張雪敏， 鐘雨芯， 梅生偉， 夏德明， 王 帥， 史 銳

(1. 電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國家重點實驗室， 清華大學(xué)電機系， 北京 100084；2. 國家電網(wǎng)公司東北分部， 遼寧 沈陽 110180； 3. 國網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院， 北京 102209)

含雙饋風(fēng)電場的電力系統(tǒng)停電風(fēng)險研究

張雪敏1， 鐘雨芯1， 梅生偉1， 夏德明2， 王 帥3， 史 銳3

(1. 電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國家重點實驗室， 清華大學(xué)電機系， 北京 100084；2. 國家電網(wǎng)公司東北分部， 遼寧 沈陽 110180； 3. 國網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院， 北京 102209)

隨著風(fēng)電滲透率的提高，風(fēng)電場的特性對電力系統(tǒng)的安全運行帶來了顯著的影響。研究如何在提高環(huán)保效益的同時降低連鎖故障的風(fēng)險變得非常迫切。本文提出了一種含風(fēng)電場的連鎖故障模型，該模型計及了風(fēng)電場結(jié)構(gòu)、風(fēng)電出力隨機性、風(fēng)電機組虛擬慣量控制和短路故障后的風(fēng)電機組脫網(wǎng)響應(yīng)等風(fēng)電特性，并設(shè)置了頻率穩(wěn)定控制、線路過流保護(hù)、低壓減載，可從有功-頻率與無功-電壓兩方面分析風(fēng)電接入后對停電風(fēng)險的影響。該研究將為風(fēng)電場接入系統(tǒng)的規(guī)劃和運行提供量化停電風(fēng)險、預(yù)防控制效果的基礎(chǔ)分析工具。仿真分析了風(fēng)電場接入IEEE30節(jié)點系統(tǒng)的停電風(fēng)險并討論了風(fēng)機虛擬慣量控制、無功補償和線路建設(shè)對于降低停電風(fēng)險的效用。

風(fēng)電場; 連鎖脫網(wǎng)； 虛擬慣量； 停電風(fēng)險

1 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展以及新能源消納需求的增長，電網(wǎng)的大規(guī)模互聯(lián)已經(jīng)成為了世界范圍內(nèi)電力系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢[1]。然而電網(wǎng)互聯(lián)使得自身的復(fù)雜性顯著增加，微小擾動也可能引發(fā)一系列的連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致電網(wǎng)大面積崩潰，最終造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，如2003年的美加大停電[2]、2011年我國發(fā)生多次的風(fēng)機連鎖脫網(wǎng)事故等[3]。因此進(jìn)行風(fēng)電接入系統(tǒng)的停電風(fēng)險研究意義重大。

風(fēng)電與傳統(tǒng)電源相比具有新的運行特性，也改變了連鎖故障的機理。目前，國內(nèi)外含風(fēng)電場的電力系統(tǒng)連鎖故障方面的研究成果還較少。文獻(xiàn)[4]考慮了風(fēng)電隨機性、同步機停運概率和負(fù)荷波動，以總發(fā)電量是否滿足總負(fù)荷需求來計算停電風(fēng)險。文獻(xiàn)[5]在電力供應(yīng)是否充足的基礎(chǔ)上，考慮了節(jié)點電壓、線路潮流是否滿足約束限制，否則切除部分負(fù)荷并將其計入停電量中。文獻(xiàn)[6]采用隱故障模型進(jìn)行了風(fēng)電場接入后電網(wǎng)的連鎖故障停電風(fēng)險的研究，并模擬了線路連鎖過載斷開的典型連鎖故障模式，但模型中只考慮了風(fēng)電有功出力的變化。文獻(xiàn)[7]分析了風(fēng)場基于電壓安全與頻率安全的連鎖故障模式，但該連鎖主要針對風(fēng)場內(nèi)部故障而言，沒有涉及風(fēng)場連鎖故障對系統(tǒng)側(cè)停電的影響。

