué)模型下，在構(gòu)建中應(yīng)結(jié)合以往學(xué)者提出的葉素理論對(duì)風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)軸、葉片等進(jìn)行分析，考慮到葉片受力情況無法確定且需要引入大量計(jì)算環(huán)節(jié)，要求進(jìn)行建模中進(jìn)行簡(jiǎn)化使具體參數(shù)如機(jī)械功率、葉片槳距角等得以明確[2]。

3 小干擾穩(wěn)定性在簡(jiǎn)單發(fā)電系統(tǒng)中的體現(xiàn)

現(xiàn)階段風(fēng)力發(fā)電中在機(jī)組選擇方面主要為異步發(fā)電機(jī)，分析小干擾穩(wěn)定性過程中需從振蕩模態(tài)為主，但由于涉及的參數(shù)較多，需要從簡(jiǎn)化電力系統(tǒng)著手，可使小干擾穩(wěn)定的研究更為準(zhǔn)確。小干擾穩(wěn)定性在整個(gè)系統(tǒng)中具體體現(xiàn)在以下幾方面。

3.1 小干擾穩(wěn)定在異步發(fā)電系統(tǒng)中的體現(xiàn)

關(guān)于異步發(fā)電機(jī)的應(yīng)用，以往研究中進(jìn)行模型構(gòu)建多以狀態(tài)方程著手。以三相異步發(fā)電機(jī)為例，其轉(zhuǎn)子、定子繞組分別與外部無源電路以及對(duì)稱電源保持相連，其中定子電磁能夠使轉(zhuǎn)子電流體現(xiàn)出來。因此綜合來看，異步風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行中無需引入附加系統(tǒng)，只需保證電磁轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等合理便可使其有效運(yùn)行。但需注意運(yùn)行中該類型發(fā)電機(jī)組要求進(jìn)行無功功率的吸收，所以需將電容器組設(shè)置其中實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償?shù)哪繕?biāo)。另外，從簡(jiǎn)單系統(tǒng)角度，該類發(fā)電系統(tǒng)在構(gòu)成上主要以升壓變壓器、無窮母線以及變壓器為主，進(jìn)行小干擾穩(wěn)定性研究中可利用相應(yīng)的系統(tǒng)方程對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)、阻尼特性、振蕩頻率等進(jìn)行分析。但需注意異步風(fēng)電機(jī)組本身可細(xì)化為漿距角可調(diào)與不可調(diào)兩種，需根據(jù)機(jī)組不同運(yùn)行狀態(tài)下漿距角的表現(xiàn)進(jìn)行小干擾穩(wěn)定性分析，如可調(diào)類型機(jī)組在分析過程中可通過分析平均風(fēng)速變化調(diào)節(jié)漿距角。因此，只需對(duì)控制漿距角具體環(huán)節(jié)分析便可推出小干擾穩(wěn)定性[3]。

3.2 小干擾穩(wěn)定在變速機(jī)組中的體現(xiàn)

變速機(jī)組主要為雙饋風(fēng)電機(jī)組，其應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)主要在于對(duì)無功交換進(jìn)行控制，且可通過對(duì)有功功率的控制實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的目標(biāo)。整個(gè)機(jī)組控制目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)主要得益于對(duì)漿距角、轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器的有效控制。因此，在分析小干擾穩(wěn)定性在其中的表現(xiàn)時(shí)要求進(jìn)行變頻器、控制系統(tǒng)、感應(yīng)發(fā)電機(jī)等模型的構(gòu)建，在此基礎(chǔ)上完成簡(jiǎn)單系統(tǒng)的分析。綜合以往實(shí)踐研究可發(fā)現(xiàn)，該類型風(fēng)電機(jī)組在振蕩頻率方面表現(xiàn)出較大的差異，轉(zhuǎn)子磁通與機(jī)組轉(zhuǎn)差率是影響振蕩模態(tài)的關(guān)鍵所在。另外，若變頻器電壓、系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)以及漿距角發(fā)生變化可能出現(xiàn)衰減模態(tài)[4]。

3.3 小干擾穩(wěn)定在永磁同步發(fā)電系統(tǒng)中的體現(xiàn)

