李立新,李 旭

(東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院,吉林 吉林 132012)

●電力系統(tǒng)及其自動化●

大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)失步振蕩的影響分析

李立新,李 旭

(東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院,吉林 吉林 132012)

針對大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)失步振蕩的影響問題,筆者以等面積原則為依據(jù),分析了風(fēng)電接入后系統(tǒng)的穩(wěn)定機(jī)理,并在PSD-BPA仿真平臺中建立風(fēng)火打捆單機(jī)無窮大系統(tǒng)等效模型,從風(fēng)電接入比例、故障點位置、機(jī)組類型方面仿真分析了風(fēng)電并網(wǎng)對系統(tǒng)失步振蕩的影響,即風(fēng)電比例越大,故障點距離風(fēng)電場越遠(yuǎn),風(fēng)電場采用雙饋機(jī)組時系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性越好,越有利于抑制系統(tǒng)的失步振蕩。

風(fēng)電并網(wǎng);失步振蕩;風(fēng)火打捆;暫態(tài)穩(wěn)定

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展,風(fēng)電的接入容量在電力系統(tǒng)總發(fā)電量中所占的比重越來越大,而且雙饋機(jī)又實現(xiàn)了有功和無功的解耦等優(yōu)越性,因此其逐漸成為當(dāng)前風(fēng)電機(jī)組的主流機(jī)型[1]。中國風(fēng)電場大多數(shù)位于風(fēng)資源比較豐富的西北地區(qū),因為該地區(qū)火力發(fā)電較為集中,所以風(fēng)電與鄰近火電打捆高壓遠(yuǎn)距離外送的開發(fā)模式得到廣泛應(yīng)用。然而風(fēng)電接入會給系統(tǒng)帶來安全穩(wěn)定問題,甚至涉及系統(tǒng)的第三道防線，因此研究風(fēng)火打捆外送下風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)失步振蕩的影響具有重要意義[2-3]。文獻(xiàn)[4-15]從不同角度分析了風(fēng)電接入對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響,雖然取得了一定的研究成果,但是都沒有研究風(fēng)電接入對系統(tǒng)失步振蕩的影響。本文以等面積原則為依據(jù),從同步發(fā)電機(jī)功角特性變化的角度出發(fā),研究了風(fēng)電接入后系統(tǒng)的穩(wěn)定機(jī)理,并基于中國風(fēng)火電打捆典型外送場景,在PSD-BPA仿真平臺中建立風(fēng)火打捆單機(jī)無窮大系統(tǒng)等效模型,分析了三相短路故障條件下風(fēng)電接入比例、故障點位置、機(jī)組類型對系統(tǒng)失步振蕩的影響。

1 不同風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)方式和數(shù)學(xué)模型

1.1 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)

雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)由風(fēng)力機(jī)、齒輪箱、雙饋感應(yīng)電機(jī)以及背靠背四象限變流器等組成,風(fēng)機(jī)的定子側(cè)直接接入電網(wǎng),轉(zhuǎn)子側(cè)通過四象限變流器接入電網(wǎng),雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)

雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)在dq坐標(biāo)系下的定子、轉(zhuǎn)子電壓方程為

(1)

式中:Rs、Rr為定、轉(zhuǎn)子電阻;isd、isq為定子電流;ird、irq為轉(zhuǎn)子電流;ψsd、ψsq為定子磁鏈;ψrd、ψrq為轉(zhuǎn)子磁鏈;ω1和ωs為同步角速度和轉(zhuǎn)差角速度。

定子、轉(zhuǎn)子磁鏈方程為

(2)

式中:Ls、Lr和Lm為定子、轉(zhuǎn)子自感和互感。

轉(zhuǎn)子運動方程為

(3)

式中:Np為極對數(shù);TJ為慣性時間常數(shù);Tm、Te分別為機(jī)械轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩。

該數(shù)學(xué)模型包括4個電壓方程、4個磁鏈方程、1個轉(zhuǎn)子運動方程,共計9個方程,為5階數(shù)學(xué)模型。其中,未知量為usd、usq、urd、urq和Tm,其余為已知量。

1.2 恒速異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)

