风电接入电力系统对电网频率动态特性的影响

风电接入电力系统对电网频率动态特性的影响

谢海林

（中广核贵州桐梓风力发电有限公司贵州省遵义市563200）

摘要：频率是衡量电能质量的重要指标之一。其较小的波动就可能会降低用电设备的效率而且使其工作异常，当其波动较大时，将会给电力系统造成不利影响，甚至会发生频率稳定破坏性事故。

关键词：风机模型；PSAT；频率动态响应

引言

随着电网互联和范围扩大以及各种分布式发电的大量并网，在机组跳闸、切负荷或线路故障等有功功率扰动时，频率动态过程在空间上的分布特性逐渐体现出来，各节点频率的偏移量和达到最大值的时间都不再相同。该文献主要从常规电网角度出发，以常规机组为研究对象，没有指出包含风电场群的功率波动对频率变化的时空分布特性。

一、风力发电机组的数学模型

数学模型主要包括风速模型、风力发电机模型等环节。在PSAT应用中，描述了三种风力发电机模型：鼠笼式恒速异步风力发电机（Cswt），双馈变速风力发电机（DFIG），直驱同步风力发电机。这些模型在当今也被广泛使用，这里主要介绍本文仿真所用到的前两种风机模型。

1、风速数学模型

在PSAT中的风速模型有韦伯分布模型、墨西哥草帽风模型以及由恒定风速，陡风，阵风和狂风组成的复合风速模型。本文仿真所用的风速模型是网侧发生扰动情况下的恒速风力模型以及研究机侧扰动的复合风速模型，如图1所示。

图1：风速模型

2、风力发电机模型

2.1恒速异步风电机组模型

恒速异步风机采用的是鼠笼型感应电机，鼠笼式发电机的简化电路同单鼠笼感应电动机模型一样。关于感应电动机唯一不同的是如果是注入网络则电流是正的。方程可以用真实的r轴和假设的m轴以及网络参考角公式表示。在旋转坐标系模型中，有如下关系：

功率吸收为：

bc是固定电容电导，微分方程电压超前固定阻rg：

而在电压，电流，状态变量中连接的是：

ωm转子角速度，x0，x'，T'0从发电机参数得到：

转子运动方程如下：

Ht、Hm分别为涡轮机和转子惯性，Ks为轴刚度，ωt是风力发电机的角速度，电气转矩Te被定义为：

机械转矩为：

其中pw是来自风力的机械功率，可根据空气动力学原理等效如下：

其中ρ为空气密度，ng为风机数，Sn为额度容量，R为风力机叶片半径，属于风机的固有参数；cp为风轮机的功率系数，Vw为风速；ηGB为齿轮箱传动比，λ为叶尖速比；ωt风轮机转速。

为了仿真塔影效应，一个周期转矩脉动加在Tt上，频率取决于角速度频率ωt齿轮箱转动比ηGB和叶片数nb，如下：

转矩脉动振幅被设为0.025。

2.2双馈变速风电机组模型

双馈发电机组的风轮通过齿轮箱连接到双馈感应发电机，发电机通过变频器与电网连接，并实现与电网的解耦。

PSAT软件内置了5阶风机模型，其中，直轴电流、交轴电流、风速、风轮角速度、风机功角分别为5个状态变量。换流器被看作是理想电流源，其转速控制idr、电压控制iqr和桨距角控制框图分别如图2、图3、图4所示。

图2：转子角速度控制框图

图3：电压控制框图

图4：桨距角控制框图

二、频率动态特性

电力系统频率动态过程是指当系统受到小的或大的扰动之后，系统有功功率平衡状态遭到破坏，系统频率从开始振荡到恢复初始频率值或过渡到新的稳态值所经历的过程。

1、频率测量模型

在PSAT中，母线频率测量是通过高通和低通滤波器的手段获得，如图5所示。微分方程组如下：

图5：母线频率测量滤波器

结束语

（1）在电网侧发生扰动时，双馈风电机接入系统所引起的频率初始变化率大于恒速风机接入，恒速异步风机的接入对频率稳定起到了更大的支持作用，而双馈感应风机在其功率的解耦控制之下对频率响应并不明显。

（2）当风电场侧发生扰动时，双馈感应风机因其解耦控制，使得其转速变化对电网频率波动的影响较小，尤其在复合风速下双馈感应风电机组具有更高的优越性。但不管接入哪一种风电机组，在给定复合风速模型下系统频率的波动都会随着装机容量的增加而增大。

参考文献

[1]蔡邠.电力系统频率[M].北京：中国电力出版社,1999:21-49．

[2]王晓茹.大规模电力系统频率动态分析[J].南方电网技术,2010,l.4(01):11-17.

[3]张恒旭,刘玉田.电力系统动态频率响应时空分布特征量化描述[J].中国电机工程学报,2009,29(07):64-70.