田 軍于明鑫張 師劉馨語柳禾豐

(1.吉林電子信息職業(yè)技術學院電氣工程學院,吉林 吉林132021;2.國電物資東北配送有限公司,遼寧 沈陽110000;3.東北電力大學電氣工程學院,吉林 吉林132012;4.長春新區(qū)管理委員會,吉林長春130000;5.國網(wǎng)吉林省經(jīng)濟技術研究院,吉林 長春130000)

0 引言

隨著風電并網(wǎng)容量的增加,風電機組的動態(tài)過程對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響日益凸顯[1-4]。風電場虛擬慣量控制可有效改善風電場的動態(tài)行為,從而提高電力系統(tǒng)的功角穩(wěn)定性[5]。

目前,關于風電并網(wǎng)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定研究已經(jīng)取得了較多的研究成果,文獻[6]分析了暫態(tài)過程中雙饋風電機組(double fed integration generator,DFIG)軸系模型對系統(tǒng)動態(tài)行為的影響。通過分析可知,暫態(tài)過程中軸剛度越低,轉(zhuǎn)子因軸松弛而獲得的預期加速越多,越不利于系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定。文獻[7]通過仿真算例發(fā)現(xiàn):額定風速下風電場接入電網(wǎng)的絕對安全容量是有限的,而風速較低時,風電場可開啟更多的風電機組來提高風電場的出力。文獻[8]分析了不同運行工況下的DFIG對電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響;文獻[9]通過兩區(qū)域同步發(fā)電機的功角相對擺動情況研究了風電并網(wǎng)系統(tǒng)受擾后的機組動態(tài)行為;文獻[10]的研究表明,DFIG通過有功調(diào)節(jié)可虛擬出可控的慣性,以解決風電并網(wǎng)后系統(tǒng)慣性削弱的問題。

以上研究表明,風電場虛擬慣量控制對風電并網(wǎng)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性的影響不容忽視?，F(xiàn)有成果中,未見深入研究風電場虛擬慣量控制對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響及影響機制?；诖?本文首先基于擴展等面積法則(extended equal area criterion,EEAC)分析風電場虛擬慣量控制對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響,再通過仿真算例驗證結(jié)論的有效性。

1 EEAC基本原理

EEAC是將等面積法則應用于多機系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性分析中[11-14]。

設具有n臺同步發(fā)電機的系統(tǒng),第i臺同步機的功角δi變化與功率差額的關系可表示為

式中:Mi為第i臺同步機的慣性時間常數(shù);PMi和PEi為第i臺同步機的機械功率和電磁功率。

慣性中心(center of inertia,COI)的功角δCOI和轉(zhuǎn)速ωCOI分別為

COI坐標下的各臺發(fā)電機轉(zhuǎn)子運動方程為

式中:PCOI為慣性中心坐標的功率差額;MT為慣性中心的慣性時間常數(shù)。將相對于COI加速的和減速的發(fā)電機群分別定義為臨界群和余下群,n臺發(fā)電機有nk臺臨界機組,則等值臨界機組和余下機組的功角δk和δ0可表示為

等值臨界機組和余下機組的轉(zhuǎn)子運動方程為

式中:mi和mj分別為等值臨界機組和余下機組的轉(zhuǎn)動慣量;PMi-PEi為臨界機組的功率差額;PMj-PEj為余下機組的功率差額。

將式(7)和(8)聯(lián)立可得

等值慣量meq、等值機械功率PMeq和等值電磁功率PEeq可分別表示為

等值系統(tǒng)的加速面積Δ加速和減速面積Δ減速分別為

式中:PEeqII為故障過程中的電磁功率;PEeqIII為故障清除后的電磁功率;δ0、δc和δh分別為初始功角、故障切除時功角和不穩(wěn)定平衡點的功角。加速面積越小、減速面積越大,越有利于提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。

