大規模風電接入對電力系統動態特性影響的研究

孫元存,　劉三明,　王致杰,　曹天行,　劉　劍

(上海電機學院 電氣學院,上海　201306)

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大規模風電接入對電力系統動態特性影響的研究

孫元存,劉三明,王致杰,曹天行,劉劍

(上海電機學院 電氣學院,上海201306)

摘要：本文針對風電場并網對電力系統小干擾穩定性問題進行了研究。建立了風電場的模型,利用小干擾穩定理論,將系統線性化,根據狀態矩陣的特征值,定性的分析了兩區域互聯系統并網前后阻尼特性的變化情況。搭建了兩區域四機系統,將風電場并入,仿真結果表明:風電場并網后系統的動態特性變差并且風電場接在不同區域系統表現出的穩定性不同。

關鍵詞：風電場; 動態特性; 電力系統; 小干擾穩定

1引言

風電具有隨機性、波動性,隨著風電場的裝機規模越來越大,使得電網阻尼特性及電力系統小干擾穩定性問題更加突出。因此對大規模風電場接入對電力系統的阻尼特性和小干擾穩定問題的研究十分必要。文[1-4]搭建了經典的四機兩區域系統,得到當風電場并入電網時,對所接相關區域的區域間振蕩頻率影響較大的結論。

2小干擾穩定分析下風電場接入簡單互聯系統前后的阻尼特性

2.1小干擾穩定下簡單互聯系統

選取兩機互聯系統,功率由區域1送到區域2,選取兩階發電機模型,轉子運動方程組為

(1)

式中Δω1、Δω2,,J1、J2,D1、D2,ΔPM1、ΔPM2,ΔPE1、ΔPE2分別為兩臺發電機的轉速增量、功角增量、慣性時間常數、阻尼系數、機械功率的增量和電磁功率的增量。現假設機械功率在短時間內不變(ΔPM1=ΔPM2=0),轉化為矩陣形式。

(2)

(2) 式中矩陣A對應的特征值為

在正常情況下,K11,K22,J1,J2都為正值,D為系統的阻尼,λ為系統的特征根。如果D>0,λ為負實部的共軛根,系統受到小擾動后,Δδ,Δω作衰減振蕩,系統穩定;如果D<0,λ為正實部的共軛根,系統受到小擾動后,Δδ,Δω振蕩發散,系統不穩定。

2.2 小干擾穩定下含風電機組的簡單互聯系統阻尼特性

將風電場接在區域1,不考慮負系統中的損耗和負荷變化,則

(3)

式中:ΔPS為風電場動態有功功率

接入風機后簡單互聯系統中同步發電機電磁功率的增量可以表示為

(4)

式中：US為風電場接入點的電壓,δS為風電場接入點的相角,X1是接入點到發電機1的電抗,X2是接入點到發電機2的電抗。將風電場動態有功功率表示為

(5)

所以當風電場接入送電側時,互聯系統的狀態空間方程為

(6)

當風電場接入受電側時,互聯系統的狀態空間方程為:

(7)

3仿真與分析

3.1風電場建模

以某風電場實測的風速、功率作為分類指標,將該風電場33臺機組等效為4臺機組,風機單機容量是1.5MW,等值為A、B、C、D 4臺機組,容量分別為9、18、18、4.5MW。在Matlab/Simulink中仿真[6],變量為發電機電磁功率Pe,功角δ,線路有功、無功P、Q[7]。

圖1　四機兩區域系統Fig.1　Two-area four-machine system

3.2風電場并網前后系統動態特性的比較

將等值的四臺風機接入到區域1,每臺風機風速為9、10、11、12 m/s。

圖2(a)是機組1在風電場并網前后電磁功率的比較,圖2(b)是圖2(a)的局部放大圖。

圖3(a)是機組1在風電場并網前后功角的比較,圖3(b)是圖3(a)的局部放大圖。

圖4(a)是無故障傳輸線路在風電場并網前后有功、無功的比較,圖4(b)是圖4(a)的局部放大圖。

圖2　風電場并網前后機組1電磁功率Fig.2　Electromagnetic power of unit 1 after wind power plants grid-connected