考慮到風(fēng)電特性建模要求，本文采用連鎖故障模型分析雙饋型風(fēng)力發(fā)電的風(fēng)電場接入后系統(tǒng)的停電風(fēng)險，并在模型中對風(fēng)電場結(jié)構(gòu)、風(fēng)電隨機性、風(fēng)電機組控制方式、風(fēng)電機組虛擬慣量和短路故障后的風(fēng)電機組脫網(wǎng)響應(yīng)等進(jìn)行較為全面的建模。除此之外，模型采用交流潮流計算，設(shè)置了頻率穩(wěn)定控制、線路過流保護(hù)機制、低壓減載模型，這使得模型能夠從有功-頻率與無功-電壓兩方面研究風(fēng)電接入后對停電風(fēng)險的影響。利用該模型，可對接入風(fēng)電后的系統(tǒng)的運行狀況進(jìn)行模擬，以指導(dǎo)日前系統(tǒng)運行方式安排，也可為系統(tǒng)優(yōu)化升級提供建議。

2 連鎖故障中的雙饋風(fēng)電場仿真模型

風(fēng)電出力受自然條件影響，具有隨機性、波動性，且機組對系統(tǒng)幾乎無慣量貢獻(xiàn)，給系統(tǒng)的調(diào)峰[8]、調(diào)頻[9]帶來了挑戰(zhàn)，因此風(fēng)電機組的虛擬慣量技術(shù)受到了關(guān)注。風(fēng)電場自身結(jié)構(gòu)、送出網(wǎng)架結(jié)構(gòu)均與傳統(tǒng)能源電廠有較大區(qū)別；與傳統(tǒng)同步機不同，雙饋風(fēng)力發(fā)電機的無功極限與其機端電壓、有功出力和轉(zhuǎn)差率有關(guān)；這兩點可能對系統(tǒng)的電壓產(chǎn)生負(fù)面作用甚至造成電壓穩(wěn)定問題。在短路故障發(fā)生后，有大量風(fēng)電機組脫網(wǎng)的可能。風(fēng)電機組對機端電壓較為敏感，在故障發(fā)生后的低壓狀態(tài)下需要脫網(wǎng)以保護(hù)自身。我國發(fā)生的多起較為嚴(yán)重的風(fēng)機大規(guī)模脫網(wǎng)事件，究其原因，均是一開始短路故障引發(fā)低電壓引起風(fēng)機低壓保護(hù)動作，經(jīng)后續(xù)發(fā)展而造成風(fēng)機連鎖脫網(wǎng)，最終使得系統(tǒng)失去大量電源[10，11]。為此，國家出臺的低壓穿越標(biāo)準(zhǔn)要求風(fēng)機具有一定的低壓穿越能力。然而由于低壓穿越技術(shù)不完全成熟、設(shè)備制造水平有限等多方面因素影響，目前投入運行的風(fēng)電機組依然有可能出現(xiàn)風(fēng)電機組脫網(wǎng)的情形。為體現(xiàn)上述風(fēng)電特點，有必要建立連鎖故障中的風(fēng)電仿真模型。

2.1 風(fēng)電場模型

受風(fēng)資源限制，我國風(fēng)電基本采取集中開發(fā)和遠(yuǎn)距離送出的方式。風(fēng)電集中接入電網(wǎng)，而風(fēng)場處無其他電源和負(fù)荷，通常會導(dǎo)致網(wǎng)架薄弱與電壓控制困難[12]。在風(fēng)電場模型中，本文考慮風(fēng)電場的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，以便突出這種特征。再者，電網(wǎng)與風(fēng)電場發(fā)生交互作用時，電網(wǎng)主要通過機端電壓影響各風(fēng)機的運行狀態(tài)，從而影響風(fēng)機的無功調(diào)節(jié)能力與保護(hù)動作情況。風(fēng)場的詳細(xì)結(jié)構(gòu)能夠反映各種狀態(tài)下風(fēng)機機端電壓的差異性從而表現(xiàn)出風(fēng)機響應(yīng)的差異性。此外，風(fēng)場的詳細(xì)結(jié)構(gòu)還能計及各電纜、箱式變壓器的無功需求，從而較為真實地體現(xiàn)風(fēng)場的無功-電壓水平。

2.2 風(fēng)速與風(fēng)機出力模型

到達(dá)風(fēng)電場的風(fēng)速稱為自然風(fēng)速，它是影響風(fēng)電機組出力的主要因素。受到地形、尾流效應(yīng)等因素影響，同一自然風(fēng)速下的各風(fēng)機處風(fēng)速也有所不同。為體現(xiàn)各風(fēng)電機組在自然風(fēng)速下的不同表現(xiàn)，需要分別得到各風(fēng)機處的風(fēng)速并計算風(fēng)電機組出力。

