林旻威　溫步瀛

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大規(guī)模風(fēng)電接入對(duì)電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性影響研究綜述

林旻威溫步瀛

（福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州350108）

近年來隨著風(fēng)電裝機(jī)在電力系統(tǒng)中的比例逐步增加，風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)的影響越來越大。本文總結(jié)了從風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)建模、風(fēng)電場(chǎng)聚合建模到含風(fēng)場(chǎng)的系統(tǒng)暫穩(wěn)特性等相關(guān)技術(shù)研究成果，并對(duì)含風(fēng)電電力系統(tǒng)的暫態(tài)特性分析方法進(jìn)行了概括分析，比較了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。最后，對(duì)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)做出預(yù)測(cè)，提出了一些后續(xù)研究的建議。

風(fēng)力發(fā)電；變速恒頻；機(jī)電暫態(tài)穩(wěn)定性；時(shí)域仿真；直接法

我國(guó)從20世紀(jì)50年代開始探索發(fā)電技術(shù)，80年代中期引入了55kW容量等級(jí)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，并將其投入了商業(yè)應(yīng)用。在此之后的近30年內(nèi)，世界范圍內(nèi)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組均向大容量、高參數(shù)發(fā)展，我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)也已基本成熟。受到金融危機(jī)的影響，我國(guó)風(fēng)電新增裝機(jī)容量在2008—2009年有小幅度的下降，近幾年來我國(guó)的風(fēng)電裝機(jī)仍然進(jìn)展迅猛，2009—2015年年均風(fēng)電新增裝機(jī)也達(dá)到了1905萬kW。到2015年為止，我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘恳呀?jīng)達(dá)到了14536萬kW[1-2]。

隨著并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電穿透率日漸提升，對(duì)風(fēng)力發(fā)電的研究重點(diǎn)逐漸從風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電能質(zhì)量轉(zhuǎn)移到了由并網(wǎng)風(fēng)機(jī)所引起的電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性問題上[3]。由于各類風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作原理和連接方式與傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)組均有較大的差異，以前的穩(wěn)定性研究方法和研究工具在并網(wǎng)風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定性問題上難以適用。電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)與機(jī)電暫態(tài)的仿真是研究該問題的重要手段，而對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的準(zhǔn)確建模是該研究方法有效的重要保證[4]。

本文從不同的角度，對(duì)國(guó)內(nèi)外在大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)影響電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性方面的各研究成果進(jìn)行了總結(jié)，為后續(xù)的研究提供了思路和啟發(fā)。

1 風(fēng)電機(jī)組及其控制策略的建模

1.1 風(fēng)速及風(fēng)力機(jī)建模

風(fēng)力機(jī)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的原動(dòng)機(jī)，工作時(shí)捕獲風(fēng)中的動(dòng)能并將其轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。許多文獻(xiàn)都從貝茲理論[5-10]出發(fā)，建立了風(fēng)速、風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速與風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)軸上的輸出功率與輸出力矩的關(guān)系，如式（1）、式（2）所示，并可以據(jù)此畫出不同風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)的輸出功率與風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系，如圖1所示。

圖1 不同風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)的輸出功率特性

（2）

在對(duì)風(fēng)速的建模中，根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，有的文獻(xiàn)將風(fēng)速看做恒定值，有的文獻(xiàn)采用了四分量法[7]對(duì)短時(shí)間內(nèi)的風(fēng)速變化情況進(jìn)行了模擬。文獻(xiàn)[6]將時(shí)間序列法應(yīng)用于風(fēng)速與風(fēng)力發(fā)電功率的預(yù)測(cè)，引入了Weibull分布對(duì)時(shí)間序列法預(yù)測(cè)得到的風(fēng)速序列進(jìn)行了修正，并與時(shí)序神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法風(fēng)速預(yù)測(cè)進(jìn)行對(duì)比。文獻(xiàn)[11]則使用了時(shí)間序列法得出了一種適合于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組暫態(tài)特性仿真的風(fēng)速模型。

1.2 傳動(dòng)軸模型

傳動(dòng)軸在風(fēng)電機(jī)組中用于傳遞風(fēng)力機(jī)的輸出功率。大部分文獻(xiàn)中均采用了雙集中質(zhì)量塊法[4-12]來描述傳動(dòng)軸的彈性動(dòng)態(tài)。除此之外，還有一些別的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，例如文獻(xiàn)[12]中提到的三質(zhì)量塊等效模型及單質(zhì)量塊等效模型，以及文獻(xiàn)[13]提到的基于行星齒輪機(jī)構(gòu)的風(fēng)電齒輪箱模型。文獻(xiàn)[14]提出了一種可以借助發(fā)電機(jī)功率控制來調(diào)整風(fēng)力機(jī)偏航方向的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)機(jī)構(gòu)模型，但是該機(jī)構(gòu)及其控制過于復(fù)雜，不便于大規(guī)模應(yīng)用。