通過選取發電機組G1的電磁功率、功角,以及傳輸線上的有功、無功功率為電氣變量,看出風電場并網后系統的振蕩頻率變快且振蕩幅度變大。說明風電場并網后系統的動態特性變差,小干擾穩定性變差。

3.3風電場接不同區域系統動態特性的比較

將風電場等值成四臺機組,分別接入區域1和區域2每臺機組的風速為9、10、11、12 m/s。

圖5(a)是機組2在風電場并網點不同時電磁功率的比較,圖5(b)是圖5(a)的局部放大圖。

圖6(a)是機組4在風電場并網點不同時電磁功率的比較,圖6(b)是圖6(a)的局部放大圖。

圖7(a)是故障傳輸線路在風電場并網點不同時有功和無功功率的比較,圖7(b)是圖7(a)的局部放大圖。

圖3　風電場并網前后機組1功角Fig.3　Power angle of unit 1 after wind power plants grid-connected

圖4　風電場并網前后無故障線路傳輸功率Fig.4　Trouble-free power transmission line after wind power plants grid-connected

通過選取發電機組G1、G4的電磁功率以及故障線路傳輸線上的有功、無功功率為電氣變量,得到風電場并入送電側時的振蕩頻率比較快且振蕩幅度大,動態特性較差,風電場并入受電側時的振蕩頻率比較慢且振蕩幅度小,動態特性較好。由此得到風電場并入電力系統末端時,對系統的動態特性影響更小。

圖5　風電場并網點不同時機組2電磁功率Fig.5　Electromagnetic power of unit 2 in different wind power plants grid-connected point

圖6　風電場并網點不同時機組4電磁功率Fig.6　Electromagnetic power of unit 4 in different wind power plants grid-connected point

圖7　風電場并網點不同時故障線路傳輸功率Fig.7　Trouble-free power transmission line in different wind power plants grid-connected point

4結論

本文用特征值分析法和時域仿真法來分析了大規模風電場接入對電力系統動態特性的影響。采用小干擾穩定的理論方法,在簡單互聯系統中對比分析了風電場接入前后系統的阻尼特性。建立四機兩區域系統模型,仿真分析得出:

(1) 風電場并網后系統的動態特性變差。

(2) 風電場接入不同區域時系統的穩定性不同,接送電側穩定性較差,接受電側則較好。

參考文獻:

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[6]PRABHA KUNDUR,電力系統穩定與控制[M].中國電力出版社,2001.

PRABHA KUNDUR,Power system stability and control[M].China Electric Power Press,2001.

[7]Mohd.Hasan Ali.Wind energy systems:solutions for power quality and stabilization[M].China Machine Press,2013.

孫元存男(1993-),江蘇興化人,碩士研究生,主要研究方向為風電。

劉三明女(1962-),山西人,教授,博士,主要研究方向為多目標規劃、最優控制、電力系統規劃與優化運行、風電場建模仿真及風電機組故障診斷技術。

中圖分類號：TM 74

文獻標識碼：A

基金項目：上海市自然科學基金項目(15ZR1417300,15ZR1417200);上海市教委創新基金項目(15ZZ106,14YZ157))上海市閔行區科技項目(2014MH166);國家自然科學基金(11304200)

Study of the Impact of Large-scale Wind Power Access to Dynamic Characteristics of Power System

SUN Yuancun,LIU Sanming,WANG Zhijie,CAO Tianxing,LIU Jian

(College of Electrical Engineering,Shanghai Dianji University,Shanghai 201306,China)

Abstract：Small signal stability problem of wind power plants grid-connected is studied in this paper.The system is linearized by establishing the model of wind power plants and using small signal stability theory.In addition,using the characteristic root of state matrix to analyze the two area interconnected systems qualitatively and obtain the damping characteristic is necessary.Then,the study builds and simulates the classic two-area four-machine systems.The results demonstrate that the dynamic characteristics will be worse after wind power plants connect to grid,besides the stability of different area system of wind farm is different.

Key words：wind power plants; dynamic characteristics; power grid; small signal stability