本文利用歷史數(shù)據(jù)擬合獲得不同自然風(fēng)速下各風(fēng)機處的風(fēng)速分布。風(fēng)電機組有功出力與風(fēng)速之間的關(guān)系曲線稱為風(fēng)電機組的輸出功率特性，可用分段函數(shù)式(1)表示：

(1)

式中，P為風(fēng)電機組在t時刻的有功出力；Pr為該風(fēng)電機組的額定功率；Vt為t時刻機端風(fēng)速；Vci為風(fēng)電機組的啟動風(fēng)速；Vr為風(fēng)電機組的額定風(fēng)速；Vco為風(fēng)電機組的切除風(fēng)速；參數(shù)A、B、C的計算方法見文獻(xiàn)[13]。

2.3 風(fēng)電機組控制模型

目前，主流的風(fēng)電機組控制方式包含定功率因數(shù)控制和定電壓控制兩種。其中，定功率因數(shù)控制使用得更為廣泛。模型中設(shè)置這兩種控制方式，可以在需要時進(jìn)行切換。

2.4 雙饋風(fēng)電機組的無功出力范圍

在潮流計算中，一般將采用恒功率控制模式的風(fēng)電機組處理為PQ節(jié)點，將采用恒電壓控制模式的風(fēng)電機組處理為有無功約束的PV節(jié)點。對于雙饋風(fēng)力發(fā)電機組而言，其無功上下限隨著機端電壓、當(dāng)前有功功率和轉(zhuǎn)差率的變化而變化，因此節(jié)點的無功約束需要據(jù)此設(shè)定。

這里僅考慮風(fēng)電機組定子和轉(zhuǎn)子的電流限制。據(jù)文獻(xiàn)[14]可以得到雙饋風(fēng)電機組的無功出力極限與其機端電壓、有功出力和轉(zhuǎn)差率之間的函數(shù)關(guān)系：

(2)

(3)

式中，Qsmax為風(fēng)電機組無功出力上限；Qsmin為風(fēng)電機組無功出力下限；Us為風(fēng)電機組機端電壓；s為轉(zhuǎn)差率；Ls為定子電感；Lm為定子與轉(zhuǎn)子之間的互感；P為有功功率；Ismax為定子側(cè)最大電流；Irmax為轉(zhuǎn)子側(cè)最大電流。

2.5 風(fēng)機虛擬慣量模型

當(dāng)風(fēng)電機組通過電力電子換流器采取功率控制而不響應(yīng)電網(wǎng)頻率的變化時，表現(xiàn)為對系統(tǒng)慣量的“零貢獻(xiàn)”[15]。這一特性令高風(fēng)電滲透率系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定經(jīng)受更多考驗。為了緩解上述問題，可以調(diào)節(jié)風(fēng)電機組來響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化，虛擬出比其自身的慣量更大的慣量。文獻(xiàn)[16]介紹了通過根據(jù)當(dāng)前運行狀態(tài)調(diào)節(jié)風(fēng)電機組功率曲線的方法來向電網(wǎng)提供動態(tài)功率支撐，利用該方法，系統(tǒng)可增加k倍于風(fēng)電機組本身慣量的慣量，即有：

(4)

式中，λ為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系數(shù)；ωr0為轉(zhuǎn)子初始角速度；ωe為同步角速度；JDFIG為風(fēng)電機組系統(tǒng)的總轉(zhuǎn)動慣量。

2.6 雙饋風(fēng)電機組在電壓跌落故障下響應(yīng)模型

在連鎖故障研究中主要考察風(fēng)電機組是否會發(fā)生脫網(wǎng)。為此，首先估算短路故障發(fā)生后風(fēng)電機組的機端電壓，然后建立風(fēng)電機組機端電壓與其脫網(wǎng)概率之間的關(guān)系。

2.6.1 短路故障下雙饋風(fēng)機機端電壓的估計方法

當(dāng)網(wǎng)側(cè)換流器采用定子磁鏈定向控制方式時，可以在標(biāo)幺值形式下得到[17]：

(5)

(6)

式中，Ps為定子有功功率；Qs為定子無功功率；Us為定子電壓；Is為定子電流；Ird為轉(zhuǎn)子電流d軸分量；Irq為轉(zhuǎn)子電流q軸分量。

風(fēng)電機組的功率輸出由控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)，有功功率和無功功率主要受轉(zhuǎn)子電流d軸與q軸分量的影響。