1.3 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)建模

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組（DFIG）是一種已經(jīng)被廣泛應(yīng)用的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)型，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

與其他的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)型相比，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)有許多優(yōu)點(diǎn)，例如雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的電力電子變流器只需要對(duì)轉(zhuǎn)子的功率進(jìn)行變換與處理，大大減小了所需要的變流器容量；還可以通過對(duì)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的控制實(shí)現(xiàn)雙饋發(fā)電機(jī)定子的有功、無功解耦控制，在運(yùn)行上具有很大的靈活性[3]。文獻(xiàn)[10-15]均給出了雙饋發(fā)電機(jī)的5階模型與3階模型，并通過仿真手段比較了兩個(gè)模型的區(qū)別。3階模型與5階模型相比，略去了定子磁鏈的變化動(dòng)態(tài)，因此模型更加簡(jiǎn)潔。式（4）為DFIG的5階矢量表示的數(shù)學(xué)模型。

在仿真計(jì)算中，一方面與5階模型的差別并不明顯，另一方面可以省去較多的計(jì)算時(shí)間，且在電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真計(jì)算中，3階模型可以更好地與電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)接。文獻(xiàn)[16]在雙饋發(fā)電機(jī)的5階模型基礎(chǔ)上使用定子磁鏈跟蹤同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系提出了雙饋發(fā)電機(jī)的直接功率控制方法；文獻(xiàn)[17]在文獻(xiàn)[16]的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)電壓不對(duì)稱情況下的雙饋發(fā)電機(jī)直接功率控制。文獻(xiàn)[9]利用AMPSO算法，先通過試測(cè)法得到了雙饋電機(jī)對(duì)擾動(dòng)的響應(yīng)曲線，再使用基于AMPSO算法的電機(jī)模型參數(shù)辨識(shí)方法建立了雙饋電機(jī)的等值模型，最后通過仿真證實(shí)了該模型的有效性。

1.4 永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)建模

永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)（PMSG）是一種以多極永磁同步電機(jī)作為發(fā)電機(jī)，并將全部發(fā)電功率通過電力電子變流器變換為工頻電能饋入電網(wǎng)的一種新型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)，系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

PMSG風(fēng)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型為

文獻(xiàn)[5,18-19]等詳細(xì)介紹了多極永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理，并且給出了多極永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，如式（5）所示。文獻(xiàn)[20]介紹了一種采用了雙星形定子繞組的多極永磁同步電機(jī)，并給出了其數(shù)學(xué)模型和d、q軸解耦控制方法。背靠背連接的三相電壓源型變流器是永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的一個(gè)重要部分，文獻(xiàn)[21]給出了電機(jī)側(cè)及電網(wǎng)側(cè)的電力電子變流器的數(shù)學(xué)模型。零d軸電流是一種最常用的永磁同步電機(jī)控制方法，文獻(xiàn)[5-22]闡述了電機(jī)側(cè)變流器的零d軸電流控制方法，并指出該控制方法的優(yōu)點(diǎn)在于可以實(shí)現(xiàn)電流大小與轉(zhuǎn)矩的線性關(guān)系，以及能夠保護(hù)永磁體，使其不被電機(jī)定子上的去磁電流退磁等。

2 風(fēng)電場(chǎng)等值

目前的大多數(shù)風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)常由幾十臺(tái)甚至上百臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成，集中并網(wǎng)發(fā)電。在實(shí)際的仿真運(yùn)算中，如果對(duì)風(fēng)電場(chǎng)中的每一臺(tái)機(jī)組均進(jìn)行詳細(xì)地建模與計(jì)算，將會(huì)導(dǎo)致過長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間消耗和過度的內(nèi)存使用。為了解決這個(gè)問題，需要對(duì)風(fēng)電場(chǎng)建立動(dòng)態(tài)的等值模型，來減少仿真計(jì)算時(shí)的計(jì)算資源消耗[23-24]。風(fēng)電場(chǎng)等值有多種不同的等值方法，針對(duì)采用了不同機(jī)型的風(fēng)電場(chǎng)，在搭建等值模型時(shí)也有很多不同之處。

