任振宇1，張師，周立新

(1.內蒙古電力集團有限責任公司，內蒙古 呼和浩特 010000 ；2.東北電力大學電氣工程學院，吉林 吉林 132012)

1 引言

近年來，中國的嚴重霧霾所導致的環(huán)境污染引發(fā)了社會的普遍高度重視[1]。高效利用可再生能源發(fā)電，減少煤炭能源發(fā)電，是緩解環(huán)境問題的有效措施。預計在2030年我國可再生能源的用電率達到30%以上[2]。目前，風力發(fā)電作為技術最成熟的可再生能源發(fā)電形式，每年的新增裝機容量正在迅猛增長。

隨著風電并網容量的增加，風電功率的波動給電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定控制也帶來了更多的挑戰(zhàn)，因此，大規(guī)模風電并網對系統(tǒng)的頻率影響是一項值得深入研究的課題[3-5]。

目前，風電并網對系統(tǒng)頻率的影響研究已經取得一些成果，文獻[6]基于實測數據研究了風電功率波動規(guī)律與風電功率波動對電網頻率的影響；文獻[7]研究了風電功率波動對電網頻率動態(tài)過程的影響及風電機組參與調頻的可行性；文獻[8]基于功率濾波算法研究了風電功率波動對系統(tǒng)頻率動態(tài)特性的影響。

基于以上研究，本文首先對風電機組建模，再分析風電功率波動對電力系統(tǒng)各臺同步發(fā)電機頻率動態(tài)行為的影響，最后，采用Matlab工具箱PSAT仿真驗證本文結論有效性。

2 風電機組模型

本文將采用PSAT仿真分析，因此在風電機組建模部分采用PSAT中的雙饋風力發(fā)電機(Double Fed Induction Generator，DFIG)的模型。DFIG的原動機模型如下：

(1)

式中：θp是槳距角，DFIG的原動機槳距角是可調的，通過調節(jié)槳距角可以實現(xiàn)轉子轉速調節(jié)和最有風功率捕獲。

DFIG的發(fā)電機為繞線式異步電機，因此適合采用5階模型分析，可以表示如下：

uds=-rSids+((xS+xm)iqs+xmiqr)

(2)

uqs=-rSiqs-((xS+xm)ids+xmidr)

(3)

udr=-rRidr+(1-ωm)((xR+xm)iqr+xmiqs)

(4)

uqr=-rRiqr-(1-ωm)((xR+xm)idr+xmids)

(5)

P=udsids+uqsiqs+udcidc+uqciqc

(6)

Q=uqsids-udsiqs+uqcidc-udciqc

(7)

(8)

(9)

式中：xS為定子電抗；xR是轉子電抗；

xm是激磁電抗；ωS是定子側頻率；ωr是轉子側頻率；ωc是電網頻率。

DFIG輸出的功率為要考慮定子側功率和轉子側的功率。

DFIG的控制模型主要包括轉子控制、電壓控制、槳距角控制三個部分。

3 風電功率波動對系統(tǒng)頻率的影響

系統(tǒng)中各臺同步發(fā)電機的轉子運動方程可以表示為：

(10)

式中：ωi為第i臺同步發(fā)電機的轉速；Tji為第i臺同步發(fā)電機的慣性時間常數；PMi為第i臺同步發(fā)電機的機械功率；PEi為第i臺同步發(fā)電機的電磁功率。

當風電功率波動時，會影響各臺同步發(fā)電機的電磁功率，從而造成各臺發(fā)電機的轉速發(fā)生變化，從而影響各臺發(fā)電機的機端的頻率。

設風電機組機端電壓為Uwind，傳統(tǒng)同步發(fā)電機的機端電壓Usyn，風電機組和同步發(fā)電機間的等值電抗為Xwind-syn，電壓相角差為δwind-syn；同步發(fā)電機與風電機組之間的傳輸功率可以表示為：

(11)

當風電功率發(fā)生波動時，會使風電機組的機端電壓相角δwind發(fā)生波動，從而改變δwind-syn，根據公式(11)，會改變風電機組與同步發(fā)電機間的傳輸功率，從而改變同步發(fā)電機的電磁功率PEi。傳輸功率的波動大小與Xwind-syn成反比，當風電機組和同步發(fā)電機的機端電壓一定時，Xwind-syn越大，同步發(fā)電機的電磁功率波動越小，轉速變化越小，從而頻率波動越小。

從以上分析可以看出，當風電功率發(fā)生波動，會使同步發(fā)電機的電磁功率也隨之發(fā)生波動，當同步發(fā)電機距離風電機組越遠，所受影響越小。此外，當同步發(fā)電機慣性較小時，頻率也會受到較大影響。

4 算例分析

采用WSCC3機9節(jié)點系統(tǒng)算例，分析風電并網對系統(tǒng)頻率的影響，PSAT的仿真算例如圖1所示，網絡額定電壓230kV，額定頻率60Hz，各臺同步發(fā)電機采用經典二階模型。

圖1 DFIG接入WSCC3機9節(jié)點系統(tǒng)

圖1中DFIG接入位置為bus9，在bus1、bus2、bus3分別接入了頻率監(jiān)測模塊，設置DFIG為100臺1MW的機組通過35kV箱變接入升壓變壓器，升至230kV電壓等級接入電網。

風速模型采用合成風力模型，本文只采用其中的初始風速和隨機風速兩部分，風速設置如圖2所示。

設置仿真時間20s，采用變步長積分，風速如圖3所示，圖4為bus1、bus2、bus3母線頻率。

從圖4可以看出，bus3的頻率波動較大，這是由于bus9距離bus3最近，因此bus3的頻率受擾較嚴重。此外，bus3所連的同步發(fā)電機慣性時間常數最低。為驗證各臺發(fā)電機慣性對頻率波動的影響，將DFIG接入bus4，風速模型仍然采用合成風力模型，隨機風速如圖5所示。

圖2 PSAT中的風速模塊

圖3 風速波動

圖4 bus1、bus2和bus3母線頻率

圖5 風速波動

該風速擾動下，各母線的頻率波動如圖6所示。

圖6 bus1、bus2和bus3母線頻率

從圖6可以看出，bus1、bus2和bus3母線的頻率波動情況相差不多，盡管風電接入的位置距離bus1較近，但由于bus1所接的同步的發(fā)電機的慣性較大，因此bus1頻率波動與其他節(jié)點頻率波動情況相差不多。

5 結論

本文分析了大規(guī)模風電并網對系統(tǒng)頻率的影響，通過分析可以得出以下結論：

由于系統(tǒng)各位置的發(fā)電機慣性不同，功率波動也不同，因此使得電力系統(tǒng)的頻率也不同。

風電接入位置對系統(tǒng)頻率動態(tài)過程有較大影響，在風速波動時，距離風電越近的節(jié)點，頻率受擾越嚴重。

發(fā)電機慣性對頻率也有較大影響，慣性越大，對風功率波動的抗擾能力越強，頻率波動越小。