當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生故障引起電壓跌落時，風(fēng)電機組將經(jīng)歷一系列復(fù)雜的動態(tài)過程，導(dǎo)致控制參考值的突變，該過程由風(fēng)電機組的控制系統(tǒng)及其接入的系統(tǒng)共同決定。

為了簡化分析，假設(shè)風(fēng)電機組的轉(zhuǎn)子換流器容量足夠大。一方面，該假設(shè)保證了故障發(fā)生之后風(fēng)電機組的crowbar不會立即投入，風(fēng)電機組仍受到控制器控制；另一方面，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制系統(tǒng)能夠根據(jù)轉(zhuǎn)子電流的變化實時調(diào)節(jié)變流器的輸出電壓，從而控制轉(zhuǎn)子電流。當(dāng)變流器電流控制器帶寬遠(yuǎn)大于磁鏈動態(tài)時，變流器響應(yīng)速度足夠快，轉(zhuǎn)子電流可近似為其參考值[18]。

在以上假設(shè)條件下，如果進(jìn)一步認(rèn)為短路故障能夠在較短時間內(nèi)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，風(fēng)電機組的功率也將在控制系統(tǒng)的作用下基本維持在參考值。則此過程中，可將風(fēng)電機組看作恒功率源。將風(fēng)機等效為恒功率源，設(shè)為PQ節(jié)點，加入短路拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行迭代計算，即可得到風(fēng)電機組機端短路電壓。

值得說明的是，在實際系統(tǒng)中，短路故障很可能引起風(fēng)電機組的crowbar保護(hù)動作從而使得風(fēng)電機組進(jìn)入異步運行狀態(tài)，而進(jìn)入異步運行狀態(tài)的風(fēng)電機組會從系統(tǒng)吸收一定無功導(dǎo)致電壓進(jìn)一步下降。但在本文的連鎖故障研究中，并不計算這個過程的詳細(xì)情況以及機端電壓的精確變化量，而是通過上述短路電壓對故障的嚴(yán)重程度進(jìn)行估計。另外，電壓進(jìn)一步下降導(dǎo)致低壓穿越失敗的可能性將計入風(fēng)電機組的脫網(wǎng)概率。

2.6.2 風(fēng)電機組脫網(wǎng)概率與機端電壓

我國制定的風(fēng)電機組低壓穿越標(biāo)準(zhǔn)如圖1所示[19]?？梢?，當(dāng)機端電壓低于0.2pu時，允許風(fēng)電機組立刻脫網(wǎng)，當(dāng)機端電壓在0.2～0.9pu范圍內(nèi)時，允許風(fēng)電機組在一定時間后脫網(wǎng)。因此，機端電壓低于0.9pu的風(fēng)電機組均有概率脫網(wǎng)。本文設(shè)脫網(wǎng)概率隨著機端電壓的降低而升高，并用線性來近似機端短路電壓與脫網(wǎng)概率之間的關(guān)系，即

(7)

式中，Poff-gird為風(fēng)電機組脫網(wǎng)概率；Uwt為風(fēng)電機組機端短路電壓。

圖1 我國風(fēng)電低壓穿越標(biāo)準(zhǔn)Fig.1 LVRT standard of China

3 含風(fēng)電場的電力系統(tǒng)連鎖故障模型

本文建立的連鎖故障模型流程圖如圖2所示。在仿真開始時，為體現(xiàn)風(fēng)電出力的不確定性，先根據(jù)預(yù)測風(fēng)速由最優(yōu)潮流來安排系統(tǒng)內(nèi)同步機出力，再抽樣得到當(dāng)日自然風(fēng)速與各風(fēng)機處風(fēng)速，進(jìn)而計算得到風(fēng)電機組出力。

圖2 含風(fēng)電場的連鎖故障仿真流程圖Fig.2 Flowchart of cascading failures simulaiton of system integrated with wind farm

初始故障包含短路故障與斷線故障兩種類型。短路故障僅考慮一重三相短路故障，斷線故障則考慮N-1、N-2、N-3三種重數(shù)故障。結(jié)合系統(tǒng)實際，距離較遠(yuǎn)的線路同時發(fā)生斷線的概率較低。因此，在仿真中，N-2與N-3重故障在同一條母線相連的線路集合之中抽樣。