恒速異步風(fēng)機(jī)由風(fēng)力機(jī)、齒輪箱、異步發(fā)電機(jī)以及無功補(bǔ)償裝置等組成,風(fēng)機(jī)直接接入電網(wǎng),恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)

恒速異步風(fēng)機(jī)沒有勵磁回路,其勵磁只能靠外部電源。轉(zhuǎn)速給定時,風(fēng)電機(jī)組出口電壓U與感應(yīng)發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩Te的關(guān)系為

Te=ksU2

(4)

式中:k為常數(shù);s為轉(zhuǎn)差率。

異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子運動方程為

(5)

式中:J為轉(zhuǎn)動慣量;Tm為機(jī)械轉(zhuǎn)矩;ω為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

由于異步電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度與系統(tǒng)頻率有著強(qiáng)耦合關(guān)系,因此不能忽略其與同步電機(jī)并網(wǎng)時的機(jī)械慣量。恒速異步電機(jī)直接接入電網(wǎng),沒有變換器進(jìn)行有功和無功的調(diào)節(jié),不具有功角的快速恢復(fù)特性。

2 風(fēng)電接入后系統(tǒng)穩(wěn)定機(jī)理分析

在分析暫穩(wěn)問題時,等面積定則是基礎(chǔ),則同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子運動方程式為

(6)

(7)

式中:ω為角速度;TJ為慣性時間常數(shù);PT為機(jī)械功率;E′、U分別為發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢和無窮大母線電壓;X∑為U與E′之間的聯(lián)系電抗。

本文風(fēng)火打捆系統(tǒng)在風(fēng)電容量增加時,相應(yīng)減小火電機(jī)組出力,不關(guān)?；痣姍C(jī)組,故慣性時間常數(shù)TJ不變,由PT和PE決定系統(tǒng)故障后的不平衡能量。

下面以系統(tǒng)發(fā)生三相瞬時接地短路故障為例,分析風(fēng)電接入前后同步電機(jī)加速面積和減速面積的變化。三相短路故障時附加電抗XΔ為0,則聯(lián)系電抗X∑無窮大,所以故障時同步機(jī)的電磁功率PE為0。風(fēng)電接入前送端系統(tǒng)的面積定則如圖3所示。

文獻(xiàn)[2]描述了風(fēng)電接入后送端系統(tǒng)的面積定則,若同步機(jī)的機(jī)械功率PT不變,則電磁功率PE隨風(fēng)電的接入而改變。然而,為了保持風(fēng)火打捆系統(tǒng)外送出力不變,在風(fēng)電容量增大時,需壓火電機(jī)組出力,火電機(jī)組的等效機(jī)械功率是減小的?？紤]火電機(jī)組機(jī)械功率減小送端系統(tǒng)的面積定則如圖4所示。

圖3 風(fēng)電接入前送端系統(tǒng)面積定則示意圖

圖4 風(fēng)電接入后送端系統(tǒng)面積定則示意圖

3 算例分析

3.1 算例系統(tǒng)及衡量指標(biāo)

3.1.1 風(fēng)火打捆輸電系統(tǒng)

在PSD-BPA仿真軟件中建立風(fēng)火打捆輸電系統(tǒng),如圖5所示。

圖5 “風(fēng)火打捆”單機(jī)無窮大系統(tǒng)

在圖5中,有1個容量為90 MW的風(fēng)電場和1個容量為600 MW的火電廠作為風(fēng)火打捆系統(tǒng)的送端電源并聯(lián)接入母線1?；痣姍C(jī)組采用6階同步發(fā)電機(jī)模型。風(fēng)力發(fā)電機(jī)為GE雙饋風(fēng)電機(jī),機(jī)端電壓為0.7 kV,經(jīng)兩級升壓變后升至220 kV接到母線1上。交流輸電線路12的長度為230 km,其電阻R=0.032 76,電抗X=0.171 48(標(biāo)幺值)。在線路12上加裝解列裝置。

3.1.2 衡量指標(biāo)

