2011年 第5卷 增刊2 南方电网技术 2011南网技术论坛获奖论文 201，Vol. 5，Supplement 2 SOUTHERN POWER SYSTEM TECHNOLOGY Articles Awarded in CSG Forum, 2011 文章编号：1674-0629(2011)S2-0122-04 中图分类号：TM35 文献标志码：A 双馈风机的动态稳定分析 覃晖，张菁 （广西电力工业勘察设计研究院，南宁530023） 摘要：本文探讨了双馈型风电场并网后对地区电网动态稳定性的影响。建立了风电机组的空气动力学模型、轴系模型及桨距角控制系统模型；并在此基础上推导了风电场接入后的地区电网动态稳定特征值分析的状态矩阵。对风电机组接入的广西电网动态稳定性的影响进行全面的仿真分析，仿真证明，通过调整风电场的接入位置，以及采用变速风电机组的稳定控制模型，这两种方式能够有效改善系统阻尼，增强系统动态稳定性。 关键词：双馈风机；并网风电场；动态稳定分析；振荡模态；阻尼特性 Dynamic Stability Analysis of the Wind Farm with DFIGs QIN Hui, ZHANG Jing (Guangxi Electric Power Industry Investigation Design and Research Institute (GXED), Nanning 530023, China) Abstract: The impact of grid-connected wind farms with doubly-fed induction generators(DFIG) on power system dynamic stability is systematically assessed. In the double-fed wind turbine modeling, the linearized status equations of the aerodynamic model, shaft system model and pitch control model of the wind turbine generator are established for analyzing dynamic stability. Then, the corresponding state matrix related to the dynamic stability analysis with grid-connected wind faims of the DFIG type is deduced. A comprehensive simulation on dynamic stability of Guangxi Power Grid with wind turbine access is conducted. The simulation result shows that through adjusting the location of wind farm access and variable speed wind turbine control model can effectively improve the system damping and enhance the dynamic stability of power system. Key words: doubly-fed induction generator (DFIG); grid-connected wind farm; oscillation mode; dynamic stability analysis; damping characteristics 随着电力电子技术的快速发展，变速风机、特态稳定性的分析方面需要进行深入研究和探讨。 别是双馈变速发电机组，相比于传统的恒速风机，本文从系统的角度出发，结合双馈风机的特性可以更有效地利用风能，为电网提供无功和电压支及来分析风电场并网后对电力系统动态稳定的影[1-3]持。 响。首先建立了双馈风机实用机电模型，并在转子随着风电场装机规模越来越大，接入的电压等侧变频器建模中引入定子磁链定向控制策略实现定级开始发展到输电网，在风力发电的这种发展趋势子有功、无功功率的解耦控制；在此基础上推导了下，对含风电场的电力系统进行小干扰稳定及阻尼含风电机组的电力系统状态方程；最后以广西电网特性分析成为非常迫切的课题。文献[4-5]提出了恒为例，对风电场接入电力系统小干扰稳定及阻尼特速风机的动态稳定分析模型，并将其用于分析系统性的影响进行了不同角度的仿真分析，并得出了一振荡模式；文献[6-8]的研究针对基于双馈风机或风些初步的有意义的结论。 电场接入的电力系统小扰动问题；文献[9]详细推导1 双馈变速风电机组建模 了双馈变速风电机组的轴系模型和发电机模型，在双馈发电机模型中对定子暂态过程进行了分析。目 风电机组建模 前，大部分文献分析风电场对系统小干扰稳定性影基于双馈感应发电机（DFIG）的变速、变桨控响时，采用复杂的电磁暂态模型和较为简单的测试制风电机组如图1所示。发电机定子直接交流接入系统，着重分析双馈风机在系统出现小扰动情况下电网，转子通过部分功率变频器溃入电网。双馈风的运行状态和特点，而风电场接入后的电力系统动力发电机组的动态建模主要分为机械部分、双馈发