風(fēng)電場(chǎng)中的風(fēng)機(jī)分群是風(fēng)電場(chǎng)等值的重要的一環(huán)。文獻(xiàn)[25-29]指出，分群的前提是群內(nèi)的機(jī)組同調(diào)，常用的信息源包括風(fēng)電機(jī)組的初始運(yùn)行狀態(tài)、狀態(tài)量在受擾初始時(shí)刻的數(shù)據(jù)及受擾過程中的事件響應(yīng)數(shù)據(jù)等。文獻(xiàn)[29-31]均采用了聚類分析的方法來搜索風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的同調(diào)風(fēng)電機(jī)組，區(qū)別主要在于分群指標(biāo)的選取，其中文獻(xiàn)[29]選取的是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在故障發(fā)生后的幾個(gè)時(shí)間點(diǎn)的轉(zhuǎn)速，而文獻(xiàn)[30]選取的是各風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在風(fēng)電場(chǎng)PCC發(fā)生三相短路故障后的機(jī)端電壓動(dòng)態(tài)軌跡作為分群的依據(jù)。文獻(xiàn)[32]基于風(fēng)電場(chǎng)功率曲線，提出一種作用于等值風(fēng)力機(jī)模型上的等值集合風(fēng)速模型，這能夠解決由于風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)各風(fēng)機(jī)所受風(fēng)速不同而產(chǎn)生的等值困難的問題。

文獻(xiàn)[25]總結(jié)了幾種針對(duì)采用了籠型異步發(fā)電機(jī)的風(fēng)電場(chǎng)等值方法，分別為容量加權(quán)單機(jī)等值方法、改進(jìn)加權(quán)單機(jī)等值方法、參數(shù)變換單機(jī)等值方法和變尺度降階多機(jī)等值方法，其中參數(shù)變換單機(jī)等值方法適用于采用了多種不同型號(hào)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)電場(chǎng)；變尺度降階法一般用于風(fēng)電機(jī)組參數(shù)一致且排列規(guī)則的風(fēng)電場(chǎng)，這種方法考慮了尾流效應(yīng)和風(fēng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)的不同。文中在對(duì)風(fēng)速尾流效應(yīng)的建模方面選擇了Jensen尾流效應(yīng)模型。隨著新型的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的普及，針對(duì)籠型異步風(fēng)電場(chǎng)的等值方法的應(yīng)用場(chǎng)合將會(huì)變少，但是針對(duì)尾流效應(yīng)的Jensen模型仍然可以應(yīng)用于變速恒頻風(fēng)電場(chǎng)中的尾流效應(yīng)仿真中。

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的迅速發(fā)展，雙饋籠型風(fēng)電場(chǎng)的裝機(jī)量顯著增大，且在海上風(fēng)電領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣泛。雙饋籠型風(fēng)電場(chǎng)采用了具有變速恒頻運(yùn)行性能的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，與籠型異步風(fēng)電場(chǎng)相比，其運(yùn)行的靈活性有很大的改善，動(dòng)、暫態(tài)特性也與籠型異步風(fēng)電場(chǎng)有所區(qū)別。文獻(xiàn)[33]提出了基于雙饋風(fēng)電機(jī)組參數(shù)聚合的風(fēng)電場(chǎng)等效方法；文獻(xiàn)[34]在考慮雙饋風(fēng)電機(jī)組分群的前提下，針對(duì)同群機(jī)組采用了參數(shù)聚合方法進(jìn)行了等效建模；文 獻(xiàn)[35]考慮風(fēng)速波動(dòng)和風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)集電網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，基于分群的參數(shù)聚合方法建立了整個(gè)雙饋風(fēng)電場(chǎng)的等值模型。實(shí)際投運(yùn)的雙饋風(fēng)電機(jī)組均帶有Crowbar保護(hù)電路，該電路是雙饋風(fēng)電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)故障穿越的關(guān)鍵。文獻(xiàn)[36]考慮雙饋風(fēng)電機(jī)組的Crowbar電路，選擇Crowbar電路的投入時(shí)間與電阻值，建立了考慮Crowbar動(dòng)作特性的雙饋機(jī)組風(fēng)電場(chǎng)等效模型。

永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組也是一類重要的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。與雙饋風(fēng)電機(jī)組相比，永磁同步風(fēng)電機(jī)組的控制回路少，控制比較簡(jiǎn)單；永磁同步風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)采用電壓源型交直交變頻器，容量達(dá)到了永磁同步電機(jī)額定容量的1.2～1.4倍，在實(shí)現(xiàn)柔性并網(wǎng)的同時(shí)產(chǎn)生了較大的成本；相同容量的永磁同步風(fēng)電機(jī)組的裝機(jī)成本大于雙饋風(fēng)電機(jī)組[37]。文獻(xiàn)[38]根據(jù)基于風(fēng)電場(chǎng)出力計(jì)算的等值風(fēng)速曲線，采用參數(shù)聚合法，建立了考慮風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部集電線路參數(shù)的永磁同步風(fēng)電場(chǎng)等值模型。文獻(xiàn)[39]采用單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組模型與理想受控電流源結(jié)合的方式，建立了永磁直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)的聚合模型。