風(fēng)電機(jī)組有別于常規(guī)火電機(jī)組,發(fā)生故障時,風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響以及風(fēng)電場自身的暫穩(wěn)特性均需要通過常規(guī)火電機(jī)組的功角變化體現(xiàn)。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重故障時會導(dǎo)致功角失穩(wěn),使系統(tǒng)發(fā)生失步振蕩,觸發(fā)解列裝置動作,需要以火電機(jī)組功角從波動到失穩(wěn)的間隔時間以及解列裝置動作時間的快慢來判斷雙饋風(fēng)電機(jī)組對系統(tǒng)失步振蕩影響的嚴(yán)重程度:

1) 解列裝置動作時間越慢,越有利于改善系統(tǒng)的失步振蕩特性。

2) 火電機(jī)組功角從波動到失穩(wěn)間隔時間越長,越有利于抑制系統(tǒng)的失步振蕩。

3.2 風(fēng)電接入比例對系統(tǒng)失步振蕩的影響

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)迅猛發(fā)展,風(fēng)電裝機(jī)容量不斷增加,故障后風(fēng)電機(jī)組的作用可能觸發(fā)系統(tǒng)的第三道防線,有必要分析風(fēng)電接入比例對電網(wǎng)失步振蕩的影響。在圖5系統(tǒng)中仿真如下:

0 s時線路12近母線1側(cè)發(fā)生三相短路故障,0.1 s時故障清除。三相短路故障觸發(fā)解列裝置動作,火電機(jī)組功角曲線以及解列裝置動作時間在不同風(fēng)電比例下的變化如圖6、7所示。

從圖6可以看出,風(fēng)電接入比例增大,線路12間解列裝置動作逐漸變慢。

從圖7可以看出,風(fēng)電接入比例越大,打捆火電機(jī)組功角從波動到失穩(wěn)的時間間隔越長。由此可以得出:在該系統(tǒng)中,隨著風(fēng)電比例的增大,系統(tǒng)的暫態(tài)功角穩(wěn)定性有所提升,失步振蕩特性得到改善。與理論分析結(jié)果一致。

圖6 解列裝置動作時刻

圖7 不同風(fēng)電比例下火電機(jī)組功角曲線

3.3 故障點位置對系統(tǒng)失步振蕩的影響

在電網(wǎng)互聯(lián)的大趨勢下,電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，機(jī)網(wǎng)間聯(lián)系更加緊密。隨著聯(lián)網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大,風(fēng)火打捆系統(tǒng)故障點位置的不同會使電網(wǎng)安全穩(wěn)定特性發(fā)生較大變化,所以深入研究風(fēng)電接入下不同故障點對解列裝置動作特性的影響很有必要。

在圖5仿真系統(tǒng)中,分別在母線1(距離風(fēng)電場較近為近故障點)、2(距離風(fēng)電場較遠(yuǎn)為遠(yuǎn)故障點)設(shè)置三相短路故障,機(jī)組采用恒電壓運行方式,仿真對比其他條件相同而兩種故障位置不同時,解列裝置動作時刻及火電機(jī)組功角受擾曲線,仿真結(jié)果如圖8、9所示。

從圖8可以看出,近故障點時解列裝置的動作時刻快于遠(yuǎn)故障點。

從圖9可以看出,與母線2相比,母線1故障時打捆系統(tǒng)火電機(jī)組功角首擺擺開的速度較快。這是因為母線1發(fā)生故障時距離風(fēng)電場較近,風(fēng)電機(jī)組吸收的無功功率將增加,導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)無功不足,嚴(yán)重時使火電機(jī)組功角失穩(wěn),觸發(fā)解列裝置動作。可見,故障點距離風(fēng)電場越近,越不利于改善系統(tǒng)的失步振蕩特性,系統(tǒng)越容易失去穩(wěn)定。

圖8 解列裝置動作時刻

圖9 火電機(jī)組功角曲線(5個風(fēng)電場接入)

3.4 機(jī)組類型對系統(tǒng)失步振蕩的影響

以下分析風(fēng)電機(jī)組類型對風(fēng)火打捆系統(tǒng)失步振蕩的影響,現(xiàn)仿真如下:

