大规模风电场接入电力系统的小干扰稳定性研究

稳定性是影响大电网区域互联的关键性因素,其中区域间和区域内的弱阻尼或负阻尼问题备受关注。作为技术最成熟的可再生能源利用方式,风力发电在电力系统中所占比例越来越高。对于大规模风电接入电力系统后的系统小干扰稳定及阻尼特性的影响还没有得到充分全面的研究。本文建立了风电机组及简单系统的线性化状态方程,以实际互联电力系统为例,研究了风电场对系统小干扰稳定及阻尼特性的影响,提出了改善系统阻尼的风电机组稳定控制模型。论文主要贡献如下: (1)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用于小干扰稳定分析的线性化状态方程;推导了异步发电机、双馈感应发电机和永磁同步发电机在同步旋转参考坐标系下的线性化动态方程;建立了变速风电机组(双馈变速风电机组和永磁直驱风电机组)变频器及其控制系统模型的线性化状态方程。 (2)建立了包含异步风电机组、双馈变速风电机组和永磁直驱风电机组的简单风力发电系统模型,建立了简单系统的小干扰稳定分析线性化状态方程,得出了状态矩阵元素的参数表示形式。用特征值分析方法研究了三种类型风电机组引入的振荡模态,分析了各种振荡模态产生的机理。结果表明,风电机组接入系统后引入了相应的振荡模态,这些振荡模态主要与风电机组机械系统及变频器控制系统相关,具有较好的阻尼特性。 (3)在仿真软件DIgSILENT/Power Factory中建立了风电场及电力系统模型。考虑风电场出力及电力系统旋转备用等的变化情况,研究了风电场采用不同类型风电机组接入电力系统后,对系统低频振荡模态及阻尼特性影响的机理。从理论及仿真两方面分析得出结论,在论文所研究的电力系统中,风电场采用异步风电机组时能够在一定程度上改善系统阻尼,而采用双馈变速风电机组和永磁直驱风电机组时在某种程度上降低了系统阻尼。 (4)提出了变速风电机组的稳定控制模型,在系统发生低频功率振荡时,双馈变速风电机组以发电机转差率为输入信号,永磁直驱风电机组以系统频率为输入信号。利用变频器控制系统对风电机组输出电磁功率进行快速控制,使变速风电机组向系统注入与低频振荡相关的阻尼功率,削弱系统功率振荡。在仿真软件所建立的电力系统模型中,验证了变速风电机组稳定控制模型的有效性。仿真结果表明,论文所提出的风电机组稳定控制模型能够有效改善系统阻尼,增强系统动态稳定性。