风电场并网对互联系统小干扰稳定及低频振荡特性的影响分析

文/龚乘平

摘要：近年来，我国风力发电技术发展快速，并被广泛应用于电力系统中，与电力系统联网运行，风电场并网虽能有效提高电力系统的可靠性和促进其资源配置得到优化，同时，大容量风电机组并网对电力系统也会造成诸多的影响，如对电力系统稳定性、低频振荡特性等，本文主要分析了风电场并网对互联系统小干扰稳定及低频振荡特性的影响，并探究了对应的抑制措施。

关键词：风电场并网；互联系统；低频振荡特性；影响

随着风电场工作状况的变换以及电力系统的结构不同，风电并网对系统小干扰稳定和低频振荡特性既会产生正面，也会产生负面的影响，这种影响在风电场并网容量进一步增大时表现更为明显。因此，含风电并网系统稳定性的研究重点之一便是促进风电并网后的系统阻尼特性得到改善，从而使系统小干扰稳定性得到全面提高。

1 风电场并网对互联系统小干扰稳定及低频振荡特性的影响分析

1.1 对互联系统小干扰稳定的影响

随着风电机组的装机容量逐渐的增大，其会产生越来越多的负荷在电力系统网络上，当系统振荡下所产生的能量不能完全被发电机的阻尼绕组所吸收时，将会导致电力系统中的幅值振荡持续增长，从而会扰动电力系统时刻，使其出现小干扰不稳定，若风电场并网互联系统在实际运行过程中出现小干扰不稳定，其后续一般难以正常运行。

1.2 对低频振荡特性的影响

并网互联系统中，重负荷、长距离的输电线路上时常会发生低频振荡，并且，受当前高倍数、快速的励磁控制系统的影响，低频振荡现象发生频率更高。发生低频振荡后，若电力系统处于稳定状态，系统将会在一定时间内自动平息振荡，若系统处于不稳定状态，系统将无法平息振荡，同时还可能出现增幅振荡，从而会降低整个系统的性能，严重时还会解列整个系统。并且，随着太阳能、风能等不稳定且间歇的新能源并入电网，这些新能源引入了更多的不确定性因素到系统中，使得系统中发生的低频振荡现象更为明显。当前，风电场并网对低频振荡特性产生影响的作用机理主要可以概括为线性理论、谐振机理、负阻尼机理、混沌理论和分岔理论等多种类型，其中基于线性理论的负阻尼机理比较成熟且发展较早，因此，其不仅具有全面的理论体系，同时还能良好的应用在实际工程中，而其他几种产生机理理论均不够全面，在实际工程中的适用性较差，因此，在实际研究过程中，可以将非线性系统转换为考虑非线性特性的线性系统，再利用负阻尼机理对电力系统低频振荡的产生原因进行分析。

2 抑制风电场并网对互联系统小干扰稳定及低频振荡特性影响的措施

2.1 抑制风电场并网对互联系统小干扰稳定影响的措施

不少国内外课题均对电力系统的小干扰稳定性问题进行了研究，说明了其是电力系统中较为重要的问题，有学者为研究电力系统小干扰稳定的影响，在考虑存在时间延时的基础上，改变了接入后风电机组的出力大小和变换了李雅普诺夫方程，然后对振荡模式下的频率变换和阻尼特性进行了分析，结果发现，阻尼比出现较大的变化时，系统仍是小干扰稳定的。还有学者以新英格兰10机39节点的系统为例，并创建了双馈风机实用机电暂态模型(基于定子磁链定向控制策略)来分析风电场接入的小干扰稳定，发现系统接入两个节点后是小干扰不稳定的。另外，由于双馈风电机组具有促进风电机组机械部件所受应力减少、风能转换效率和电网运行稳定性提高以及分别控制风电机组发出的有功无功等优势，因此，其已成为当前应用最广泛的风电机组。有数据表明，双馈风电机组占我国已安装的风电机组的14.1%，但是诸多研究表明，同步发电机的出力减少、同步发电机被双馈风电机组代替了、双馈风电机组控制与相邻的同步发电机的阻尼转矩相互作用可能是引起双馈风电机组小干扰不稳定的三种方式。

2.2 抑制低频振荡特性影响的措施

根据措施实施位置的不同，可将低频振荡抑制措施分成一次和二次侧措施两种形式，一次侧措施需要大范围更改电网系统结构和布局,因此，其实现起来难度较高和较为困难，且需要较大的成本和投资，因此，在实际工程中，抑制系统低频振荡和改善系统阻尼特性多采用二次侧措施进行。为了抑制含风电并网电力系统的低频振荡和促进系统的稳定性提高，多采用控制输电设备和改进风电机组的策略进行。有学者在桨距角控制系统中，通过采用电力系统功率偏差信号作为风力机桨距角控制系统中的一个输入信号，并对桨距控制策略进行了改善和补偿了功率波动，不仅有效提升了系统的小干扰稳定性，同时还促进其系统阻尼得到增强，此时，若系统发生低频振荡便可快速恢复稳定，从而不会威胁系统运行的稳定。另外，提高风电并网后的系统稳定特性还可通过柔性交流输电系统(FACTs)和传统的电力系统稳定器(PSS)装置实现，PSS能够抑制低频振荡和提升系统阻尼的机理为其能够通过混合粒子群算法寻找 PSS和静止无功补偿器(SVC)，并且，SVC和PSS装置改善系统阻尼特性的可行性已通过仿真实验验证。还有学者将统一潮流控制器(UPFC)和基于模糊控制的PSS两种装置加装在电力系统中，并采用时域仿真分析和特征值分析两种分析方法对抑制策略的可行性和有效性进行了验证，发现其也能够抑制系统低频振荡和改善系统的阻尼，由此可见，优化风电场并网互联系统参数和控制风电力发电机组的网侧变流器、转子侧等措施均可促进系统的低频振荡特性得到改善。

3 结语

风电场并网虽能有效提高电力系统的可靠性和促进其资源配置得到优化，但是，随着电力系统接入电压等级和风力发电容量的不断提升以及大规模的投入电力电子控制装置，值得

风电场并网互联系统小干扰稳定和低频振荡特性均发生了巨大的变化，这两种性能是保证并互联系统稳定、有效运行的基础，因此，相关人员需积极探寻其影响因素，并做好有效的抑制措施，才能促进风电场并网互联系统发挥良好的功效。

（作者单位：贵州省瓮安县水务局）