1研究背景

　　在減少溫室氣體排放和環(huán)境保護(hù)的壓力下，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)獲得高速發(fā)展，風(fēng)電成為替代傳統(tǒng)電力能源的重要途徑之一。但是，大規(guī)模的風(fēng)電并網(wǎng)將對(duì)現(xiàn)有電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。次同步諧振是電力系統(tǒng)中傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組常常面臨的穩(wěn)定威脅。因此，從次同步諧振的角度研究風(fēng)力發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)的影響具有重要的意義。基于以上背景，本文通過計(jì)算與動(dòng)態(tài)仿真初步揭示了風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)后與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組的互動(dòng)，并總結(jié)了風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電力系統(tǒng)次同步諧振的影響。

　　2風(fēng)電場(chǎng)如何影響傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組次同步諧振現(xiàn)象

　　次同步諧振是嚴(yán)重影響傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組的安全隱患。因此，對(duì)電力系統(tǒng)次同步諧振的研究長(zhǎng)期獲得工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。一般來說，電力系統(tǒng)的次同步諧振現(xiàn)象可以分為以下三類。

　　1）扭轉(zhuǎn)相互作用（torsionalinteraction,TI）：該作用發(fā)生于發(fā)電機(jī)組機(jī)械系統(tǒng)與電力網(wǎng)絡(luò)電氣系統(tǒng)之間。當(dāng)電力網(wǎng)絡(luò)的自然振蕩頻率的補(bǔ)與發(fā)電機(jī)組的軸系頻率接近或重合時(shí)，扭轉(zhuǎn)相互作用將會(huì)發(fā)生。

　　2）感應(yīng)電機(jī)效應(yīng)（inductiongeneratoreffect,IGE）：感應(yīng)電機(jī)效應(yīng)只是一種電氣現(xiàn)象。它的發(fā)生取決于發(fā)電機(jī)組電氣部分和電力網(wǎng)絡(luò)電氣系統(tǒng)的狀況。

　　3）扭轉(zhuǎn)放大（torsionalamplification,TA）：扭轉(zhuǎn)放大是一種非線性暫態(tài)動(dòng)態(tài)特性。

　　TI與IGE與電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定有關(guān)，是本文研究的重點(diǎn)。隨著風(fēng)能的大力發(fā)展和廣泛應(yīng)用，風(fēng)電場(chǎng)常常與電網(wǎng)相連為用戶提供清潔低碳的能源。有時(shí)，這些并網(wǎng)的風(fēng)電場(chǎng)與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組距離較近，并補(bǔ)充或替代部分傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組的容量。在這種情況下，由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)特性的不同，風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)有可能影響臨近的傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組次同步諧振的動(dòng)態(tài)。因此，需要對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)條件下傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組的次同步現(xiàn)象重新做評(píng)估與研究。本文基于以上需求，研究了風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電力系統(tǒng)次同步諧振的影響。

　　3次同步諧振的研究方法及模型

　　針對(duì)電力系統(tǒng)次同步諧振的研究，不少實(shí)用的方法被提出和應(yīng)用。其中，特征根分析法和時(shí)域仿真法被廣泛采用。這2種方法也特別適用于本文的研究重點(diǎn)——TI和IGE。

　　1）特征根分析法：該方法根據(jù)被研究系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型計(jì)算出系統(tǒng)模態(tài)對(duì)應(yīng)的特征根，根據(jù)這些特征根分析系統(tǒng)的阻尼和振蕩特性。

　　2）時(shí)域仿真法：該方法通過計(jì)算機(jī)電磁暫態(tài)仿真軟件對(duì)電力系統(tǒng)的次同步諧振現(xiàn)象進(jìn)行模擬。

　　本文對(duì)電力系統(tǒng)次同步諧振的研究主要采用以上2種方法。首先，通過計(jì)算系統(tǒng)特征根研究風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電力系統(tǒng)次同步諧振的影響。然后，通過時(shí)域仿真的方法驗(yàn)證特征根分析的結(jié)果。

　　IEEE次同步諧振第一標(biāo)準(zhǔn)模型常被用來計(jì)算和驗(yàn)證電力系統(tǒng)的次同步諧振現(xiàn)象。該模型是由實(shí)際工業(yè)項(xiàng)目簡(jiǎn)化而成，具有廣泛的實(shí)用價(jià)值。本文的研究模型也是以IEEE第一標(biāo)準(zhǔn)模型為藍(lán)本，加入風(fēng)電場(chǎng)及其它同步機(jī)組組成新的研究測(cè)試系統(tǒng)，如圖1所示。在這個(gè)新的測(cè)試系統(tǒng)中，風(fēng)電場(chǎng)由雙饋感應(yīng)風(fēng)機(jī)組成，GEN1為原IEEE模型中的發(fā)電機(jī)組，GEN2由10個(gè)小容量的同步機(jī)組組成。研究過程中，風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電量逐步替代GEN2中的若干機(jī)組，但風(fēng)電場(chǎng)與GEN2的總發(fā)電容量保持不變。

　　圖1測(cè)試系統(tǒng)示意圖

　　4風(fēng)電場(chǎng)對(duì)傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組TI的影響

　　通過對(duì)改進(jìn)后的研究測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行特征根分析和時(shí)域仿真，由雙饋感應(yīng)風(fēng)機(jī)組成的風(fēng)電場(chǎng)對(duì)傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組TI有惡化的影響，具體如下：

　　1）風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模越大，扭轉(zhuǎn)振蕩的阻尼越小。

　　2）雙饋感應(yīng)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子控制器內(nèi)環(huán)對(duì)傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組扭轉(zhuǎn)相互作用有影響。該內(nèi)環(huán)控制器控制增益越小，扭轉(zhuǎn)振蕩的阻尼越大。

　　3）雙饋感應(yīng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速越高，扭轉(zhuǎn)振蕩阻尼越小。

　　5風(fēng)電場(chǎng)對(duì)傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組IGE的影響

　　通過對(duì)系統(tǒng)特征根分析和時(shí)域仿真，由雙饋感應(yīng)風(fēng)機(jī)組成的風(fēng)電場(chǎng)對(duì)傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組IGE的影響取決于電網(wǎng)線路的串聯(lián)補(bǔ)償程度。當(dāng)線路的串聯(lián)補(bǔ)償程度較高時(shí)，系統(tǒng)被激發(fā)并失去穩(wěn)定性。在這種情況下，風(fēng)電場(chǎng)將使系統(tǒng)振蕩更加惡化。當(dāng)串聯(lián)補(bǔ)償程度較低且系統(tǒng)在故障下保持穩(wěn)定，風(fēng)電場(chǎng)將改善系統(tǒng)振蕩的阻尼。同時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模的增大也將惡化系統(tǒng)的感應(yīng)電機(jī)效應(yīng)。