風(fēng)電場(chǎng)等值的目的是避免計(jì)算機(jī)在對(duì)風(fēng)電場(chǎng)仿真時(shí)需要對(duì)場(chǎng)內(nèi)每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組逐一建模仿真，防止仿真模型“維數(shù)災(zāi)”的出現(xiàn)。在目前的研究中，針對(duì)該問題的研究思路主要有兩種：①在已知風(fēng)電場(chǎng)所采用風(fēng)電機(jī)組型式的前提下，根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)的外特性，采用單機(jī)或多機(jī)等值方法來得出風(fēng)電場(chǎng)的等效模型，并使用一些智能算法找出風(fēng)電場(chǎng)等效模型的參數(shù)；②通過詳細(xì)分析風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的各風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀況以及結(jié)線方式，在根據(jù)機(jī)組的運(yùn)行狀況合理分群后，運(yùn)用合理的等值方法，得出該風(fēng)電場(chǎng)聚合模型的各個(gè)參數(shù)?？偠灾?，風(fēng)電場(chǎng)的等值，也即風(fēng)電場(chǎng)聚合建模，主要的目的是平衡風(fēng)電場(chǎng)仿真計(jì)算量與仿真精度。采用較精確復(fù)雜的建模方案，就會(huì)帶來模型階數(shù)過高、計(jì)算資源占用過大等問題；采用簡(jiǎn)單的單機(jī)等值等方法，就有可能出現(xiàn)仿真精度不符合要求等問題。

3 風(fēng)電場(chǎng)的機(jī)電暫態(tài)特性與含風(fēng)電電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性研究

3.1 含風(fēng)電電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性分析的必要性

在大容量風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行的情況下，由于風(fēng)電出力的不確定性，電網(wǎng)的運(yùn)行特性將會(huì)十分復(fù)雜，電網(wǎng)的安全形勢(shì)也與風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)前的傳統(tǒng)電力系統(tǒng)有較大區(qū)別。將并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)電場(chǎng)計(jì)入電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)安全分析，有助于電網(wǎng)調(diào)度部門更好地安排輸電計(jì)劃、更好地對(duì)風(fēng)電場(chǎng)及常規(guī)同步機(jī)組進(jìn)行調(diào)度，在保證安全水平的前提下提高輸電線路的利用率。因此在當(dāng)前風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)的背景下，研究含大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)的電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行安全具有重要意義[40]。

3.2 風(fēng)電場(chǎng)的機(jī)電暫態(tài)模型

不同于傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)組，雙饋風(fēng)電機(jī)組與永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組都是變速恒頻機(jī)組，它們的出力與轉(zhuǎn)速解耦，不能提供與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的電力系統(tǒng)慣量。因此，變速恒頻風(fēng)電場(chǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定特性與傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)組有較大的區(qū)別。在對(duì)含有大規(guī)模風(fēng)電的電力系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)安全分析時(shí)，需要將不同于傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)模型的新型風(fēng)電場(chǎng)的機(jī)電暫態(tài)模型引入電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)安全分析中[33-41]。由于詳細(xì)的風(fēng)電機(jī)組電磁暫態(tài)模型模型考慮了風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子磁鏈的動(dòng)態(tài)以及電力電子變換器的動(dòng)態(tài)特性等，在實(shí)際工程中使用時(shí)存在模型過于復(fù)雜、計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)等問題。因此必須開發(fā)一個(gè)由風(fēng)電機(jī)組電磁暫態(tài)模型簡(jiǎn)化而來的機(jī)電暫態(tài)模型，才能滿足電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真的要求[42]。文獻(xiàn)[41]基于異步電機(jī)三階模型，在考慮轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的控制策略與Crowbar保護(hù)的動(dòng)作特性的前提下建立了適用于機(jī)電暫態(tài)仿真的雙饋風(fēng)電機(jī)組模型。文獻(xiàn)[42]在PSASP與PSCAD兩種仿真環(huán)境下測(cè)試了簡(jiǎn)化的雙饋風(fēng)電機(jī)組機(jī)電暫態(tài)模型。文中所介紹的模型與詳細(xì)的電磁暫態(tài)模型能夠較精確地吻合，在保證計(jì)算精度的前提下大大減少了計(jì)算時(shí)間。

