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

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

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