高海涛

（新疆水利水电（高级技工）学校，新疆 乌鲁木齐830000）

在现代化背景下，电能凭借其优异的转化能力与传输效果而成为社会必需能源，风力发电具有可再生、无污染优势，在可持续发展理念指导下，风电项目受重视程度逐渐提升。据国家能源局发布的全国电力工业统计数据显示，2020 年新增电源装机总量19087 万千瓦，其中风电并网装机7167 万千瓦，远超2019 年风电新增并网装机2574 万千瓦，由此可见，风电并网在电力行业中的地位。

1 大规模风电并网环境下系统暂态稳定性的影响因素

1.1 风电机组类型

处于同一风电系统的不同类型风电机组可对系统暂态产生一定干扰，降低其稳定性，风电机组在系统内的初始潮流相等，但数学模型不同，所呈现出的数据动态存在差异，恒速异步风电机（CSWT）对系统的调节效果较差，而双馈感应电机（DFIG）与直驱同步风机（DDSG）可实现有功功率、电压、桨距角调节，系统控制过程可对风电系统暂态造成一定波动，并产生电气阻尼，因此若风机数据参数设置不合理则会进一步降低系统暂态稳定性。设定风电并网系统基准容量、火电机组额定有功、额定电压、机端电压分别为100MVA、00MW、20kV，并设定系统机械阻尼为0，电压220kV，系统内线路电抗为0.1p.u.，同时设置50 台2MW 机组构成风电机组，潮流计算时风电功率因数为1.0[1]。借助仿真实验了解CSWT、DFIG、DDSG 三种不同类型的风电机组对系统暂态稳定性的影响，仿真实验时间为5s，具体实验结果如图1 所示，CSWT 机组并网后，系统同步机稳定性较好，波动程度最小，而DDSG、DFIG 机组并网时，系统暂态稳定性严重下降，由此可见，不同机组类型对系统暂态稳定性具有不同反映。计算震荡阻尼比可得，CSWT、DFIG、DDSG 并网后振荡阻尼比分别为0.1361、-0.0014、-0.0009，DFIG、DDSG 机组并入系统后存在负阻尼，使系统暂态稳定性有所降低，而CSWT 振荡阻尼比为正数，可在一定程度上提高系统暂态稳定性。

图1 CSWT、DFIG、DDSG 并网后同步机功角变化

1.2 风电接入位置

设定风电系统存在bus（1～4）四个接口，发电机到无穷大系统的电抗、发电机到bus2 接入位置的电抗、风电接入位置到无穷大系统的电抗分别为X∑、X1、X2，三者存在以下关系：X∑=X1+X2，设定风电机组为负阻抗（Xwind），在星角变换公式应用下可得系统等值电抗为：

由式（1）可知，当X1、X2数值相等时，X 取值最小，此时风电系统同步机存在输送功率最大值，公式为：

式（3）中，P0为风电系统同步机电磁功率。同步机电磁功率与机械功率数值近似相等，根据式（2）、式（3）可知，同步机静稳裕度随着输送功率的增加而增加，此时风电系统受到大规模并网的影响较小，阻尼越大，则风险越小，系统暂态稳定性提高。

1.3 风电渗透率

风电渗透率可决定风电系统初始潮流，继而对系统同步机静稳裕度造成干扰，根据特征根分析法来看，系统初始潮流变化可引起状态矩阵变化，继而干扰系统稳定性，CSWT 可产生正阻尼比，可抑制同步机功角变化，因此，若CSWT 渗透率增高，则风电机组阻尼比增大，继而起到提高系统暂态稳定性的作用。表1为不同风电渗透率下的风电系统振荡阻尼比，由表1 可知，CSWT 机组系统振荡阻尼比随着风电渗透率的增高而增高，而DDSG 的负阻尼表现为降低，DFIG 的振荡阻尼比并非呈现出线性关系。在此算例中可知，风电渗透率可提高系统负载率，DFIG机组并网系统的稳定性可能同时受风电渗透率与系统负载率的影响，而CSWT、DDSG 机组随着风电渗透率的提升而系统逐渐稳定。