機(jī)電暫態(tài)模型與電磁暫態(tài)模型之間最大的區(qū)別在于，機(jī)電暫態(tài)模型僅需計(jì)及仿真對(duì)象的電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等運(yùn)行數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)，而對(duì)于電氣量均采用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的模型來表示。這樣做的優(yōu)點(diǎn)在于，風(fēng)電場(chǎng)模型與電氣網(wǎng)絡(luò)之間的配合更加簡(jiǎn)單，而且能夠合理地規(guī)避暫態(tài)下由電磁暫態(tài)造成的電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)等問題，使仿真計(jì)算更加簡(jiǎn)潔。由于采用不同機(jī)型的風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)方式不同，其機(jī)電暫態(tài)模型也有較大的差異。以雙饋風(fēng)電場(chǎng)與永磁直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)為例，雙饋風(fēng)電場(chǎng)的定子直接并網(wǎng)，轉(zhuǎn)子則通過勵(lì)磁變頻器作交流勵(lì)磁運(yùn)行，故在建立機(jī)電暫態(tài)模型時(shí)可以參照同步發(fā)電機(jī)的機(jī)電暫態(tài)模型，使用電機(jī)的暫態(tài)電抗，以及在機(jī)電暫態(tài)過程中不變的暫態(tài)電勢(shì)來表示場(chǎng)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組在機(jī)電暫態(tài)過程中的動(dòng)態(tài)。但是這種建模方法沒有考慮雙饋發(fā)電機(jī)組與同步發(fā)電機(jī)組之間的差異，特別是機(jī)組結(jié)構(gòu)和其分別對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁系統(tǒng)之間的差異。這樣就有可能導(dǎo)致仿真結(jié)果不夠精確。也有部分模型采用了DFIG 3階動(dòng)態(tài)方程，并考慮其運(yùn)行控制系統(tǒng)，也即其勵(lì)磁系統(tǒng)，形成完整的DFIG機(jī)電暫態(tài)模型，進(jìn)而推導(dǎo)出雙饋風(fēng)電場(chǎng)的機(jī)電暫態(tài)模型。這種模型雖然能夠提供精度很高的仿真結(jié)果，但是不論DFIG發(fā)電機(jī)組本身還是其控制系統(tǒng)，都含有較多的狀態(tài)變量，造成整個(gè)模型階數(shù)過高，不利于仿真計(jì)算的運(yùn)行。現(xiàn)在比較常用的雙饋風(fēng)電場(chǎng)模型，多為注入電流源模型、功率注入模型與恒阻抗模型等，例如文獻(xiàn)[42]所提出的“電流源-電壓源-無源阻性”三狀態(tài)切換模型。這類簡(jiǎn)單的模型在暫態(tài)中可以大致地代表雙饋風(fēng)電場(chǎng)自身的機(jī)電暫態(tài)特性以及其對(duì)電力系統(tǒng)的影響，但是精確度并不高，因此常用于定性的直接法研究。永磁直驅(qū)型風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)方式比較簡(jiǎn)單，其所有功率均通過一個(gè)交直交變頻器變換成工頻的電能后，注入電網(wǎng)，因此其機(jī)電暫態(tài)特性主要體現(xiàn)為永磁直驅(qū)機(jī)組中并網(wǎng)變換器的暫態(tài)特性。并網(wǎng)變換器的運(yùn)行控制十分靈活，在機(jī)電暫態(tài)仿真計(jì)算中可以看作網(wǎng)側(cè)變換器濾波電抗后面的受控電壓源。因此其機(jī)電暫態(tài)特性可以等效為網(wǎng)側(cè)變換器的功率注入特性，主要受到網(wǎng)側(cè)變換器控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響。

綜上所述，在建立風(fēng)電場(chǎng)的機(jī)電暫態(tài)模型時(shí)首先要考慮場(chǎng)內(nèi)裝機(jī)的機(jī)型，再結(jié)合一些等值建模方法，才能最終得出合理的結(jié)果。

3.3 含大規(guī)模風(fēng)電電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性分析

電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，主要的方法有時(shí)域仿真法與暫態(tài)能量函數(shù)法（EEAC）[42-43]。一般而言，時(shí)域仿真法的適應(yīng)性比較強(qiáng)，物理意義明確，可以根據(jù)仿真計(jì)算得出的軌跡準(zhǔn)確地判斷電力系統(tǒng)在某個(gè)故障發(fā)生時(shí)的暫態(tài)穩(wěn)定性，但是時(shí)域仿真法無法給出穩(wěn)定性的定量指標(biāo)。直接法通常有暫態(tài)能量函數(shù)法和擴(kuò)展等面積準(zhǔn)則法等，優(yōu)點(diǎn)在于計(jì)算速度快、可以給出穩(wěn)定裕度，但是這種方法對(duì)模型的適應(yīng)性不夠好。實(shí)踐證明，直接法與時(shí)域仿真法互補(bǔ)性強(qiáng)，無法互相取代。將兩種方法相結(jié)合既能增強(qiáng)模型的適應(yīng)性、得到精確的仿真軌跡，又可以計(jì)算出各種穩(wěn)定性指標(biāo)。