在圖5風(fēng)火打捆輸電系統(tǒng)中的母線11分別接入等容量的雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組和恒速異步風(fēng)電機(jī)組,并在母線1設(shè)置三相短路故障,故障持續(xù)時間為0.1 s。以接入5個風(fēng)電場為例,仿真對比當(dāng)其他條件相同而機(jī)組類型不同時,解列裝置動作時刻以及火電機(jī)組功角的受擾曲線,仿真結(jié)果如圖10-12所示。

圖10 解列裝置動作時刻

圖11 火電機(jī)組功角曲線

圖12 并網(wǎng)點電壓變化

從圖10-12仿真結(jié)果可以看出,不同風(fēng)電機(jī)組類型對系統(tǒng)失步振蕩的影響不同。相比于恒速風(fēng)電機(jī)組,打捆系統(tǒng)中接入雙饋機(jī)組時解列裝置動作時間更為緩慢,同步機(jī)組的功角穩(wěn)定性更好。這是因為雙饋風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子通過背靠背變流器與電網(wǎng)相連,故障后能夠給系統(tǒng)提供一定比例的無功支撐,對電壓的調(diào)整能力較強(qiáng),而恒速風(fēng)電機(jī)組無此功能。風(fēng)火打捆系統(tǒng)風(fēng)電場接入雙饋風(fēng)電機(jī)組時更有利于提高系統(tǒng)穩(wěn)定性,抑制系統(tǒng)的失步振蕩。

4 結(jié) 論

本文分析了風(fēng)電接入后系統(tǒng)的穩(wěn)定機(jī)理,并在PSD-BPA中建立風(fēng)火打捆單機(jī)無窮大系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗證,得到如下結(jié)論:

1) 風(fēng)電接入系統(tǒng)后,風(fēng)電比例越大,系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性越好,越有利于抑制系統(tǒng)的失步振蕩。

2) 故障點距離風(fēng)電場較近時,不利于系統(tǒng)穩(wěn)定運行,不利于改善系統(tǒng)的失步振蕩特性。

3) 風(fēng)電場采用雙饋機(jī)組時,暫態(tài)穩(wěn)定性更好,更有利于抑制系統(tǒng)的失步振蕩。

[1] 王清，薛安成，鄭元杰，等.雙饋型風(fēng)電集中接入對暫態(tài)功角穩(wěn)定的影響分析[J].電網(wǎng)技術(shù)，2016(3):875-881.WANG Qing,XUE Ancheng,ZHEN Yuanjie,et al.Impact of DFIG-based wind power integration on the transient stability of power systems[J].Power System Technology,2016(3):875-881.

[2] 于強(qiáng)，孫華東，湯涌，等．雙饋風(fēng)電機(jī)組接入對電力系統(tǒng)功角穩(wěn)定性的影響[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2013，37(12)：3399-3405． YU Qiang,SUN Donghua,TANG Yong,et al.Impact on angle stability of power system with doubly fed induction generators connected to grid[J].Power System Technology,2013,37(12):3399-3405.

[3] 劉代剛，黃河，王震泉，等.雙饋風(fēng)電場并網(wǎng)對系統(tǒng)低頻振蕩阻尼影響的分析與研究[J].陜西電力，2016(1):16-20.LIU Daigang,HUANG He,WANG Zhenquan,et al.Analysis and research on impact of doubly fed wind farm integration on power system low-frequency oscillation damping[J].Shanxi Electric Power,2016(1):16-20.

[4] 林莉，孫才新，王永平，等．大容量風(fēng)電場接入后電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的計算分析與控制策略[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(3)： 41-48． LIN Li,SUN Caixin,WANG Yongping,et al.Calculation analysis and control strategy for voltage stability of power grid with large capability wind farm interconnected[J].Power System Technology,2008,32(3):41-48.

[5] 丁明，李賓賓，韓平平．雙饋風(fēng)電機(jī)組運行方式對系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的影響[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2010，34(10)：26-31． DING Ming,LI Bingbing,HAN Pingping.Impacts of operation modes of doubly-fed wind turbine generator on system voltage stability[J].Power System Technology,2010,34(10):26-31.

[6] 遲永寧，王偉勝，戴慧珠．改善基于雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)風(fēng)電場暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的研究[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報，2007，27(25)：25-31． CHI Yongning,WANG Weisheng,DAI Huizhu.Study on transient voltage stability enhancement of grid-connected wind farm with doubly fed induction generator installations[J].Proceedings of the CSEE,2007,27(25):25-31.