1.4 风电负载率

不同风电机组动态可导致系统同步机功角产生波动，不同风电渗透率导致系统负载率产生变化，而风电机组在不同系统负载条件下的动态行为亦存在差异。CSWT 机组无法调节桨距角，因此CSWT 类型机组系统的负载率取决于风速变化，而DFIG、DDSG 机组具有可调节功能，可通过改变机组桨距角调节风功率利用率，继而改变风电系统机械功率与负载率。为更好地分析风电负载率对系统暂态稳定性的影响，由于CSWT 机组无法自主调节系统负载率，本次影响因素实验仅围绕DFIG 与DDSG 并网系统展开。将DFIG 两个并网系统设置的相等初始潮流，依次保障系统内同步机在同一运行点展开变化，在此基础上设定A 与B 两种情况，情况A 条件下，将构成风电机组的50台2MW DFIG 设定为满发，此时风电系统负载率为100%，且风电发出功率为100MW，功率因数为1.0；情况B 条件下，将原50台2MW DFIG 改为100 台，此时设定风电系统发出功率为100MW，但系统负载率为50%，此时风电功率因数仍为1.0，当，同步机机械阻尼为0 时系统失衡，因此本次分析中，设定同步机机械阻尼为0.3p.u.，在特征根分析法应用下得出，情况A 条件下，风电机组的振荡阻尼比为0.0008，情况B 条件下的风电机组振荡阻尼比为0.0012，由此可见，若以DFIG 为风电机组构成系统，则可通过降低系统负载率调节系统阻尼，并提高系统暂态稳定[2]。针对DDSG 机组并网系统展开分析时，为防止系统失衡，将系统同步机机阻尼设定为0.3p.u.，与DFIG 并网实验类似，设定情况C 与情况D，在情况C 条件下，将50 台2MW DDSG 设定为满发状态，风电系统发出功率为100MW，系统负载率为100%，此时风电功率因数为1.0；情况D 条件下，将100台2MW DDSG 机组构建为风电系统，满发为200MW，设定发出功率100MW，此时系统负载率50%，风电功率因数为1.0，根据特征根展开分析，由DDSG 构成的并网系统在情况C 与情况D条件下振荡阻尼比均为0.0018。由此可知，DDSG 并网系统并不会受到风电负载率的变化而产生暂态稳定性变化，因此，风电负载率仅可对DFIG 并网系统造成影响。

表1 不同风电渗透率下的风电系统振荡阻尼比

2 系统暂态稳定性在大规模风电并网环境下的控制策略

2.1 系统故障分析

当风电系统发生故障时，故障期间系统机械功率随着风电系统的电压降低而降低，因此为提高风电系统暂态稳定性，可提高系统机端电压数值，以此减缓暂态期间机械功率的降低程度，继而保障风电系统在故障期间的稳定性，实现暂态稳定控制。当故障消除后，由于机械功率降低程度被减缓，因此风电系统暂态可实现快速恢复，通过提升系统机械功率增强暂态稳定性。风电系统内风机机组也可在一定程度上影响系统机械功率，因此可在故障处理过程中，在原风机机组系统内增加DFIG双馈感应机组，以此调节风电系统机械功率，降低风电系统暂态过程中的机械功率，缓解故障对风电系统的影响，继而达到提高系统暂态稳定性的作用。

2.2 应用同步无功补偿

在暂态稳定性控制过程中，可借助静止同步补偿器（SVG）在风电系统内实现无功补偿，SVG 可运用瞬时无功补偿原理与全控型开关器件构成自换相逆变器，辅以小容量储能元件，构成与风电设备相匹配的无功补偿装置，电流型SVG 效果较差，因此在控制系统暂态稳定时，需采用电压型SVG，SVG 在直流侧储能电容辅助下可根据系统情况通断开关，将系统直流侧电压转变为同频率交流电压，以此形成相位可控的系统电压源，图2 为SVG 结构示意图，在SVG 应用下可实现系统无功补偿，继而提高暂态稳定性[3]。

图2 SVG 结构示意图

结合SVG 工作原理来看，SVG 工作过程中所吸收的有功功率有限，以无功功率为主，当SVG 输出电压大于风电并网电压时，SVG 则起到调节电容量的作用，但若SVG 输出电压小于风电并网电压，则发挥出可调电感器的效果，若SVG 输出电压与风电并网电压等量，则在风电系统内不存在无功交换现象，由此不难看出，在风电系统内应用静止同步补偿器（SVG）可起到调节系统网侧电压大小的作用，通过调节SVG 无功功率正负实现无功补偿，继而借助SVG 完成风电系统的电压快速调节，加大对风电系统暂态稳定性的控制。

2.3 SVG 暂态控制验证

为进一步了解SVG 对风电系统暂态稳定性的控制效果，采用仿真实验的方式进行验证。本次仿真实验中采用包括3 机9节点的风电机组，并于母线处并入风电系统，在PSASP 仿真平台应用下完成数据建模，设定两种实验环境，其中一次仿真实验中并未开启SVG 设备，用以作为对照，而另一仿真实验借助SVG 进行风电系统调节。经过SVG 暂态控制验证后发现，具有SVG 结构的风电系统面对故障暂态时，风电场功角波动程度远小于不使用SVG 结构的风电系统功角波动。由此可见，SVG 结构对风电系统暂态稳定性具有较强的控制效果，此外在仿真实验过程中，在SVG 结构无功补偿效果下发生故障时，系统电压所受干扰较小，且可在故障结束后快速恢复到正常状态。总而言之，运用SVG 结构对风电系统母线展开无功补偿稳定性控制效果显著，可极大提高风电系统暂态稳定性[4]。

结束语

综上所述，为提高风电系统暂态稳定性，应从风电机组类型、风电接入位置、风电渗透率、风电负载率等方面了解风电并网对系统暂态稳定性的影响，并结合大规模风电并网形势针对常见系统故障进行分析，运用SVG 结构进行无功补偿，为进一步了解系统暂态稳定性控制，依托SVG 结构展开控制仿真验证工作。