在目前的研究中，一部分文獻(xiàn)[44-47]采用了時(shí)域仿真的方法來研究含風(fēng)電電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[44]認(rèn)為風(fēng)場(chǎng)并網(wǎng)后的電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性與并網(wǎng)點(diǎn)、故障位置均相關(guān)，與同容量的同步機(jī)組相比可能使系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性變好，也可能變差，不能一概而論。文獻(xiàn)[45]通過仿真研究了大風(fēng)電比例送端電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，文獻(xiàn)[46]定義了雙饋電機(jī)的功角，闡述了雙饋風(fēng)電機(jī)組對(duì)電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性影響的機(jī)理。這部分文獻(xiàn)得到的結(jié)論基本一致，即認(rèn)為新型的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)代替原有的同步發(fā)電機(jī)組時(shí)，可以通過對(duì)機(jī)組的故障穿越控制，使整個(gè)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性得到增強(qiáng)。但是沒有總結(jié)出風(fēng)場(chǎng)接入對(duì)系統(tǒng)暫穩(wěn)性能影響的普遍規(guī)律。

文獻(xiàn)[48-55]應(yīng)用擴(kuò)展等面積準(zhǔn)則，在雙機(jī)系統(tǒng)中通過研究風(fēng)機(jī)接入導(dǎo)致的功角變化及功角加速度變化，來給出系統(tǒng)在接入風(fēng)機(jī)后的暫態(tài)穩(wěn)定性變化情況，最后通過時(shí)域仿真來驗(yàn)證文中所提的暫穩(wěn)特性變化規(guī)律。文獻(xiàn)[50]將風(fēng)場(chǎng)的機(jī)械功率及注入有功功率等效成同步發(fā)電機(jī)組的機(jī)械功，并由此推導(dǎo)含風(fēng)電電力系統(tǒng)的擴(kuò)展等面積準(zhǔn)則。文獻(xiàn)[48-49]在系統(tǒng)無功補(bǔ)償措施充足、風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)公共連接點(diǎn)PCC電壓波動(dòng)較小的情況下，采用了雙饋風(fēng)電場(chǎng)功率注入模型，即認(rèn)為故障后的瞬間風(fēng)電即可恢復(fù)故障發(fā)生之前的出力水平，沒有波動(dòng)過程。但是文獻(xiàn)[53]認(rèn)為，在并網(wǎng)功角穩(wěn)定水平影響研究中，將雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)等效為恒功率源進(jìn)行分析，較之實(shí)際工況是較為保守的。文獻(xiàn)[51]認(rèn)為DFIG風(fēng)電場(chǎng)在故障恢復(fù)之后應(yīng)當(dāng)看做恒阻抗功率源，即出力與電壓幅值相關(guān)。多數(shù)文獻(xiàn)[50-55]在應(yīng)用擴(kuò)展等面積法的時(shí)候都采用了系統(tǒng)的交流潮流模型，即功角特性為一個(gè)正弦函數(shù)，但是文獻(xiàn)[48-49]采用了直流潮流模型，即認(rèn)為系統(tǒng)中傳送的功率與功角差成正比。這種模型雖然在系統(tǒng)功角差較大時(shí)有較大誤差，但是能夠在保證定性判斷的準(zhǔn)確性的前提下降低分析過程的復(fù)雜程度，有一定實(shí)用價(jià)值。

基于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析的直接法及其部分延伸方法在大規(guī)模風(fēng)電接入對(duì)電力系統(tǒng)暫穩(wěn)性能影響的研究方面也有所應(yīng)用。文獻(xiàn)[56]以機(jī)電暫態(tài)分析中負(fù)荷的暫態(tài)能量為切入點(diǎn)，提出了風(fēng)電場(chǎng)端口能量的概念，并將其應(yīng)用于風(fēng)電系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定分析中。文獻(xiàn)[57]介紹了含風(fēng)電電力系統(tǒng)失穩(wěn)模式與系統(tǒng)方程奇異面之間的關(guān)系，并指出風(fēng)電比例的增加會(huì)使系統(tǒng)的非線性增強(qiáng)，從而改變系統(tǒng)的失穩(wěn)模式。另一些研究中[58-59]著重考慮了風(fēng)電場(chǎng)本身的一些特性，例如文獻(xiàn)[58]引入了與風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)地理位置相關(guān)的風(fēng)速相關(guān)性，文獻(xiàn)[59]考慮了風(fēng)電不確定性對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性影響，這表明，之前只在宏觀的系統(tǒng)調(diào)度中考慮的一些因素，現(xiàn)在也被引入到了含風(fēng)電電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定研究中來。