[7] GAUTAM D，VITTAL V，HARBOUR T．Impact of increased penetration of DFIG-based wind turbine generators on transactionsient and small signal stability of power systems[J]．IEEE Transactions on Power Systems，2009，24(3)：1426-1434.

[8] MULJADI E，NGUYEN T B，PAI M A．Transient stability of the grid with a wind power plant[C]//IEEE/PES Power Systems Conference and Exposition(PSCE)．Seattle，WA，United States：IEEE，2009：1-7.

[9] 曹娜，李巖春，趙海翔，等．不同風(fēng)電機(jī)組對電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2007，31(9)：53-59． CAO Na,LI Yanchun,ZHAO Haixiang,et al.Comparison of effect of different wind turbineson power grid transient stability[J].Power System Technology,2007,31(9):53-59.

[10] 趙祥，張師，周毅博，等.風(fēng)火打捆交直流混聯(lián)送端系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析[J].智能電網(wǎng)，2015(7):594-602.ZHAO Xiang,ZHANG Shi,ZHOU Yibo,et al.Analysis transient stability for wind-thermal-bundled power transmitted by AC/DC System[J].Smart Grid,2015(7):594-602.

[11] 郭小江，趙麗莉，湯奕．“風(fēng)火打捆”交直流外送系統(tǒng)功角暫態(tài)穩(wěn)定研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2013(22)：19-26.GUO Xiaojiang,ZHAO Lili,TANG Yi.Study on angle transient stability for wind-thermal-bundled power transmitted by AC/DC System[J].Proceedings of CSEE,2013(22):19-26.

[12] 張明理，徐建源，李佳玨．含高滲透率風(fēng)電的送端系統(tǒng)電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定研究[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2013，37(3)：740-745． ZHANG Mingli,XU Jianyuan,LI Jiayu.Research on transient stability of sending power grid containing high proportion of wind power[J].Power System Technology,2013,37(3):740-745.

[13] Vittal E，O'Malley M，Keane A．Rotor angle stability with high penetrations of wind generation[J]．IEEE Transactions on Power Systems，2012，27(1)：353-362.

[14] 李生福，張愛玲，李少華."風(fēng)火打捆"交直流外送系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定控制研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2015(1)：108-114.LI Shengfu,ZHANG Ailing,LI Shaohua,et al.Study on transient stability control for wind-thermal-bundled power transmitted by AC/DC system[J].Power System Protection and Control,2015(1):108-114.

[15] 湯奕，趙麗莉，郭小江.風(fēng)電比例對"風(fēng)火打捆"外送系統(tǒng)功角暫態(tài)穩(wěn)定性影響[J].電力系統(tǒng)自動化，2013(20)：34-40.TANG Yi,ZHAO Lili,GUO Xiaojiang.Impact of wind penetration on angle transient stability of wind-thermal combined system[J].Automation of Electric Power Systems,2013(20):34-40.

(責(zé)任編輯 侯世春)

Impact analysis of out-of-step oscillation of grid made by large-scale wind power integration

LI Lixin,LI Xu

(School of Electrical Engineering,Northeast Dianli University,Jilin 132012,China)

Aiming at the problem of impact on out-of-step oscillation of grid made by large-scale wind power integration on power system oscillation,the author analyzed the stability mechanism of wind power integration system according to equal area principle and the equivalent mode of wind-thermal-bundled single-machine infinite-bus system was established in PSD-BPA simulation platform.Also,the wind power access ratio,fault location and the type of unit were simulated and analyzed to the impact of wind power integration on the out-of-step oscillation of the system.It shows that the greater the proportion of wind power,the farther wind farm fault distance is from wind power farm and the better transient stability of the DFIG system by wind power farm is,which contributes more to reducing the out-of-step oscillation of the system.

wind power integration; out-of-step oscillation; wind-thermal-bundled; transient stability

2016-07-21。

李立新(1989—),男,碩士研究生,研究方向為新能源發(fā)電與并網(wǎng)。

TM614;TM712

A

2095-6843(2016)06-0471-05