增刊2 覃晖，等：双馈风机的动态稳定分析 123 电机和变频器 ∴3个部分。本文主要研究机组的电气sQ Q ∴X I ， （ 6） gssmdrX部分，即重点对双馈发电机和变频器进行建模。 sdsXm2H T T UI T。 （7） 变频器控制系统建模 双馈变速发电机的转子侧变频器用于实现风电机组有功、无功的解耦控制，达到控制风电机组变速运行并提供无功电压控制能力的目的。双馈发电机的变频器由电网侧变频器、转子侧变频器、直流 平波电容以及相应控制装置组成，如图1所示。本图1 双馈发电机模型 文假定电网侧变频器为理想变频器，直流母线电压双馈发电机模型由电压方程、磁链方程和转矩恒定。对于转子侧变频器，引入定子磁链定向控制功率方程组成，并作如下假设： 对双馈发电机的有功、无功功率进行解耦，将转子1） 忽略磁链饱和效应； 侧变频器等效为电压控制电流源。在定子磁链定向2）ˆˆ 在整个变速风机中，采用“单一惯性系统”，控制的基础上，引入2个新变量U，U： drqr即用一个单一惯性表示所有旋转部件的惯性总和； X χdIrdrˆ3） 忽略定子磁链的暂态过程并忽略定子电U R I ， （8） drrdr Ζdts阻。 '在经过派克变换并引入定子磁链定向控制后，dIXqrrˆU R I 。 （9） qrrqr将相应的磁链方程带入电压方程中，经过整理，可 Ζdts得到 控制系统由内外2个控制环组成。其中内侧为U 0 ， （1） 电流控制环；外侧为功率控制环。如图2，3所示。 dsU ∴ U ， （2） qsstX χdIrdrU R χIsXI ， （3） dtrdrrqr Ζdts dχIXqrmU R I χsXI s ∴。 （ 4） qrrqrrdrs ΖdtXs 式中：下标d和q分别表示派克变化后的d轴和q 图2 转子侧变频器无功控制框图 轴；r和s分别表示转子绕组和定子绕组；U为双馈t发电机定子侧的机端电压，在定子磁链控制过程中2保持常数； χXX X/ X。 rrms考虑到电网侧变频器经常工作在功率因数为1的条件下，因此Q 0 ，发电机输出无功等于定子r 侧输出无功，即Q Q 。在稳态情况下，可以证明gs图3 转子侧变频器有功控制框图 转子侧的有功输出与定子侧有功输出满足P sP ， 在实际运行中，转差率s通常较小，因双馈风电机组模型可以由双馈发电机模型和对rs此可以近似认为P P 。 应变频器模型所构成的以下模型来表示： gs1所以机组定子侧有功、无功功率方程和转矩方I (U XI )， （10） dstmdrX程可表示为 s ∴1sP P| XI ， （5） I X I ， （11） gsmqrqsqrmXXss
124 南方电网技术 第5卷 [12-13]dsX系统的动态稳定性和振荡模式。本文将前文所m2H T T UI T ， （ 12） emtqrmdt述的双馈风机组成的风电场模型引入到如上电力系sdI Ζ Ζ统动态稳定分析中，在系统的某一运行点进行线性drssˆ I U ， （13） drdrχ χdtTX化，计算包含双馈变速风电场模型的系统状态方程rrdIX Ζ1 /。 / 的特征值反映相应的系统的振荡模态及dr_refmswfwf KU()I 1tdr χdtTT阻尼特性。 sr12X ΖKUms1tˆKUU ( Q)， （14） tdrsefXX χTXsr1sˆdU1KΖ Ζdrs2sˆ K( )I I K U， 2drdr_ref2drχχdtTTTX（15） dI Ζ Ζqrssˆ I U ， （16） qrqrχχdtTXrr dIX Ζ1qr_refms KU()I 图4电力系 统接线图 1tqr χdtTTsr1系统低频振荡频率一般在~2 Hz，故本文选X ΖKms1ˆKUU P ， （17） 取振荡频率为 Hz、 Hz、 Hz的振荡模态1tdrsrefXX χTsr1进行分析。 ˆdU1 KΖ Ζqr1） 改变风电场出力状态 2ˆ K()I I K U。（18 ） 2qrqr_ref2qrχχdtTTTX本文对无风电场接入（风电场出力为0%），风本文假设风电场各台风机工作状态相同，即把电场容量接入达50%，和风电场满发（风电场出力风电场简化为若干台相同风机并联而成，因此可以为1 000%）三种情况下首先研究风电场接入前电力将风电场等值为一台大型风机，其中等值风机的参系统的低频振荡模态，分析相应振荡模态阻尼特性，[10-12]数可由单台风机换算得出。 其次在风电场接入系统后，并考虑了风电场不同出力情况下对系统振荡模态和阻尼特性的影响。 