綜上所述，含風(fēng)電電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性與眾多因素有關(guān)，包括風(fēng)電穿透率、系統(tǒng)中同步機(jī)組的負(fù)荷情況、風(fēng)電場(chǎng)所采用的風(fēng)電機(jī)組型式有關(guān)。一般而言，在大規(guī)模風(fēng)電的接入不改變電力系統(tǒng)潮流的情況下，只要風(fēng)電場(chǎng)本身具有故障時(shí)無功補(bǔ)償?shù)哪芰?，那么風(fēng)電場(chǎng)的接入是有利于電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定的。因此與恒速恒頻的鼠籠式風(fēng)電機(jī)組相比，新式的變速恒頻機(jī)組一般能夠使電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性增強(qiáng)，但是風(fēng)電占比很大的情況仍然有待研究。需要強(qiáng)調(diào)的是，若風(fēng)電的接入改變了系統(tǒng)運(yùn)行的潮流、同步發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，那么得出的結(jié)論是不具參考價(jià)值的。

4 總結(jié)與展望

隨著風(fēng)力發(fā)電比例的不斷增加，在電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定安全校核方面考慮風(fēng)電的并網(wǎng)和出力已經(jīng)不可避免。雖然各類風(fēng)電場(chǎng)建模方法的研究已經(jīng)逐步完善，但是如何在暫態(tài)穩(wěn)定仿真計(jì)算中通過合理地簡(jiǎn)化風(fēng)電場(chǎng)模型，來達(dá)到又快又好的仿真效果仍然沒有定論。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及風(fēng)電場(chǎng)建模方面，很多電力系統(tǒng)仿真軟件已經(jīng)開發(fā)了內(nèi)置的動(dòng)態(tài)模型，例如PSASP、PSCAD、DIgSILENTPowerFactory等。但是這些模型只能適用于各自的仿真環(huán)境，與其他仿真軟件不兼容，通用性不高，且模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不夠清晰，同條件下各模型之間的仿真結(jié)果也有所差異。

本文對(duì)含大規(guī)模風(fēng)電電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性問題及相應(yīng)的分析方法進(jìn)行了綜述，總結(jié)其內(nèi)容如下：

在風(fēng)電場(chǎng)的建模方面，大部分研究都采用了基于風(fēng)電場(chǎng)所采用風(fēng)電機(jī)組本身的暫態(tài)特性的方法，即根據(jù)風(fēng)電機(jī)組本身的電磁暫態(tài)特性，在采取了簡(jiǎn)化措施之后，保留與機(jī)電暫態(tài)的時(shí)間尺度比較相關(guān)的一部分特性，即可得到適用于機(jī)電暫態(tài)分析的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模型。一些其他研究中，根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)模型，進(jìn)行了機(jī)組運(yùn)行點(diǎn)附近的線性化模態(tài)分析，并應(yīng)用主成分分析方法挑選出機(jī)組在機(jī)電暫態(tài)尺度上的重要暫態(tài)特征模態(tài)。類似的思路可以應(yīng)用到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組暫態(tài)模型的建立上。對(duì)于整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)而言，可采取單機(jī)等值方法為風(fēng)電場(chǎng)建模，也可以依據(jù)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組工作狀態(tài)的不同，可采取不同的方案對(duì)場(chǎng)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行分群，再進(jìn)一步采用組合的風(fēng)電場(chǎng)模型對(duì)其進(jìn)行模擬。應(yīng)當(dāng)指出，各類將風(fēng)電場(chǎng)模型簡(jiǎn)化處理的方法，都是為了避免仿真計(jì)算模型的維數(shù)災(zāi)而開發(fā)的。隨著現(xiàn)在電子計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的跨越性進(jìn)化，最終應(yīng)力求將完整的，包含風(fēng)電機(jī)組精確模型、風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)集電線路電磁暫態(tài)模型的風(fēng)電場(chǎng)模型應(yīng)用與電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性研究中。

在含風(fēng)電電力系統(tǒng)暫態(tài)分析方面，大部分研究中根據(jù)傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)暫態(tài)分析方法，發(fā)展出了一些結(jié)合時(shí)域仿真法和直接法的電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析方法。時(shí)域仿真法方面，當(dāng)前的熱點(diǎn)在于電磁-機(jī)電混合仿真方法在含風(fēng)電電力系統(tǒng)暫態(tài)特性分析中的應(yīng)用。電磁-機(jī)電混合仿真方法是隨著高壓直流輸電系統(tǒng)的投運(yùn)而被提出、開發(fā)的，其本質(zhì)是針對(duì)仿真對(duì)象中特征時(shí)間常數(shù)的數(shù)量級(jí)有區(qū)別的兩個(gè)部分進(jìn)行差異化處理。由于風(fēng)電機(jī)組的多時(shí)間尺度特性，可以利用電磁-機(jī)電混合暫態(tài)仿真方法中的電磁暫態(tài)部分，對(duì)風(fēng)電機(jī)組中涉及到PWM變換裝置、直流母線等環(huán)節(jié)的部分進(jìn)行處理，而對(duì)系統(tǒng)其余時(shí)間常數(shù)與機(jī)電暫態(tài)仿真步長(zhǎng)相近的環(huán)節(jié)應(yīng)用機(jī)電暫態(tài)分析方法處理，以達(dá)到工程上的精度、效率的平衡。直接法方面，目前采用暫態(tài)能量函數(shù)法來研究風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定影響的例子還比較少，大多數(shù)研究中都運(yùn)用了擴(kuò)展等面積準(zhǔn)則，以雙機(jī)搖擺系統(tǒng)為對(duì)象來研究風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響的問題。

