馮銘矞 張浩然 張 羿 崔 鵬 張思楠

（國(guó)網(wǎng)北京城區(qū)供電公司）

0 引言

某些農(nóng)民愿意將自己的獨(dú)有土地出租出去，為清潔能源發(fā)電設(shè)備，比如風(fēng)電機(jī)組，的部署提供支持。每年的租金將使他們獲得巨大的經(jīng)濟(jì)利益。在澳大利亞，為了提倡風(fēng)電機(jī)組的使用，每年大約要花費(fèi)1.64 千萬(wàn)澳元用來(lái)支付租賃土地的租金［1］。事實(shí)上，新能源的合理利用可以一定程度上降低澳大利亞甚至是其他國(guó)家的電費(fèi)水平。據(jù)澳大利亞國(guó)家售電零售網(wǎng)站（NEM）網(wǎng)站的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在2011 至2013 年，風(fēng)力發(fā)電的應(yīng)用確實(shí)降低了電費(fèi)水平5%-8%［2］。如果我們想要降低傳統(tǒng)能源的碳排放量，需要應(yīng)用碳元素的捕捉及貯存技術(shù)。在這種情況下，電費(fèi)水平將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單獨(dú)使用新能源供電的方法。

1 電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性

電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的概念被定義了很多種類型，至少多達(dá)50 余種。通常情況下，電力系統(tǒng)的擾動(dòng)原因主要分為事件擾動(dòng)和負(fù)載擾動(dòng)。根據(jù)定義，事件擾動(dòng)指的是變電站或者是輸電系統(tǒng)因?yàn)槲搭A(yù)期的錯(cuò)誤導(dǎo)致的退運(yùn)。這些擾動(dòng)通常會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)中某些部分的重新配置，因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)中有各式各樣的保護(hù)設(shè)備，比如，差動(dòng)繼電器、過(guò)流繼電器，斷路器等。另一方面，負(fù)荷擾動(dòng)則被視為用戶側(cè)發(fā)生擾動(dòng)的結(jié)果，因此，不需要重組電力系統(tǒng)的任何部分。為了承受上述兩種擾動(dòng)，電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、配置，分析必須正確［3］。

通常，電力系統(tǒng)的配置及規(guī)劃的目的是觀察、分析其受到擾動(dòng)后的影響程度，而電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析是關(guān)于評(píng)估系統(tǒng)在發(fā)生擾動(dòng)后維持或者恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)的能力。

2 設(shè)計(jì)

2.1 模型介紹

2.1.1 電網(wǎng)構(gòu)建

為了將此電網(wǎng)模型盡可能的按照真實(shí)數(shù)據(jù)搭建起來(lái)，根據(jù)該區(qū)域（北部、中部、南部）具體的連接圖示及系統(tǒng)參數(shù)，各部分電網(wǎng)被分別配置在DIgSILENT 之上。系統(tǒng)建模成功后，可以在軟件中為各個(gè)電氣元件所必須的參數(shù)進(jìn)行填充，使該模型更加接近真實(shí)的電力系統(tǒng)，為之后的研究作鋪墊。