2 电力系统模型 表1表明，双馈变速风电机组接入前存在的各本文在广西电网2010年规划网架下，对桂林电振荡模式阻尼特性都较强（均高于），但是双馈网接入风电场后进行小干扰稳定分析，研究系统原变速风电机组接入后，随着出力的增加，无论是局有阻尼比较低的低频振荡模态阻尼特性变化情况。部振荡还是区域间振荡模态，其阻尼比都呈现下降该网区终期拟接入的风场容量为200 MW。采用的趋势。 Hz的局部振荡模态的局部振荡模态，PSD-SSAP软件建立模型进行仿真。 在风电场出力50%或者满发情况下，相应的阻尼比图4是系统电气接线图，风电场本期以110 kV都降低了，但是降低幅度较小，分别为 6和电压等级接入系统（110 kV旺田变）。图中所示的 4。振荡频率 Hz的区域间振荡模态，在风电力系统中常规发电机组采用6阶模型，负荷模型电场出力50%或者满发情况下，相应的阻尼比降低采用综合负荷模型，即40%恒阻抗，60%感应电动较为明显，分别为 2和 5。而频率为机模型。发电机组没有考虑电力系统稳定器（power Hz的区域间振荡模态，阻尼比也成降低趋势，system stabilizer，PSS）。 在风电场出力50%或者满发情况下，分别为 1和 4。 3 风电场对系统动态稳定性的影响 采用双馈变速风电机组的风电场接入系统后，动态稳定性的研究，目前一般是将电力系统方由于机组仅通过定子与电网交流相联，而转子侧变程组在一个稳定运行点处进行线性展开，计算电力频器控制功能使机组输出有功、无功进行解耦控制，系统的状态矩阵，根据其特征值和特征向量来分析对系统振荡产生了负面影响，减小了相应振荡模态
增刊2 覃晖，等：双馈风机的动态稳定分析 125 的阻尼。 特性的改善作用较明显，相反，s>0时，PSS对系2） 改变风电场的接入位置 统阻尼特性的改善作用有限。 表1 系统机电振荡模式 4 结论 风电场出力 特征值 频率 阻尼比 本文首先分析了基于定子磁链定向控制的双馈–± 4风机实用机电暂态模型，并将此模型应用于电力系0% –± 7统中进行动态稳定分析。在含风电机组的广西电网–± 5算例分析中，着重从改变风电场出力、改变风电场–± 2接入地点、加装PSS三个不同角度论证风电场接入50% –± 6对电力系统动态稳定性及阻尼特性的影响，并得到–± 9以下结论： –± 9（1）双馈变速风电机组风电场接入后，局部地100% –± 2区振荡模态和区域间振荡模态的阻尼特性都呈下降–± 1 趋势，且随着风电机组出力的增加，阻尼特性降低。 （2）风电场接入位置对并网系统的动态稳定性本节研究风电场在不同接入点对系统动态稳定存在较大影响。风电场经110 kV线路接入梅中变的影响。本算例在没有风电场接入的情况下，以及时，对动态稳定性的危害最大。 当风电场以110 kV线路接入旺田变时，原始系统状（3）引入双馈电机的转差为输入信号，改进后态矩阵无实部为正的特征根，系统动态稳定。当风的变速风电机组稳定控制模型在一定程度上削弱了电场以220 kV南塘变110 kV侧、以及220 kV湘山系统功率振荡幅度，有效地改善系统阻尼。 变110 kV侧时，风电场的引入使得系统状态矩阵出现实部为正的特征根，特别是当风电场由110 kV梅 参考文献： 中变接入时，状态矩阵的特征根只存在实部，系统[1] ALEGRIA I M, ANDREU J, MARTIN J L, et al. Connection 非周期性失稳。 Requirements for Wind Farms: a Survey on Technical Requirements 3） 加装PSS装置 and Regulation[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2007, 11（8）：1858-1872. 采用变频器进行控制的双馈变速风电机组在机[2] AKHMATOV V, RASMUSSEN C, ERIKSEN P B, et al. Technical 组输出功率可以控制的同时也给所接入系统的阻尼Aspects of Status and Expected Future Trends for Wind Power in 特性引入了负面的影响。本文采用双馈变速发电机Denmark[J]. Wind Energy, 2007(10):31-49. 转差率为稳定控制模型的输入信号，经过PID控制[3] JOSELIN H G M, INIYAN S, Sreevalsan E,et al. A Review of Wind Energy Technologies[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 器后输入变频器控制模型部分，在变速风电机组变2007, 11（6）：1117-1145. 频器控制模型中增加一个系统稳定控制模块，具有[4] CARLIN P W, LAXSON A S, MULJADI E B. 