傅 旭， 趙 娟，張更賀，張祥成， 張鵬宇

(1.西北電力設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 西安 710075；2.國網(wǎng)青海省電力公司檢修公司，青海 西寧 810003；3.國網(wǎng)青海省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院, 青海 西寧 810008； 4.國網(wǎng)吉林省電力有限公司，吉林 長春 130000)

0 引言

風(fēng)電機(jī)組出力特性具有隨機(jī)性和不確定性，且風(fēng)電往往處于電網(wǎng)末端，風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的影響將日益突出[1-4]，對(duì)電網(wǎng)頻率特性、功角穩(wěn)定性、無功電壓特性等諸多方面都將產(chǎn)生重大影響[5-9]。風(fēng)電機(jī)組類型包括異步發(fā)電機(jī)、雙饋發(fā)電機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)等，各種類型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的暫態(tài)過程不同于傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)[10-12]。文獻(xiàn)[13]研究了風(fēng)電和光伏接入電網(wǎng)后對(duì)電網(wǎng)短路電流的影響。文獻(xiàn)[14]利用最小二乘法對(duì)故障條件下風(fēng)電場參數(shù)進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)。文獻(xiàn)[15]將風(fēng)電場的輸出特性引入到風(fēng)電場的等值求解過程中，采用遺傳算法進(jìn)行求解。文獻(xiàn)[16]用改進(jìn)容量加權(quán)單機(jī)等值法對(duì)風(fēng)電場進(jìn)行等值，同時(shí)保留所有風(fēng)力機(jī)和風(fēng)速模型。文獻(xiàn)[17-18]分析了風(fēng)電場對(duì)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響，并采用功率注入模型模擬風(fēng)電場。文獻(xiàn)[19]將雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(doubly fed induction generator，DFIG)風(fēng)電場在故障恢復(fù)后用恒阻抗功率源模擬。文獻(xiàn)[20]以風(fēng)電機(jī)組具有相近運(yùn)行點(diǎn)為機(jī)組分群原則，給出風(fēng)電場動(dòng)態(tài)等值的多機(jī)表征方法。

電力系統(tǒng)接入大型風(fēng)電場后，對(duì)電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定特性將產(chǎn)生重大影響。本文以我國某地區(qū)實(shí)際電網(wǎng)為例，研究風(fēng)電場接入對(duì)送端電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定特性的影響規(guī)律，研究成果表明：在送端系統(tǒng)送出功率恒定的情況下，由于風(fēng)電機(jī)組本身不存在功角同步的問題，風(fēng)電接入后系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性有所改善；但風(fēng)電裝機(jī)占比較大時(shí)，可能導(dǎo)致系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性變差，靜止無功補(bǔ)償器(static var compensator,SVC)有利于提高送端電網(wǎng)的暫態(tài)功角穩(wěn)定性和暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。在電網(wǎng)安全穩(wěn)定分析中，需對(duì)大規(guī)模接入風(fēng)電機(jī)組的送電電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性加以重點(diǎn)關(guān)注。

1 風(fēng)電場暫態(tài)模型

1.1 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的電力電子變流器只需要對(duì)轉(zhuǎn)子的功率進(jìn)行變換與處理，減小變流器容量，實(shí)現(xiàn)了雙饋發(fā)電機(jī)定子的有功、無功解耦控制。圖1為雙饋機(jī)組的結(jié)構(gòu)示意圖，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)5階矢量表示的數(shù)學(xué)模型[10]如下：

圖1 雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of doubly fed induction generator structure

(1)

式中：Us、Ur為定、轉(zhuǎn)子電壓；Is、Ir為定、轉(zhuǎn)子電流；ψs、ψr為定、轉(zhuǎn)子磁鏈；ωs、ωr為定子電壓的角頻率及轉(zhuǎn)子的電角頻率；Rs、Rr、Ls、Lr、Lm分別為雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子繞組電阻、電感以及定轉(zhuǎn)子之間的互感值；J為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量；Tm為機(jī)械轉(zhuǎn)矩；Te為電磁轉(zhuǎn)矩。

