基于连续体建模的风电场接入电网后频率动态的时空分布特性研究

运行 中 ，对于不 同运行工况 和温度 变化 ，永磁体磁链幅值 的变化最大 可达 ２ ％左右 ，其引起的 ０
转矩 变化远大 于交直 轴 电感饱 和引起的输 出转矩 变化 ，同时 ，转 子磁链 不准确还会导致状态 观
测值偏 离真实值 。针对 永磁体失磁 问题 ， 目前最 常用的方法是从 电机设 计角度 出发 ，优化磁路
频率动态过程的传 播现象 。 由于风能变化在 时空分 布上 的连续性 ，使得风 电功率波动对 电网的影 响同时涉及空间与时
间上 的不 同分 布特征 ：（ ）风 电场地理位 置的分 布 以及风 电场并 网容量 的不 同 ，是风 电功率波 １ 动 的空间特 性对电网 的影响 ； ２）风电功率变化 的幅度及速率 的不 同 ，是风电功率波动 的时 间 （ 特性 对电网的影响 。风 电功率 的波 动性 和不可预期性是风 电场联 网运 行对电网影响的根本原 因 所 在。如何把握风 电功率变化规律 是大规模开发利用风能 的前 提 ，也 是分析风 电接人后对 电网 频率 影响的重要依据 。对 于千万 ｋ 级风 电基地来说 ，大规模风 电场的建模 、风能的时空动态 Ｗ
年全 国风电总装机规模达 ５ ０ ｋ 的 ８倍多 。 照“ ０万 Ｗ 按 建设大基地 、 融人大电 网” 的总体思路 ，我 国的风 电正 在 由分散 、小 规模 开发 、就地 消纳 ，向大规模 、集 中开发和远距离 、高电压输送 方
向快速发展 。
风电场 的规模不 断扩大 ，风 电装机容 量在系统 中所 占的 比例也不断增加 ，风 电输 出的不稳 定性 对 电网功率 的冲击效应也不 断增大 。风 电场输 出功率 的变化 、机 组开停 、负荷变化 、线路 投 切 、各种短路及 断线故 障等使 得 电力系统 时刻 都处在扰动 的作用 下。若扰动产生大 的有功 不 平衡 后 ，系统频率会 产生 比较 明显 的过渡过程 。过渡过程 中各点频率 随时间的变化过程构成 系 统具有 明显时空分 布特征 的频率 动态响应 。对实 际电网而言 ，频率动态 的时空分布可能会造成
前 沿 动态
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磁场波动和失磁 问题 ，会导 致电机发热 和转 矩性能变差 ，严 重情 况下 电机可能报废 ，这一问题
极 大地限制了 Ｐ Ｍ 的应用范 围。 ＭＳ 传统的 Ｐ Ｍ 控制系统 中 ， ＭＳ 磁通观测器一般以观测电机转速 、
转子 位置或实现转矩 控制为 目的 ，永磁体磁链 常作 为 已知参数直 接给定 。然而 ，永磁 电机实际
结构 ，降低 失磁风险 。但 此类方法还是 属于一种静 态的预防方案 ，基本 出发点为充分考虑 电机
工况 ，提高 电机距离 失磁点 的裕量 ，但 电机实 际运 行工况往往相 当复杂 ，很难充分考虑 ，退磁 现象有 时还是难 以避 免。因此 ，有必要 通过对永磁体 磁链 的在线观测来 降低 磁链波动 的影响 ，
系统 的频率波动 。 一般来说 ， 大电网的功率． 率动态过程 中前几秒各观测点频率变化相差较大 ， 频
从而使 电网的频率动态过程呈现 出时空分布的特征。 电力系统 频率动态的时空分布与 系统 中发 电机 的惯性 、系统 的密集 程度 、扰动发生 的位置
生 的磁阻转矩 ，也有助于提 高电机 的过载 能力 和功率密度 ，且 易于弱磁扩速 。因此 ，可以说 内 置式 Ｐ Ｍ 适 宜用作 电力机车 的牵引 电机 。内置式 Ｐ Ｍ 在弱磁区域 ，根据 不同的优化 目标 ， ＭＳ ＭＳ 如电流最小化 、效率最高 、功率 因数最 高等可以选择不 同的弱磁方案 。 综 上所 述 ，在 Ｐ Ｍ 无机 械传感 器控制系统 中，除了需要对转子位置和速度进行 在线观测 ＭＳ
外 ，负载转 矩和永 磁磁链 的观测也是必不可少 。
王德 林 （ 电气学院）
根据 Ｃ Ｔ Ｃ Ｖ新 闻联播 ２ １ 年 １ ０ １ 月发布 的数据 ， 国风电装机容量 已经跃居世界第一 ， 我 达到
４０ １０万 ｋ ，是 国家发改委 ２０ Ｗ ０ ７年 ９月发布 的 《 可再生能 源中长期发展规划 》中预计 到 ２ １ ００
特性 （ 传播速度 、衰减时间常数 ） 电场总输 出功率 的波动特性及其对 电力系统稳定性 的影 响 、风 等都值得深入研究 。 现代 电力 系统是一个强非线性 且高维数的复杂机 电耦合系统 。当系统 中某 一点突然出现有
功功率缺额 时 ，系统 不平衡功率将在百度文库机组 间重新 分配 ，导致各机组 的转速发 生变化 ，表现为
系统各处 的低频减 载装 置检测到频率 变化相 同幅度 的时间不一致 ，导致 动作 不一致 ，影响低频 减 载装 置功能的准确发挥 。 大规模 风 电接人对 电网的影响主要 由风电功率 的波动特性 引起 ，所 以研究风 电功率 的波 动 特性 是开展其它风 电并 网影响研究 的基 础和前提 。风力发 电受风速 随机性 和间歇性的影响 ，使
并预 防由于控制失误造成永磁体 退磁。
此外 ，随着 我国在高速铁路领 域的快速发展 ，对 电力机车牵 引电机在 高速 区域运行 的可控 性和可靠性要求越来越 高。针对 Ｐ Ｍ 的高速运行 ，主要考验 的是 电机 的机械结构和高速弱磁 ＭＳ
控 制性能 。内置式 Ｐ Ｍ 转子 内的永 磁体受 到保护 ，结构牢 固，其转子磁路结构 的凸极特性产 ＭＳ
作者 简介 ：王 德林 ，男 ，副教 授 。 ・２ ・ ３
前 沿动 态
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得其输 出功率也随风速 的波动而 变化 。输出功率随机变化 的大规模 风电有可能导致 区域 间联络 线上 的功率发生振荡 ，由于不 同阶段 系统 内有功功率 的分配方式也不 同 ，导致各发 电机转子 角 和转 速产生幅值不等 的振荡 。尽 管不一定造成失稳 ，但发 电机 的功角变化将在系统 中传播 。在 同步摇摆 的范 围内 ，系统 中各 个节点 的频率也将有不 同的变化趋势 ，由此产生扰动作用下 系统