2 風電虛擬慣量控制對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響

根據(jù)式(11)、(12)可知,多機系統(tǒng)等值單機無窮大系統(tǒng)后的功率差額ΔPeq可表示為

由于風電機組的發(fā)電機采用異步電機,因此不存在功角穩(wěn)定問題,將風電機組歸為余下群。通過控制風電機組慣性可改變等值余下機群的慣性mj,由式(15)可知,改變mj可控制功率差額ΔPeq,從而增加減速面積,改善功角穩(wěn)定性。

此外,風電機組的虛擬慣量控制也會改變風電機組的電磁功率,進而改變等值余下機組的電磁功率PEj,減小PEj也可減小等值功率差額ΔPeq。

此外,在故障過程中,DFIG加入虛擬慣量控制后的同步發(fā)電機電磁功率變化幾乎不受影響,因為暫態(tài)過程中電磁功率跌落較為嚴重。但通過控制余下群減小了mj的慣性,而此時PMi大于PEi,使得ΔPeq減小,從而提高了暫態(tài)穩(wěn)定性;在故障清除后,DFIG的虛擬慣量控制下,仍然PMi大于PEi,使得ΔPeq減小,當PMi小于PEi,DFIG控制下增加mj的慣性,仍然使ΔPeq減小,從而提高了暫態(tài)穩(wěn)定性。

3 算例分析

本文采用圖1所示3機9節(jié)點系統(tǒng),系統(tǒng)中各元件參數(shù)參見文獻[15]。

200 MW的DFIG經(jīng)升壓變壓器接入Bus7,設置1 s時在Bus6-Bus9靠近Bus9一側(cè)發(fā)生三相短路,在1.1 s時該線路被切除,故障清除,采用變步長積分,仿真時間5 s,基準功率100 MV·A。

DFIG在未采用虛擬慣量控制和采用虛擬慣量控制后的仿真結(jié)果如圖2—4所示。Syn1為余下機組,Syn2和Syn3為臨界機組。

由圖2可看出,DFIG加入虛擬慣量控制后使得Syn2功角波動減少了,可更快地恢復穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)。由圖3可看出,DFIG加入虛擬慣量控制后,Syn2轉(zhuǎn)速波動減少了,但對Syn1和Syn3影響并不明顯。由圖4可看出,DFIG加入虛擬慣量控制后Syn2的功率波動減少,在1.2 s后可看出Syn1和Syn3的波動情況也得到改善。

圖1 DFIG接入3機9節(jié)點系統(tǒng)Fig.1 3-machine 9-node system connected DFIG

圖2 各臺同步發(fā)電機功角Fig.2 Angle of each generators.

圖3 各臺同步發(fā)電機轉(zhuǎn)速Fig.3 Speed of each synchronous generators

圖4 各臺同步發(fā)電機有功功率Fig.4 Active power of each synchronous generators

此外,在1～1.1 s間,可看到DFIG加入虛擬慣量控制后的同步發(fā)電機電磁功率變化不明顯,但通過控制余下群減小了mj的慣性,而此時PMi大于PEi,使得ΔPeq減小,從而提高了暫態(tài)穩(wěn)定性;在1.1 s以后,DFIG的虛擬慣量控制下,仍然PMi大于PEi,使得ΔPeq減小,當PMi小于PEi,DFIG控制下增加mj的慣性,仍然使得ΔPeq減小,從而提高了暫態(tài)穩(wěn)定性。

由以上分析可知,當DFIG采用虛擬慣量控制后,可改變余下群機組的慣性mj,從而改變等值系統(tǒng)的功率差額ΔPeq,從而減少臨界機組的功角波動,提高暫態(tài)穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

本文基于EEAC分析了風電采用虛擬慣量控制對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響及影響機制,并通過仿真驗證本文結(jié)論。通過本文分析可知,加入虛擬慣量控制可改變余下群機組的慣性,從而改變等值系統(tǒng)的功率差額,從而減少臨界機組的功角波動,提高暫態(tài)穩(wěn)定性。