2.2 風(fēng)電場(chǎng)的構(gòu)建

根據(jù)真實(shí)數(shù)據(jù)，一定數(shù)量的風(fēng)電場(chǎng)需要被添加進(jìn)所構(gòu)建的模型中，為之后的分析做準(zhǔn)備。實(shí)際上，數(shù)據(jù)顯示有六座風(fēng)電場(chǎng)位于南部電網(wǎng)。在此模型中，每個(gè)風(fēng)電場(chǎng)由若干發(fā)電機(jī)組成，與此同時(shí)，各個(gè)發(fā)電機(jī)被設(shè)定輸出同樣的功率。風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的所有發(fā)電機(jī)均選自DIgSILENT 中的通用模型，各個(gè)電場(chǎng)的種類相同，并且，相應(yīng)的母線種類被設(shè)定成PQ 節(jié)點(diǎn)，因?yàn)槠錈o(wú)功功率可以被控制［4］。此外，各個(gè)風(fēng)電機(jī)組被直接連接在一個(gè)公共耦合點(diǎn)，其電壓水平為19kV。然后，將此連接點(diǎn)與一個(gè)具有同樣電壓水平的單母線相連。最后，此母線的另一側(cè)，通過(guò)一段特殊輸電線與一個(gè)PV節(jié)點(diǎn)相連或者通過(guò)變壓器與一個(gè)電壓為330kV 的輸電母線相連。在此模型中，所有與風(fēng)電場(chǎng)有關(guān)的輸電線及變壓器被設(shè)定具有相同的種類。此類型選自軟件中自帶的全局類型選項(xiàng)，其中，線路長(zhǎng)度默認(rèn)為20km，變壓器的電壓等級(jí)為330kV，容量為225MVA。同時(shí)，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)站內(nèi)控制器的cosphi （P）特性中的過(guò)勵(lì)磁及欠勵(lì)磁功率因數(shù)進(jìn)行配置。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)輸出的有功功率低于過(guò)勵(lì)磁設(shè)定的值時(shí)，其功率因數(shù)將被鎖定在1；當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)輸出的有功功率高于欠勵(lì)磁設(shè)定的值時(shí)，其功率因數(shù)將被鎖定在0.93。

至此，進(jìn)行暫態(tài)分析所需的模型搭建完成。

3 系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析

在世界范圍內(nèi)，電力系統(tǒng)中風(fēng)能的普及率與日俱增，那么，系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性分析就變得尤為重要。暫態(tài)穩(wěn)定性分析在電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析中占有重要地位，因此本文重點(diǎn)關(guān)注。那么，在暫態(tài)穩(wěn)定性分析中，通常需要關(guān)注臨界切除時(shí)間，因?yàn)槠浔灰暈楸夭豢缮俚臏y(cè)量參數(shù)［7］。根據(jù)定義，臨界切除時(shí)間是系統(tǒng)在發(fā)生故障后，在確保不會(huì)發(fā)生功角不穩(wěn)定的情況下，切除故障所需的最大時(shí)間［7］。臨界切除時(shí)間在電力系統(tǒng)繼電保護(hù)設(shè)計(jì)中是必不可少的。事實(shí)上，在DIgSILENT PowerFactory 中，具有判斷電機(jī)是否失去同步率的功能。在軟件的用戶手冊(cè)中，參考失步檢測(cè)或者‘pole-slip’來(lái)調(diào)用此功能［7］。因此，本文用此方法來(lái)評(píng)估不同情形下臨界切除時(shí)間的值。對(duì)于開(kāi)展暫態(tài)穩(wěn)定性分析，發(fā)生在輸電線上的短路故障被視為最普遍的大擾動(dòng)［7］。本文將在不同情形下觀察分析當(dāng)三相短路發(fā)生在輸電線上時(shí)的影響。

3.1 短路點(diǎn)的選擇

為了確保臨界切除時(shí)間的準(zhǔn)確性，同時(shí)考慮到對(duì)同步發(fā)電機(jī)暫態(tài)穩(wěn)定性的最大影響，理論上，三相短路故障應(yīng)該發(fā)生在距離發(fā)電廠最近的與發(fā)電機(jī)組相連的母線附近。在這種情況下得到的臨界切除時(shí)間一定短于發(fā)生在電力系統(tǒng)更遠(yuǎn)區(qū)域的其他短路故障對(duì)同步電動(dòng)機(jī)暫態(tài)穩(wěn)定性分析所得到的臨界切除時(shí)間［5］。具體來(lái)說(shuō)，如果斷路器的動(dòng)作時(shí)間比電力系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)的最小臨界切除時(shí)間短，那么系統(tǒng)任何部分發(fā)生的短路故障都不會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)的暫態(tài)穩(wěn)定性產(chǎn)生消極影響。因此，基于上述理論，三相短路故障被施加在輸電線2201-2202 上，為不同情境下評(píng)估臨界切除時(shí)間做準(zhǔn)備