1.2 永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)

永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)沒有齒輪箱和轉(zhuǎn)子勵(lì)磁裝置，通過一個(gè)全功率的變頻器與系統(tǒng)相連，系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖2所示,數(shù)學(xué)模型[11]如下：

圖2 永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of permanent magnet synchronous generator

(2)

式中：ud、uq、id、iq為永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子電壓、電流的d軸與q軸分量；ψf為永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體的磁鏈；ωe為永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子電壓的角頻率；Ld、Lq為永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的d軸同步電感及轉(zhuǎn)子同步電感。

2 案例分析

采用某地區(qū)電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)例仿真計(jì)算，數(shù)據(jù)模擬為某年該地區(qū)五省的220 kV及以上電網(wǎng)。

1) 對(duì)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響。

以極限故障切除時(shí)間指標(biāo)研究風(fēng)電機(jī)組對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定性的影響。

工況1：接入敦煌變330 kV側(cè)的風(fēng)電合計(jì)出力4 000 MW， “敦煌—酒泉+沙州—魚卡”斷面潮流為6 573 MW，潮流計(jì)算結(jié)果收斂。故障設(shè)置為敦煌—酒泉變0周波發(fā)生三相短路故障。經(jīng)過仿真計(jì)算，系統(tǒng)的故障極限切除時(shí)間為350 ms。

工況2：風(fēng)電出力降低1 000 MW，火電機(jī)組有功出力增加1 000 MW以補(bǔ)充風(fēng)電降低的出力。經(jīng)仿真計(jì)算，系統(tǒng)火電機(jī)組功角失穩(wěn)，故障極限切除時(shí)間為320 ms。

可看出，以風(fēng)電場代替相同容量的火電機(jī)組后，由于風(fēng)電機(jī)組本身并沒有功角失穩(wěn)問題，系統(tǒng)的極限故障切除時(shí)間有所增加，即系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性有所改善。

2) 對(duì)電壓穩(wěn)定性的影響。

含有大型風(fēng)電場的電網(wǎng)發(fā)生故障后，系統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組的機(jī)端電壓變化會(huì)和系統(tǒng)中同步發(fā)電機(jī)組的機(jī)端電壓變化表現(xiàn)不同。風(fēng)電場在電網(wǎng)發(fā)生故障的情況下，普遍存在一種暫態(tài)電壓持續(xù)跌落、最后發(fā)生電壓崩潰或電壓劇烈振蕩的現(xiàn)象，有可能激發(fā)同步機(jī)組功角失步。

圖3 工況3下節(jié)點(diǎn)電壓變化曲線Fig.3 Bus voltage variation under condition 3

工況3：風(fēng)電出力4 000 MW，穩(wěn)態(tài)潮流計(jì)算收斂，“敦煌—酒泉+沙州—魚卡”斷面潮流6 573 MW，敦煌—酒泉變敦煌側(cè)0周波發(fā)生三相短路故障，10周波故障線路切除。敦煌變750 kV側(cè)和330 kV側(cè)的電壓恢復(fù)情況如圖3所示，由圖可見：故障切除后約10個(gè)周波，電壓恢復(fù)至0.75 pu以上。

工況4：接入敦煌變330 kV側(cè)的風(fēng)電場合計(jì)有功出力為3 000 MW，“敦煌—酒泉+沙州—魚卡”斷面潮流5 573 MW。故障設(shè)置同工況3。

敦煌變750 kV側(cè)和330 kV側(cè)的電壓恢復(fù)曲線情況如圖4所示，由圖可見：故障切除后約10個(gè)周波，電壓恢復(fù)至0.85 pu以上。

圖4 工況4下節(jié)點(diǎn)電壓變化曲線Fig.4 Bus voltage variation under condition 4

對(duì)比圖3、4可看出，風(fēng)電場出力從4 000 MW降至3 000 MW后，節(jié)點(diǎn)電壓恢復(fù)速度和電壓幅值均有所提高。即：風(fēng)電場出力的增加對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓影響較大；并且出力越大，節(jié)點(diǎn)電壓的恢復(fù)速度越慢。