對于短路故障，利用2.6節(jié)所述方法估算短路電壓，根據(jù)對應(yīng)概率設(shè)置風(fēng)機脫網(wǎng)。在故障的影響下，系統(tǒng)可能出現(xiàn)分島與有功功率缺額，造成電網(wǎng)頻率變化，因此需要由同步機進(jìn)行功率平衡。本文在文獻(xiàn)[20]的基礎(chǔ)上加入風(fēng)機虛擬慣量，計算系統(tǒng)的動態(tài)頻率和穩(wěn)態(tài)頻率，并給出相應(yīng)的頻率穩(wěn)定控制。

之后進(jìn)行潮流計算和靜態(tài)電壓失穩(wěn)分析。當(dāng)電壓穩(wěn)定導(dǎo)致潮流不收斂時，首先通過連續(xù)潮流得到對應(yīng)負(fù)荷水平最高的潮流收斂解，即“潮流邊界”；然后利用潮流邊界的QV曲線斜率尋找電壓最薄弱的節(jié)點；通過靈敏度計算，得到對該電壓薄弱母線靈敏度最大的無功負(fù)荷節(jié)點，之后按比例切除該點的負(fù)荷，若該點的負(fù)荷全被切除后系統(tǒng)依然不能恢復(fù)穩(wěn)定，則開始切除靈敏度次高的節(jié)點負(fù)荷。得到潮流結(jié)果后，線路過流保護(hù)根據(jù)線路的負(fù)載率依概率動作。如果該環(huán)節(jié)內(nèi)沒有產(chǎn)生新的斷線，則統(tǒng)計當(dāng)日負(fù)荷損失，當(dāng)次仿真結(jié)束。

4 風(fēng)電場接入系統(tǒng)后的停電風(fēng)險分析

4.1 算例系統(tǒng)

根據(jù)2、3節(jié)介紹的模型和算法，對IEEE30節(jié)點系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。該系統(tǒng)共含6臺同步發(fā)電機組，總裝機容量240MW，負(fù)荷為234.98MW，電氣接線圖如圖3所示。

圖3 IEEE30節(jié)點系統(tǒng)Fig.3 IEEE-30 bus test system

為了充分評估風(fēng)電場接入對系統(tǒng)停電風(fēng)險的影響，本文按2.1節(jié)所述設(shè)計了包含12臺風(fēng)電機組的風(fēng)電場，接入系統(tǒng)節(jié)點5。風(fēng)電場中每臺風(fēng)電機組型號相同，通過箱式變壓器接至干線。每條干線接入4臺風(fēng)電機組，相鄰風(fēng)機水平距離為500m。干線再并聯(lián)至升壓變壓器。針對不同分析目的，以下進(jìn)行仿真分析的兩個系統(tǒng)均基于此系統(tǒng)，但參數(shù)有所不同。

(1)系統(tǒng)一。風(fēng)電場總裝機容量為120MW；風(fēng)電不發(fā)時，電網(wǎng)側(cè)線路平均負(fù)載率為0.2280；系統(tǒng)通過N-1校驗。該系統(tǒng)特征為高風(fēng)電滲透率、高線路容量裕度。

(2)系統(tǒng)二。風(fēng)電場總裝機容量為48MW；風(fēng)電不發(fā)時，電網(wǎng)側(cè)線路平均負(fù)載率為0.3879；系統(tǒng)通過N-1校驗。該系統(tǒng)特征為低風(fēng)電滲透率、低線路容量裕度。

為定量分析系統(tǒng)的停電風(fēng)險水平，本文計算了VaR、CVaR與Risk指標(biāo)[21]。當(dāng)取置信水平99%時，VaR指標(biāo)給出了99%的停電事故中的最大停電規(guī)模。因此為了系統(tǒng)的安全運行，必須將此值限制在一定的標(biāo)準(zhǔn)之下，本文設(shè)定VaR指標(biāo)低于0.1。

4.2 高風(fēng)電滲透率下的系統(tǒng)停電風(fēng)險分析

采用系統(tǒng)一。為對比不同風(fēng)電出力場景下系統(tǒng)的停電風(fēng)險水平，就風(fēng)電出力水平分別為20%(風(fēng)電低發(fā))、60%(風(fēng)電中發(fā))、90%(風(fēng)電高發(fā))的系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。當(dāng)風(fēng)電機組采用定功率因數(shù)控制且無虛擬慣量時，仿真得到三種風(fēng)電出力水平下的停電概率分布。在99%的置信水平下，上述三種風(fēng)電出力水平系統(tǒng)的指標(biāo)值如表1所示。由該結(jié)果可見，隨著風(fēng)電出力水平的上升，VaR、CVaR與Risk指標(biāo)值均有所上升。其中，VaR指標(biāo)有明顯的大幅增長。