3.2 仿真系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性分析

根據(jù)某地區(qū)的新能源發(fā)電廠在2017/4/18 日18：20：07 的數(shù)據(jù)，大部分電廠的地理位置及能源種類可以被確定。本文主要分析風(fēng)電場(chǎng)的影響，所以重點(diǎn)關(guān)注該區(qū)域內(nèi)的六座風(fēng)電廠。基于各個(gè)電廠的地理位置，可以確定，六座電廠均位于南部電網(wǎng)。因此，從南部電網(wǎng)開(kāi)始進(jìn)行暫態(tài)穩(wěn)定性分析。沒(méi)有將風(fēng)電場(chǎng)并入的原始模型作為基礎(chǔ)案例，通過(guò)DlgSlLENT 中自帶的‘Pole-slip’功能得到其臨界切除時(shí)間。隨后，對(duì)基礎(chǔ)案例進(jìn)行修改，使得不同情境下對(duì)臨界切除時(shí)間的影響可以被觀測(cè)、對(duì)比。本文主要進(jìn)行三種案例的分析，其結(jié)果將被一一列舉在下文。

3.3 基礎(chǔ)案例

基于該區(qū)域電網(wǎng)數(shù)據(jù)搭建的模型被視為原始案例，意味著系統(tǒng)內(nèi)所有的同步電機(jī)承擔(dān)著電源供給任務(wù)。在DlgSlLENT 中運(yùn)行電力潮流功能，輸電線2201-2202 是距離發(fā)電廠母線最近的輸電線，與此同時(shí)，與南部電網(wǎng)中其他的數(shù)電線相比，其有功功率的流動(dòng)是最高的。因此，此線路被設(shè)為暫態(tài)穩(wěn)定性分析的測(cè)試點(diǎn)。接著，為了完成軟件內(nèi)RMS 仿真所需的設(shè)定，三相短路以及開(kāi)關(guān)分合動(dòng)作需要被布置。具體來(lái)說(shuō)，因?yàn)榇蟛糠值难芯渴顷P(guān)于控制策略及電能質(zhì)量的研究，所以基于電機(jī)暫態(tài)模型的RMS 仿真是非常適合長(zhǎng)時(shí)間的無(wú)瞬態(tài)模擬的［6］。隨后，通過(guò)DlgSlLENT 自帶的‘Pole-Slip’功能，此系統(tǒng)的臨界切除時(shí)間為685.9ms。

3.4 第一案例

增加南部電網(wǎng)發(fā)電機(jī)功率的輸出，與此同時(shí)降低中部電網(wǎng)相應(yīng)的輸出。那么，增加減少的電能量是根據(jù)該區(qū)域內(nèi)六座風(fēng)電場(chǎng)的輸出決定的，其值為110MW。這意味著，在此案例中，各個(gè)部分電網(wǎng)的功率變化只發(fā)生在原始的同步電機(jī)上，與新能源發(fā)電機(jī)無(wú)關(guān)。此案例下的臨界切除時(shí)間減小至516.5ms。施加一個(gè)700ms 的三相故障，其結(jié)果請(qǐng)參考圖1。顯然，三部分電網(wǎng)內(nèi)的電機(jī)轉(zhuǎn)速均有所提升，尤其是位于南部電網(wǎng)的電機(jī)，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速隨著時(shí)間有顯著的提升。這是因?yàn)樵诎l(fā)電機(jī)的功率曲線圖中，他們的加速面積大于其減速面積。與基礎(chǔ)案例相比，臨界切除時(shí)間有所減少，這意味著系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性有所下降。

圖1 發(fā)電機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)速（故障持續(xù)時(shí)間700ms）

3.5 第二案例

在這一案例中，為了分析風(fēng)電場(chǎng)并入后對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響，單一的減小南部電網(wǎng)內(nèi)一些同步電機(jī)的輸出功率，同時(shí)使預(yù)先搭建好的風(fēng)電場(chǎng)投入使用。風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率均需以該區(qū)域的新能源發(fā)電廠的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，其值與同步電機(jī)減小的輸出值相匹配。值得注意，此時(shí)風(fēng)電場(chǎng)是通過(guò)容量為255MVA的變壓器與具有輸電電壓的母線相連的。