3) 利用SVC提高系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定性。

普通投切式低壓并聯(lián)電容器的無功輸出與節(jié)點(diǎn)電壓平方成正比。風(fēng)電場出現(xiàn)故障時(shí)，電壓往往會(huì)降低，電容器的無功補(bǔ)償量也會(huì)減少。SVC可更快、更平滑地改變其無功出力，對(duì)風(fēng)電場的暫態(tài)穩(wěn)定起到更快速的調(diào)節(jié)作用。

工況5：潮流分布同工況3，每個(gè)風(fēng)電場并網(wǎng)側(cè)加裝50 Mvar的SVC無功補(bǔ)償裝置，取代原來每個(gè)風(fēng)電場布置的50 Mvar并聯(lián)電容器，敦煌—酒泉變敦煌側(cè)0周波發(fā)生三相短路故障。

工況6：潮流分布同工況4，每個(gè)風(fēng)電場并網(wǎng)側(cè)加裝50 Mvar的SVC無功補(bǔ)償裝置，取代原來每個(gè)風(fēng)電場布置的50 Mvar電容器，故障設(shè)置同工況5。

通過工況5和6的仿真計(jì)算，投入SVC取代原可投切的低壓電容器后，工況5的極限故障切除時(shí)間為370 ms；工況6的極限故障切除時(shí)間為350 ms。無SVC裝置時(shí)工況5下極限故障切除時(shí)間為350 ms，SVC投入后系統(tǒng)的極限故障切除時(shí)間延長了20 ms；工況6下，極限故障切除時(shí)間為320 ms，SVC投入后系統(tǒng)的極限故障切除時(shí)間延長了30 ms。

4) 利用SVC提高暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。

工況7：同工況5，敦煌—酒泉變敦煌側(cè)0周波發(fā)生三相短路故障，10周波故障線路切除。

工況8：同工況6，敦煌—酒泉變敦煌側(cè)0周波發(fā)生三相短路故障，10周波故障線路切除。

圖5和6給出了風(fēng)電場集中并網(wǎng)點(diǎn)裝設(shè)SVC后節(jié)點(diǎn)電壓恢復(fù)情況，由圖可見：SVC投入后，工況7在100周波時(shí)，敦煌變330 kV側(cè)和750 kV側(cè)的電壓均恢復(fù)至0.95 pu以上；工況8在100周波時(shí)，敦煌變330 kV側(cè)和750 kV側(cè)的電壓均恢復(fù)到了0.97 pu以上。與無SVC投入的工況相比，裝設(shè)SVC后電壓恢復(fù)速度和幅值均有了較大提高。

圖5 工況7下節(jié)點(diǎn)電壓變化曲線Fig.5 Bus voltage variation under condition 7

圖6 工況8下節(jié)點(diǎn)電壓變化曲線Fig.6 Bus voltage variation curve under condition 8

3 結(jié)論

本文分析了大規(guī)模風(fēng)電接入對(duì)送端電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定特性的影響規(guī)律，我國某實(shí)際電網(wǎng)的仿真分析表明：

1) 風(fēng)電機(jī)組本身不存在功角同步的問題，風(fēng)電接入后系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性有所改善，短路故障的臨界切除時(shí)間有所增加。

2) 風(fēng)電場在電網(wǎng)發(fā)生故障的情況下，存在一種暫態(tài)電壓持續(xù)跌落，可能激發(fā)同步機(jī)組功角失步，風(fēng)電場出力越大節(jié)點(diǎn)電壓的恢復(fù)速度越慢。

3) SVC對(duì)提高暫態(tài)功角穩(wěn)定性和暫態(tài)電壓穩(wěn)定性均有較大作用。投入SVC取代低壓電容器后，極限故障切除時(shí)間和節(jié)點(diǎn)電壓恢復(fù)速度及幅值均有了較大提高。