表1 不含虛擬慣量的系統(tǒng)一停電風(fēng)險指標(biāo)值

系統(tǒng)的停電風(fēng)險之所以隨著風(fēng)電出力水平上升而呈現(xiàn)出這樣的變化趨勢，主要是由于此時系統(tǒng)的風(fēng)電滲透率達(dá)到50%，當(dāng)出現(xiàn)短路故障導(dǎo)致風(fēng)電場內(nèi)出現(xiàn)風(fēng)電機組脫網(wǎng)時，容易產(chǎn)生較大的功率缺額，導(dǎo)致系統(tǒng)動態(tài)頻率急劇跌落，引發(fā)頻率穩(wěn)定控制動作采取切負(fù)荷操作，并進(jìn)一步因系統(tǒng)運行條件惡劣而造成后續(xù)故障。

由于停電故障受頻率影響較大，因此可以推斷，風(fēng)電機組的虛擬慣量將有助于減小系統(tǒng)的停電風(fēng)險。為量化分析風(fēng)電機組虛擬慣量控制的作用，在同樣的系統(tǒng)條件下，進(jìn)行考慮風(fēng)電機組虛擬慣量的連鎖故障仿真，得到三種風(fēng)電出力水平下的停電風(fēng)險指標(biāo)，如表2所示。

表2 含虛擬慣量的系統(tǒng)一停電風(fēng)險指標(biāo)值

對比不含虛擬慣量與含虛擬慣量的指標(biāo)結(jié)果，可以看出各項指標(biāo)尤其是VaR有明顯減小，可見在高風(fēng)電滲透率系統(tǒng)中加入風(fēng)電機組的虛擬慣量十分必要。另外，風(fēng)電出力越高的系統(tǒng)指標(biāo)值下降得越快，說明虛擬慣量在高風(fēng)電出力情況下對停電風(fēng)險的抑制效果更強。

為了進(jìn)一步降低系統(tǒng)停電風(fēng)險水平，需要降低短路情況下風(fēng)電機組的脫網(wǎng)概率。一方面可以通過在風(fēng)電場內(nèi)加裝無功補償裝置在短路時提供一定的無功支撐，從而抬升短路電壓；另一方面，可以通過改進(jìn)風(fēng)機的制造與控制技術(shù)來降低其意外脫網(wǎng)的可能性。

以風(fēng)電出力水平90%的系統(tǒng)為例，在風(fēng)電場升壓站內(nèi)增設(shè)40Mvar容性無功補償以提供一定的電壓支撐作用，對該系統(tǒng)進(jìn)行仿真得到停電風(fēng)險指標(biāo)值對比，如表3所示?？梢姡陲L(fēng)電場內(nèi)增設(shè)無功補償后，當(dāng)前系統(tǒng)的VaR指標(biāo)大幅下降達(dá)到要求，CVaR指標(biāo)與Risk指標(biāo)也有所降低。

表3 增設(shè)無功補償后的系統(tǒng)一停電風(fēng)險指標(biāo)值

在此基礎(chǔ)上，后續(xù)研究還可以比較接入不同容量無功補償裝置、采用不同方式控制風(fēng)電機組等方式對降低停電風(fēng)險的作用，并從中擇優(yōu)應(yīng)用控制方案。

4.3 低風(fēng)電滲透率下的系統(tǒng)停電風(fēng)險分析

采用系統(tǒng)二。同樣對20%(風(fēng)電低發(fā))、60%(風(fēng)電中發(fā))、90%(風(fēng)電高發(fā))三種典型的風(fēng)電出力水平系統(tǒng)進(jìn)行連鎖故障仿真，得到停電分布概率。各指標(biāo)值計算對比如表4所示。可見，當(dāng)前系統(tǒng)的停電風(fēng)險較高，VaR指標(biāo)均超過標(biāo)準(zhǔn)值。