由于現(xiàn)有分析理論和手段的種種不足，本文在現(xiàn)有的一些研究成果的基礎(chǔ)上提出如下展望：

1）新型風(fēng)電場(chǎng)等效模型及應(yīng)用

現(xiàn)代的變速恒頻風(fēng)電場(chǎng)均具有較強(qiáng)的故障穿越、無功補(bǔ)償、故障時(shí)的無功電流注入、正負(fù)序電流控制等功能，在系統(tǒng)故障時(shí)可以提高公共連接點(diǎn)電壓水平，減少有功注入，這都有利于系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定。這使得現(xiàn)有的部分研究成果對(duì)風(fēng)電接入后的電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平的判斷不夠準(zhǔn)確。因此，將新型的風(fēng)電場(chǎng)機(jī)電暫態(tài)模型應(yīng)用于含風(fēng)電電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定仿真校核中，可以獲得更加準(zhǔn)確的結(jié)論。

2）電磁暫態(tài)-機(jī)電暫態(tài)混合仿真方法的應(yīng)用

現(xiàn)代的大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)多采用大容量變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其動(dòng)態(tài)特性在很大程度上受到機(jī)組控制系統(tǒng)與電力電子變換器特性的制約。由于風(fēng)電機(jī)組的多時(shí)間尺度特性，與機(jī)電暫態(tài)仿真計(jì)算中的一些仿真對(duì)象（如同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)、電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的動(dòng)作情況、功角的擺動(dòng)等）相比，變速恒頻風(fēng)電機(jī)組中的運(yùn)行控制系統(tǒng)、電力電子變換器等部分的暫態(tài)時(shí)間常數(shù)大大減小，常規(guī)機(jī)電暫態(tài)仿真的時(shí)間尺度無法滿足其分析需要，需要在風(fēng)電場(chǎng)部分應(yīng)用電磁暫態(tài)尺度的仿真手段來對(duì)其暫態(tài)響應(yīng)過程做更進(jìn)一步的研究。在這方面，目前已經(jīng)有SMRT、ADPSS等軟件在直流輸電系統(tǒng)仿真中得到應(yīng)用，但是在其對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的暫態(tài)研究方面還需要繼續(xù)推進(jìn)。

3）智能化的暫態(tài)穩(wěn)定分析方法的提出

現(xiàn)有的含風(fēng)電電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析方法大都是時(shí)域仿真法與直接法或暫態(tài)能量函數(shù)法的結(jié)合。這類方法雖然能在給出精確暫態(tài)過程仿真軌跡的同時(shí)計(jì)算出穩(wěn)定裕度，但還無法對(duì)系統(tǒng)的失穩(wěn)模式做出準(zhǔn)確判斷。因此，將現(xiàn)有的暫態(tài)穩(wěn)定分析方法與模式識(shí)別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能方法結(jié)合起來，提高暫態(tài)穩(wěn)定分析系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，是下一步研究的一個(gè)主題。

4）基于互聯(lián)網(wǎng)與數(shù)據(jù)庫技術(shù)的暫態(tài)穩(wěn)定分析系統(tǒng)的開發(fā)

根據(jù)大部分研究的結(jié)論，大型風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，尤其是出力水平，對(duì)系統(tǒng)在故障下的暫態(tài)穩(wěn)定性影響較大。而風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行受到風(fēng)況、天氣狀況等多重因素的影響，具有較大的不確定性，對(duì)暫態(tài)穩(wěn)定分析系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性有較大影響。因此，利用互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，實(shí)現(xiàn)含風(fēng)電電力系統(tǒng)暫穩(wěn)分析與系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)鏈接，可以有效增強(qiáng)暫穩(wěn)分析系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與有效性，有較高的研究?jī)r(jià)值。

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The Overview of Influence of Large Scale Wind Generation on Transient Stability of Power System

Lin Minwei Wen Buying

(College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350108)

In recent years, as the penetration of wind power in power system growing, the impact of wind farm integration on power system is larger. Firstly, this paper summarizes some relevant achievement such as wind power generation system modelling, wind farm equivalent modelling and transient stability of power system containing wind farm. Then, the summary and comparison of methods of transient stability analysis is proposed. At last, this paper forecast the developing trend of relativetechnology, and make some suggestions to the follow-up studies.

wind generation; VSCF; transient stability; time-domain simulation; direct method

林旻威（1992-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)轱L(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行技術(shù)。