大型风电场接入电网的稳定性问题研究

随着风电装机容量在电网中所占比例越来越高，风力发电对电网的影响范围从局部逐渐扩大。目前，风电接入电网出现了与以往不同的特点，表现为：(1)单个风力发电场容量增大(2)风电场接入电网的电压等级更高。增加的风电接入容量与接入更高的电压等级使得电网受风电影响的范围更广。在风电穿透功率较大的电网中，由于风电注入改变了电网原有的潮流分布、线路传输功率与整个系统的惯量，并且由于风电机组与传统同步发电机组有不同的稳态与暂态特性，因此风电接入后电网的电压稳定性、暂态稳定性及频率稳定性都会发生变化。本文对大型风电场接入电网的稳定性问题进行了研究，主要研究内容包括： (1) 对普通异步发电机及双馈感应电机在同步旋转参考坐标系下的动态方程及静态方程进行了推导；对风电机组的空气动力学模型、机械传动系统的轴系模型及桨距角控制模型进行了建模分析；最后给出了基于普通异步发电机的恒速风电机组与基于双馈感应发电机的变速风电机组的总体模型结构。 (2) 对基于双馈感应发电机的变速风电机组控制模型进行了分析与研究。推导了双馈感应电机转子侧变频器与电网侧变频器的解耦控制原理；给出了双馈变速风电机组综合控制系统模型、双馈感应电机的转子侧变频器与电网侧变频器控制器模型及风力机控制系统的模型。 (3) 分析研究了风电场接入电网后电网电压稳定性降低的机理。比较了异步发电机与双馈感应发电机不同的有功～无功特性，给出了稳态潮流计算中两种不同发电机的潮流模型。 (4) 用P～V、V～Q曲线的静态电压稳定潮流分析方法结合对实际系统的仿真计算，对于普通异步机风电场与基于双馈感应电机的变速风电场接入后导致的静态电压稳定性降低的原因进行了比较研究；最后比较了用动态仿真方法分析风速变化扰动导致的电压失稳与静态P～V曲线分析方法分析风电场有功功率增加导致的静态电压失稳结果的差异。 (5) 对基于普通异步发电机的恒速风电机组的暂态电压稳定性进行了分析，研究了故障时两质块轴系模型松弛特性(Shaft Relaxation)对暂态电压稳定的影响；在PowerFactory中建立了SVC模型、STATCOM模型及用于暂态稳定控制的快速桨距角控制模型；提出了结合SVC、STATCOM等动态无功补偿装置与用于暂态稳定控制的桨距角控制的综合控制用于改善基于异步机的恒速风电机组的暂态电压稳定性。 (6) 提出了双馈电机转子侧变频器的暂态电压控制与用于暂态稳定控制的快速桨距角控制以增强双馈变速风电机组的暂态电压稳定性；双馈电机转子侧变