同步发电机组安装的PSS的作用。如图5。其中 The History and State of the Art of Variable-Speed Wind Turbine Technology[R]. Colorado: National T=5 s，u =400 V，T= s，K=300。 wmaxRenewable Energy Laboratory,2001. [5] ACKERMANN T. Wind Power in Power Systems[M]. Wiley: Chichester, 2005. [6] Tabesh A, Iravani R. Small-Signal Dynamic Modeland Analysis of a Fixed-Speed Wind Farm: a Frequency Response Approach[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2006, 21（2）：778-787. [7] KUNDUR P. Power System Stability and Control[M]. New York:McGraw-Hill, 1994. [8] 倪以信, 陈寿孙, 张宝琳. 动态电力系统的理论和分析[M]. 北京: 清华大学出版社, 2002. [9] TAPIA G, TAPIA A. OSTOLAZA J X. Two Alternative Modeling 图5双馈变速风电机组稳定控制模型 Approaches for the Evaluation of Wind Farm Active and Reactive Power Performances[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 经仿真分析可知，当s<0时，PSS对系统阻尼
126 南方电网技术 第5卷 2006, 21（4）：909-920. [14] WU Feng, ZHANG Xiaoping, GODFREY K, et al. Modeling and [10] WANG Chen, SHI Libao, WANG Liming, et al. Modeling Analysis Control of Wind Turbine with Doubly Fed Induction Generator[C]. in Power System Small Signal Stability with Grid-Connected Wind IEEE Power Systems Conference and Exposiion, Atlanta, USA, Farms of DFIG Type[J]. Wind Engineering , 2008, 32（3）：234-364. 2006. [11] TAPIA A, TAPIA G. OSTOLAZA J X. Et al. Modeling and Control [15] MEI F, PAL B C. Modeling and Small-Signal Analysis of a Grid of a Wind Turbine Driven Doubly Fed Induction Generator[J]. IEEE Connected Doubly-Fed Induction Generator[C]. IEEE Power Transactions on Energy Conversion, 2003, 12（2）：194-204. Engineering Society General Meeting, San Francisco, USA, 2005. [12] MENDONCA A, LOPES J A P. Impact of Large Scale Wind Power Integration on Small Signal Stability[C]. International Conference on 收稿日期：2011-11-28 Future Power Systems, Amsterdam, Holland, 2005. 作者简介： [13] ROUCO L, ZAMORA J L. Dynamic Patterns and Model Order 覃晖（1982），女，广西南宁人，硕士研究生，工程师，从事风电Reduction in Small-Signal Models of Doubly Fed Induction 场、光伏电站接入电网稳定性研究（e-mail）brave105@。 Generators for Wind Power Applications[C]. IEEE Power Engineering Society General Meeting, Montreal , Canada, 2006.
