双馈风电系统并网问题研究

双馈风电系统并网问题研究

姜坤 

 中节能风力发电（河南）有限公司    475500 

【摘  要】随着新能源发电产业的快速发展，风电在能源供给的地位日渐重要，其中基于双馈感应电机的风电系统凭借其变流器容量小、运行控制灵活的优点成为了风电系统的重要机型。风电机组并网运行时的稳定性，是确保机组性能发挥的关键。本文针对双馈风电系统并网开展研究，力求为提高系统稳定性提供参考和借鉴，为风电机组持续发展提供重要的技术保障。

【关键词】双馈风电系统；并网；稳定性

当前包括风电在内的可再生能源发电系统已经成为了电力网络中的重要组成，我国未来风电产业的进一步扩大发展，将导致风电机组并网容量不断增大，电力系统风电占比进一步提高。因此，保证风电机组可在实际复杂的电网环境下实现稳定、高效的并网运行是大规模风电并网电网消纳的关键基础。

一、双馈风电系统

双馈风电机组采用绕线式感应发电机，定子绕组直接连接电网，转子绕组通过双馈变流器与电网实现柔性连接，两个端口均可对电网进行能量馈送，因此这种感应电机通常称为双馈感应发电机(Doubly-Fed Inducution Generator，DFIG)，双馈机组则被称为DFIG机组。双馈变流器负责提供电机励磁、调节电磁转矩，通过向电网馈送滑差功率实现发电机变速运行，其中转子侧变流器负责电机励磁及发电机有功、无功的柔性控制，网侧变流器一方面维持直流母线电压的恒定，从而将滑差功率馈送至电网，另一方面可根据自身运行状态调节网侧功率因数。由于双馈风电机组中变流器只负责调控滑差功率，而DFIG电机转差通常在额定转速的±1/3范围内运行，因此变流器容量只需为发电机额定容量的1/3。

二、双馈风电系统并网研究

（一）双馈风电机组并网稳定性分析

双馈风电并网运行的稳定性分析主要是针对并网设备与电网的交互作用分析，当前的分析方法主要有状态空间法、复转矩系数法、阻抗分析法和仿真分析法，各方法根据分析手段不同可以分为解析法和数值法。其中解析法指的是通过建立准确的数学模型或数学方程对互联系统的某个或多个变量的响应特征进行理论分析，进而建立系统运行特征与各个变量之间的准确数学描述，从而揭示系统振荡机理。

状态空间法通过建立系统状态变量方程，进而求解系统特征方程，通过特征值进行振荡模式的频率和阻尼分析，进而判断系统互联系统稳定性和稳定性薄弱频率，定位系统失稳的主要因素，但随着互联系统状态变量的增多，状态空间方程的复杂程度显著增加，导致方程求解陷入“维数灾”的难题。

复转矩系数法则将被研究系统建立为电气转矩和阻尼转矩模型，进一步分析系统阻尼的正负性以判断系统稳定性，该分析方法具有清晰的物理意义，但该种方法在高比例电力电子系统及多机电力电子电源系统的实用性尚待深入研究。

仿真分析法可以准确直观地所提供的不同时间尺度下各变量的动态变化特性，但无法定位系统失稳原因及定量分析系统稳定性。阻抗分析法则将并网设备和电网两者进行解耦，实际应用时可针对互联系统可分别建立各元器件的阻抗模型，当系统结构发生变换时只需对变化部分进行重新建模，具有分析灵活、计算简便的优点。

实际工程中，由于线路阻抗的存在，导致电网对母线电压控制能力下降。对电力系统进行无功补偿是提升弱电网电压质量最为直接有效的方法，其中串联无功补偿技术通过引入串联电容器抵消线路电感影响，从而可加长输电距离，进而提升输送能力，而并联补偿通常在并网设备端口就地补偿，可减少线路无功损耗，提升供电效率。当DFIG机组接入串联补偿弱电网时，电网的低频特性为容性、电机系统的电感特性和电机控制系统的负阻尼特性，会共同导致互联系统更容易发生低频振荡或次/超同步振荡.

（二）双馈风电机组稳定运行方法

针对风电机组的各类稳定性提升方法可以分为两类，一类是通过机组参数调整进行振荡避免措施，另一类是基于附加阻尼的阻尼提升方法的振荡抑制技术。基于机组参数调整的振荡避免措施首先通过分析系统控制参数与系统稳定性的关系，进而得到系统稳定运行的参数取值域，这类方法本质上是对参数设计原则的补充设计，通过分析风电场的稳态工作点与系统振荡特性的关系，给出了风电系统的稳定运行域，提出了基于DFIG控制参数优化的次同步振荡现象避免措施。但在实际工程应用中，对于一个已经投入运行的并网设备，系统控制参数通常已按照并网导则完成参数整定，调整变流器控制参数可能会影响系统正常运行。

相较于参数优化，基于附加阻尼的系统阻尼提升的系统稳定运行方法更适合针对已经投入的并网设备，而按照阻尼引入的技术方法不同可以分为基于附加设备的有源阻尼、基于附加设备的无源阻尼、基于系统改进控制的有源阻尼。基于附加电气设备的有源阻尼利用电力系统中的其他有源设备引入附加阻尼以提升系统的稳定性。当风电接入串补电网时引发的次同步振荡问题，可以利用串联补偿装置或门级控制串联电容器，或利用静止同步补偿器对系统引入附加阻尼控制，但此类方法对于原本没有附加电气设备的系统存在造价较高，经济性较差的问题。

三、总结

综合来看，DFIG系统并网运行高频振荡问题是当前影响DFIG系统并网运行性能的关键问题之一，适用于不同电网状态、不同系统参数、不同并网场景下的风电并网系统高频振荡抑制策略是DFIG机组并网运行性能提升的关键解决方案。

参考文献：

[1]庞博. 双馈风力发电系统并网运行高频振荡抑制策略研究[D].浙江大学,2021.