含大规模风电电力系统分岔与电压稳定性研究

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1、第35卷第1期东北电力大学学报Vo1．35．No．I2015年2月JournalOfNortheastDianliUniversityFeb．，2015文章编号：1005-2992(2015)01—0023-07含大规模风电的电力系统分岔与电压稳定性研究李江，王义伟，马龙飞2，姚娜。(1．东北电力大学电气工程学院，吉林吉林132012；2．华能巢湖发电有限责任公司，合肥238000；3．国网德州供电公司电力经济技术研究所，山东德州253000)摘要：双馈式风力发电系统是一个多变量、非线性、强耦合的

2、系统并且比传统发电系统更为复杂。建立双馈式风力发电机的两质块轴系模型，考虑动态负荷的作用，使用AUTO07研究在不同风速情况下，系统无功功率％与动态负荷节点电压之间的关系，求出系统的分岔曲线。分析系统中对应于鞍结分岔点和Hopf分岔点处系统的运行状态，从而验证电压失稳的动力学本质。最后，得出发电机电阻变化条件下，旋转角速度和发电机控制系数J_，肌，之间的Hopf分岔边界，证明系统参数的变化会对稳定性产生影响。仿真结果验证了理论研究的正确性和合理性。关键词：双馈式风电机组；电力系统；分岔；电压稳定中

3、图分类号：TM712文献标识码：A近三十年来，风力发电作为技术最成熟、最具规模化开发和商业化发展的新能源发电之一取得了令人鼓舞的可喜进展，更多的风电机组跻身于电力系统[1-23。相比于传统的发电方式，风力发电具有其自身特点：风速的不确定性导致风电功率输出具有随机和波动性；风力资源丰富地区一般远离负荷中心，大规模的风电无法就地消纳，需要通过远距离输电网输送到负荷中心；随着风电接人容量的增大，风电场从系统中吸收的无功功率逐渐增大；电网接纳风电的能力往往不能适应风电规划的发展，接人的风电场容量受到电网自

4、身条件的限制J。作为风力发电的主流形式，双馈风力发电机组凭借自身优势在电网中所占比例不断升高，其所引起的电压稳定性问题受到了众多学者的颇多关注J。早期的静态电压分析方法经历了较长时间的积淀，取得了丰硕的研究成果。然而其忽略了电力系统中动态元件的动力学特性，以至于计算结果往往偏于主观。因此，为了保留电力系统的非线性特征，并且真正揭示电力系统电压稳定问题的机理和大扰动下的动态特征，分岔理论作为非线性动力学方法的典型代表脱颖而出。文献[7]建立了交、直流混合系统的微分代数方程(DifferentialA

5、lgebraicEquations，DAE)，利用降阶直接法计算鞍节分岔点(SNB)，并根据状态方程引入相关因子法判别系统失稳模式。但是直接法所得到的信息量少，使得运行人员难以全面了解系统由当前运行状态过渡到分岔情形时系统维持电压稳定的能力要求。因此，文献[8，9]使用延拓法追踪系统平衡解流形，通过检测局部分岔条件来判断分岔点位置，并以风电场无功功率和注入有功功率为控制参数进行了单参数和双参数分岔分析。然而在面对多参数情形时，延拓法呈现出了计算复杂及量大的缺点，且很难得出新的分支方向，不能精确定位

6、分岔点的位置，因此还没能在线应用。收稿日期：2014—10—21基金项目：国家自然科学基金资助项目(51307018)；吉林省科技发展计划青年基金(201201108)；国家留学基金委资助(201207790009)；东北电力大学优秀青年骨干教师资助项目．作者简介：李江(1979一)，男，新疆省乌鲁木齐市人，东北电力大学电气工程学院副教授，博士，主要研究方向：电力系统稳定性分析与控制．24东北电力大学学报第35卷本文基于双馈式风力发电机的简化模型，充分考虑其轴系的柔性特征，研究了含双馈式风力发电机

7、组系统的分岔及电压稳定性之间的关系。以3节点简单电力系统为例，使用AUTO07分岔软件进行电力系统分岔分析，从而定量搜索分岔点、判断分岔点类型以及确定分岔点处新分支方向。1双馈式风电机组的数学模型1。1风力发电系统模型含双馈式风力发电机的系统结构如图1所示。双馈式异步发电机定子侧接入电网，转子侧接电力变换器。风力机通过吸收风能获得低速旋转，然后通过柔性连接的齿轮箱带动发电机高速旋转，从而在定子侧产生电能并人电网。电网侧变流器采用基于定子电压定向的矢量控制方式；转子侧变流器采用基于定子磁链定向的矢量

8、控制方式，外环控制转速以实现风机的变速运行，内环控制转子电流可图1含双馈式风力发电机的系统结构以改变励磁电流的频率、幅值和相位。1．2风机特性及其轴系模型最pL"切翠t昊瓦最功毕硬丑DE风力机主要由叶片、轮毂和齿轮箱等中间传动装置组成。风力机所捕获的风功率为额定转矩／InS九3夕高率风运速行恒模式功P=c3=变速运行模式／，(1)式中，p为空气密度；A为风力机叶片扫过面积，A：1『R；尺为风轮半径；为风速；∞为风机的旋转角速A度；为风能转换效率系数，其与叶尖速比A、风机桨距角／3以