該類型發(fā)電系統(tǒng)在電磁結(jié)構(gòu)方面極為復(fù)雜，要求模型構(gòu)建中既需考慮發(fā)電機(jī)模型，還需做好變頻器、控制系統(tǒng)與機(jī)械系統(tǒng)等模型的構(gòu)建，在此基礎(chǔ)上對(duì)簡(jiǎn)單系統(tǒng)進(jìn)行分析。根據(jù)實(shí)踐研究發(fā)現(xiàn)，該類風(fēng)電機(jī)組在振蕩模態(tài)方面主要受控制系統(tǒng)、風(fēng)力機(jī)暫態(tài)以及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速等影響，而控制系統(tǒng)參數(shù)以及電壓情況則影響衰減模態(tài)[5]。

4 阻尼特性與小干擾穩(wěn)定受風(fēng)電場(chǎng)的影響

對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的影響可從不同風(fēng)電機(jī)組接入后相應(yīng)的參數(shù)方面著手。首先，從異步機(jī)風(fēng)電場(chǎng)方面，在接入系統(tǒng)后，無論開停機(jī)計(jì)劃是否改變，阻尼特性在出力上升的情況下表現(xiàn)出增大態(tài)勢(shì)。但需注意開機(jī)計(jì)劃不變時(shí)，系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用量將逐漸增加，若保持容量不變，阻尼特性不會(huì)發(fā)生較大的變化。其次，從雙饋機(jī)組角度，相比異步發(fā)電機(jī)，即使在雙饋機(jī)組風(fēng)電場(chǎng)中引入電容器也難以使無功補(bǔ)償容量提高。研究中可發(fā)現(xiàn)該類型風(fēng)電機(jī)組由于本身在發(fā)電機(jī)方面具有較小的電阻，因振蕩現(xiàn)象引起的阻尼問題無法被定子所感應(yīng)，因此系統(tǒng)阻尼很大程度受變速機(jī)組負(fù)面影響。最后，從永磁直驅(qū)機(jī)角度，其在變頻器使用上主要以全功率為主，系統(tǒng)功率振蕩不會(huì)因定子側(cè)而發(fā)生較大反映，因此振蕩情況下阻尼特性也不明顯。但若描述風(fēng)電機(jī)組中采用等效負(fù)荷為負(fù)值，風(fēng)電場(chǎng)在接入后將使阻尼特性持續(xù)下降，影響整個(gè)振蕩模態(tài)[6]。

5 改善并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)的具體路徑

在對(duì)系統(tǒng)阻尼進(jìn)行改善過程中應(yīng)結(jié)合不同類型風(fēng)電機(jī)組接入后阻尼特性以及小干擾穩(wěn)定性現(xiàn)狀。例如，針對(duì)雙饋?zhàn)兯兕愋停诟纳七^程中可在輸入信號(hào)方面選擇機(jī)組轉(zhuǎn)差率，通過穩(wěn)定控制模型的構(gòu)建使振蕩情況出現(xiàn)后阻尼功率可直接顯示出來，這樣便可達(dá)到振蕩平息的效果。而在永磁直驅(qū)類型方面，其輸入信號(hào)可選擇系統(tǒng)頻率，保證振蕩情況逐漸削弱，有利于系統(tǒng)恢復(fù)運(yùn)行。但該類型機(jī)組在改善阻尼特性過程中往往存在許多影響因素，如風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，因此風(fēng)電場(chǎng)接入時(shí)可考慮做好風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，以此使系統(tǒng)運(yùn)行得以控制[7]。

6 結(jié)束語

小干擾穩(wěn)定性的分析是保證電力系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵所在。實(shí)際分析中應(yīng)正確認(rèn)識(shí)其基本內(nèi)涵，結(jié)合不同類型風(fēng)電機(jī)組如異步風(fēng)電機(jī)組、雙饋?zhàn)兯贆C(jī)組以及永磁驅(qū)動(dòng)機(jī)組等進(jìn)行相應(yīng)模型的構(gòu)建，通過研究其中阻尼特性在不同運(yùn)行參數(shù)的表現(xiàn)特征得出具體結(jié)論，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合不同類型機(jī)組采取相應(yīng)的完善策略，為電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行提供保障。

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