风力发电对传统发电机组次同步谐振的影响

      1研究背景

　　在减少温室气体排放和环境保护的压力下，风力发电技术获得高速发展，风电成为替代传统电力能源的重要途径之一。但是，大规模的风电并网将对现有电力系统的稳定性产生影响。次同步谐振是电力系统中传统发电机组常常面临的稳定威胁。因此，从次同步谐振的角度研究风力发电对电力系统的影响具有重要的意义。基于以上背景，本文通过计算与动态仿真初步揭示了风电场并网后与传统发电机组的互动，并总结了风电场对电力系统次同步谐振的影响。

　　2风电场如何影响传统发电机组次同步谐振现象

　　次同步谐振是严重影响传统发电机组的安全隐患。因此，对电力系统次同步谐振的研究长期获得工业界和学术界的广泛关注。一般来说，电力系统的次同步谐振现象可以分为以下三类。

　　1）扭转相互作用（torsionalinteraction,TI）：该作用发生于发电机组机械系统与电力网络电气系统之间。当电力网络的自然振荡频率的补与发电机组的轴系频率接近或重合时，扭转相互作用将会发生。

　　2）感应电机效应（inductiongeneratoreffect,IGE）：感应电机效应只是一种电气现象。它的发生取决于发电机组电气部分和电力网络电气系统的状况。

　　3）扭转放大（torsionalamplification,TA）：扭转放大是一种非线性暂态动态特性。

　　TI与IGE与电力系统稳态稳定有关，是本文研究的重点。随着风能的大力发展和广泛应用，风电场常常与电网相连为用户提供清洁低碳的能源。有时，这些并网的风电场与传统发电机组距离较近，并补充或替代部分传统发电机组的容量。在这种情况下，由于风力发电机与传统发电机动态特性的不同，风电场的并网有可能影响临近的传统发电机组次同步谐振的动态。因此，需要对风电并网条件下传统发电机组的次同步现象重新做评估与研究。本文基于以上需求，研究了风电场对电力系统次同步谐振的影响。

　　3次同步谐振的研究方法及模型

　　针对电力系统次同步谐振的研究，不少实用的方法被提出和应用。其中，特征根分析法和时域仿真法被广泛采用。这2种方法也特别适用于本文的研究重点——TI和IGE。

　　1）特征根分析法：该方法根据被研究系统的稳态数学模型计算出系统模态对应的特征根，根据这些特征根分析系统的阻尼和振荡特性。

　　2）时域仿真法：该方法通过计算机电磁暂态仿真软件对电力系统的次同步谐振现象进行模拟。

　　本文对电力系统次同步谐振的研究主要采用以上2种方法。首先，通过计算系统特征根研究风电场对电力系统次同步谐振的影响。然后，通过时域仿真的方法验证特征根分析的结果。

　　IEEE次同步谐振第一标准模型常被用来计算和验证电力系统的次同步谐振现象。该模型是由实际工业项目简化而成，具有广泛的实用价值。本文的研究模型也是以IEEE第一标准模型为蓝本，加入风电场及其它同步机组组成新的研究测试系统，如图1所示。在这个新的测试系统中，风电场由双馈感应风机组成，GEN1为原IEEE模型中的发电机组，GEN2由10个小容量的同步机组组成。研究过程中，风电场的发电量逐步替代GEN2中的若干机组，但风电场与GEN2的总发电容量保持不变。

　　图1测试系统示意图

　　4风电场对传统发电机组TI的影响

　　通过对改进后的研究测试系统进行特征根分析和时域仿真，由双馈感应风机组成的风电场对传统发电机组TI有恶化的影响，具体如下：

　　1）风电场规模越大，扭转振荡的阻尼越小。

　　2）双馈感应风机的转子控制器内环对传统发电机组扭转相互作用有影响。该内环控制器控制增益越小，扭转振荡的阻尼越大。

　　3）双馈感应风机运行转速越高，扭转振荡阻尼越小。

　　5风电场对传统发电机组IGE的影响

　　通过对系统特征根分析和时域仿真，由双馈感应风机组成的风电场对传统发电机组IGE的影响取决于电网线路的串联补偿程度。当线路的串联补偿程度较高时，系统被激发并失去稳定性。在这种情况下，风电场将使系统振荡更加恶化。当串联补偿程度较低且系统在故障下保持稳定，风电场将改善系统振荡的阻尼。同时，风电场规模的增大也将恶化系统的感应电机效应。