在這種情形下，臨界切除時(shí)間增加至621ms，這意味著系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性同以上案例相比有所提升。因此，如果這些風(fēng)電場(chǎng)被部署在該區(qū)域，對(duì)該區(qū)域電網(wǎng)的穩(wěn)定性有積極作用。為了分析將風(fēng)電場(chǎng)部署在南部電網(wǎng)而不是傳統(tǒng)電機(jī)的影響，將時(shí)長(zhǎng)為550ms的短路故障施加在輸電線2201-2202 之上。與此同時(shí)，觀察母線2201 以及2202 在發(fā)生故障時(shí)的壓降，案例二的壓降略大于案例一。這是因?yàn)樵陔p饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行的情況下，故障發(fā)生時(shí)所支持的無(wú)功電流將被限制在近乎額定電流大?。?］。然而，傳統(tǒng)同步電機(jī)具有強(qiáng)大的熱過(guò)載承受能力，并且其所支持的無(wú)功電流是系統(tǒng)額定電流的三至四倍［7］。系統(tǒng)壓降增大，意味著系統(tǒng)將要消耗更多的時(shí)間來(lái)恢復(fù)電壓崩潰，這可能會(huì)使保護(hù)設(shè)備誤動(dòng)作或者損害電氣設(shè)備。事實(shí)上，上述電壓恢復(fù)能力的減弱也是風(fēng)電場(chǎng)中功率因數(shù)控制的結(jié)果。

3.6 第三案例

為了更明確地分析風(fēng)電場(chǎng)的涌入對(duì)系統(tǒng)的影響，六座風(fēng)電場(chǎng)被直接連接在19kV 母線側(cè)。由于輸電系統(tǒng)內(nèi)存在無(wú)功損耗，那么風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功功率的貢獻(xiàn)相對(duì)來(lái)說(shuō)是非常少的，這意味著傳統(tǒng)的同步電機(jī)將在更低的功率因數(shù)下運(yùn)行。然而，上述情況可以通過(guò)無(wú)功補(bǔ)償措施來(lái)彌補(bǔ)，比如，電容器組和靜態(tài)補(bǔ)償器等。在現(xiàn)實(shí)情況下，如果風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)后產(chǎn)生巨大的功率補(bǔ)給，傳統(tǒng)的同步電機(jī)很可能會(huì)在更低的功率因數(shù)下運(yùn)行。

在這種案例下，臨界切除時(shí)間降低至583ms，這與第一案例很接近。同樣地，減少的臨界切除時(shí)間意味著該系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性減弱了，與上一案例相比，更加容易受到故障的影響

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了風(fēng)電場(chǎng)的滲入對(duì)真實(shí)電網(wǎng)靜態(tài)穩(wěn)定性的影響。為了實(shí)現(xiàn)該目的，在DlgSlLENT Powerfac‐tory 中，根據(jù)某區(qū)域真實(shí)的電網(wǎng)數(shù)據(jù)搭建模型并進(jìn)行分析?；旧?，對(duì)于系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性研究，本文進(jìn)行了三種案例分析，它們是：

① 改變系統(tǒng)內(nèi)同步電機(jī)的位置。

② 風(fēng)電場(chǎng)并入輸電電壓水平。

③ 風(fēng)電場(chǎng)并入19kV電壓水平。

根據(jù)上述仿真結(jié)果，改變發(fā)電廠的位置為系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性帶來(lái)不利影響。然而，如果用風(fēng)電場(chǎng)替換傳統(tǒng)發(fā)電廠，并將其并入系統(tǒng)內(nèi)輸電電壓水平的母線上，電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性將有所提升。另一方面，將風(fēng)電場(chǎng)與19kV 母線連接后，由于風(fēng)電機(jī)組較低水平的無(wú)功貢獻(xiàn)，系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性將下降。實(shí)際上，有不同種類的發(fā)電機(jī)可以被定義為風(fēng)力發(fā)電機(jī)，比如，雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)、異步電機(jī)，靜電發(fā)生器等。在此研究中，風(fēng)電機(jī)組均由靜電發(fā)生器指代，這意味著本文對(duì)暫態(tài)穩(wěn)定性的研究?jī)H限于該發(fā)電技術(shù)之下。此外，在第二第三案例之中，風(fēng)電場(chǎng)被連接在不同電壓等級(jí)的母線上，因此，對(duì)于其他形式的連接，需要進(jìn)行單獨(dú)的分析。