表4 系統(tǒng)二停電風(fēng)險指標(biāo)值

該系統(tǒng)中造成高停電風(fēng)險的主因并非風(fēng)電機組因短路故障脫網(wǎng)。對仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)線路過載斷開的現(xiàn)象較為嚴(yán)重，繼而產(chǎn)生較多的低壓減載，線路容量不足成為停電風(fēng)險上升的主要因素。為了降低此時系統(tǒng)的停電風(fēng)險，考慮采取提升線路容量的方式。調(diào)整BUS2、BUS6、BUS10節(jié)點附近線路的容量后，系統(tǒng)在風(fēng)電不發(fā)時電網(wǎng)側(cè)線路的平均負(fù)載率為0.3216，此時系統(tǒng)的停電風(fēng)險相關(guān)指標(biāo)值如表5所示。

表5 增加線路容量后的系統(tǒng)二停電風(fēng)險指標(biāo)值

調(diào)整后系統(tǒng)的VaR指標(biāo)明顯下降，滿足系統(tǒng)安全性要求，此外，CVaR與風(fēng)險指標(biāo)也一并降低?？梢姡瑢τ诋?dāng)前系統(tǒng)而言，提升線路容量是降低停電風(fēng)險的有效方法。

5 結(jié)論

本文建立了含雙饋風(fēng)電場的電力系統(tǒng)連鎖故障模型，對風(fēng)電場的結(jié)構(gòu)、風(fēng)速的隨機性、雙饋風(fēng)電機組的控制模式、無功約束、虛擬慣量以及短路故障下的雙饋風(fēng)機脫網(wǎng)概率進(jìn)行了模擬，還考慮了系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定控制與電壓穩(wěn)定控制。利用該模型，本文分析了雙饋風(fēng)電場接入IEEE30節(jié)點系統(tǒng)的停電風(fēng)險，并定量分析了引入風(fēng)電機組虛擬慣量控制、增加風(fēng)電場無功補償及提高線路容量對停電風(fēng)險降低的效果。

本文的研究對于永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機組接入電力系統(tǒng)所引發(fā)的頻率失穩(wěn)、線路過載相關(guān)的連鎖故障風(fēng)險分析與控制也有借鑒意義。但是，永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機組的無功容量約束、故障下的脫網(wǎng)特性需要進(jìn)一步完善，以便定量分析含直驅(qū)風(fēng)電機組的電力系統(tǒng)停電風(fēng)險。

后續(xù)研究工作還需設(shè)計高效算法以優(yōu)化停電風(fēng)險的控制策略。

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Blackout risk analysis of power system integrated with DFIG wind farm

ZHANG Xue-min1, ZHONG Yu-xin1, MEI Sheng-wei1, XIA De-ming2, WANG Shuai3, SHI Rui3

(1. State Key Lab of Control and Simulation of Power Systems and Generation Equipments, Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 2. Northeast Branch of State Grid, Shenyang 110180, China; 3. State Power Economic Research Institute, Beijing 102209, China)

With the increase of wind power penetration, it is urgent to study how to reduce the risk of cascading failures while improving the environmental benefits. In this paper, a cascading failure model with wind farm is proposed, which considered the structure of wind farm, the randomness of wind power, the virtual inertia control of wind turbine, and the trip-off response of wind turbine after short circuit. The model also set up the frequency stability control, the over current protection of transmission line and the low voltage load shedding, so it can analyze the influence of wind power from two respects, i.e. the blackout risk from active power-frequency and reactive power-voltage. The research will be the basic tool of quantifying the effect of blackout risk preventing and control for the planning and operation of power system integrated with wind farm. With the simulation, the blackout risk of IEEE 30 test system integrated with wind farm is analyzed, and the effect for reducing the blackout risk of the virtual inertial control of wind turbine, reactive power compensation and line construction is discussed.

wind farm; cascading trip-off; virtual inertial; blackout risk

2015-12-14

國家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新群體項目(51321005)、 國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)課題(2013AA050601)、 國家自然科學(xué)基金項目(51377091)、 國家電網(wǎng)公司總部科技項目

張雪敏(1979-)， 女， 陜西籍， 副教授， 博士， 主要研究方向為電力系統(tǒng)穩(wěn)定、 控制及連鎖故障； 鐘雨芯(1990-)， 女， 廣西籍， 碩士研究生， 主要研究方向為電力系統(tǒng)連鎖故障。

TM744

A

1003-3076(2016)07-0001-07