大規模風電并網對電網失步振蕩的影響分析

李立新,李 旭

(東北電力大學 電氣工程學院,吉林 吉林 132012)

●電力系統及其自動化●

大規模風電并網對電網失步振蕩的影響分析

李立新,李 旭

(東北電力大學 電氣工程學院,吉林 吉林 132012)

針對大規模風電并網對電網失步振蕩的影響問題,筆者以等面積原則為依據,分析了風電接入后系統的穩定機理,并在PSD-BPA仿真平臺中建立風火打捆單機無窮大系統等效模型,從風電接入比例、故障點位置、機組類型方面仿真分析了風電并網對系統失步振蕩的影響,即風電比例越大,故障點距離風電場越遠,風電場采用雙饋機組時系統的暫態穩定性越好,越有利于抑制系統的失步振蕩。

風電并網;失步振蕩;風火打捆;暫態穩定

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

1 不同風電機組并網方式和數學模型

1.1 雙饋異步風力發電機

雙饋異步風力發電機由風力機、齒輪箱、雙饋感應電機以及背靠背四象限變流器等組成,風機的定子側直接接入電網,轉子側通過四象限變流器接入電網,雙饋感應風力發電機結構如圖1所示。

圖1 雙饋感應風力發電機結構

雙饋感應發電機在dq坐標系下的定子、轉子電壓方程為

(1)

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

定子、轉子磁鏈方程為

(2)

式中:Ls、Lr和Lm為定子、轉子自感和互感。

轉子運動方程為

(3)

式中:Np為極對數;TJ為慣性時間常數;Tm、Te分別為機械轉矩和電磁轉矩。

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

1.2 恒速異步風力發電機

恒速異步風機由風力機、齒輪箱、異步發電機以及無功補償裝置等組成,風機直接接入電網,恒速恒頻風力發電機組結構如圖2所示。

圖2 恒速恒頻風力發電機組結構

恒速異步風機沒有勵磁回路,其勵磁只能靠外部電源。轉速給定時,風電機組出口電壓U與感應發電機電磁轉矩Te的關系為

Te=ksU2

(4)

式中:k為常數;s為轉差率。

異步電機的轉子運動方程為

(5)

式中:J為轉動慣量;Tm為機械轉矩;ω為轉子轉速。

由于異步電機轉子旋轉角速度與系統頻率有著強耦合關系,因此不能忽略其與同步電機并網時的機械慣量。恒速異步電機直接接入電網,沒有變換器進行有功和無功的調節,不具有功角的快速恢復特性。

2 風電接入后系統穩定機理分析

在分析暫穩問題時,等面積定則是基礎,則同步發電機的轉子運動方程式為

(6)

(7)

式中:ω為角速度;TJ為慣性時間常數;PT為機械功率;E′、U分別為發電機內電勢和無窮大母線電壓;X∑為U與E′之間的聯系電抗。

本文風火打捆系統在風電容量增加時,相應減小火電機組出力,不關停火電機組,故慣性時間常數TJ不變,由PT和PE決定系統故障后的不平衡能量。

下面以系統發生三相瞬時接地短路故障為例,分析風電接入前后同步電機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,則聯系電抗X∑無窮大,所以故障時同步機的電磁功率PE為0。風電接入前送端系統的面積定則如圖3所示。

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

圖3 風電接入前送端系統面積定則示意圖

圖4 風電接入后送端系統面積定則示意圖

3 算例分析

3.1 算例系統及衡量指標

3.1.1 風火打捆輸電系統

在PSD-BPA仿真軟件中建立風火打捆輸電系統,如圖5所示。

圖5 “風火打捆”單機無窮大系統

在圖5中,有1個容量為90 MW的風電場和1個容量為600 MW的火電廠作為風火打捆系統的送端電源并聯接入母線1。火電機組采用6階同步發電機模型。風力發電機為GE雙饋風電機,機端電壓為0.7 kV,經兩級升壓變后升至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(標幺值)。在線路12上加裝解列裝置。

3.1.2 衡量指標

風電機組有別于常規火電機組,發生故障時,風電并網對電網暫態穩定性的影響以及風電場自身的暫穩特性均需要通過常規火電機組的功角變化體現。當系統發生嚴重故障時會導致功角失穩,使系統發生失步振蕩,觸發解列裝置動作,需要以火電機組功角從波動到失穩的間隔時間以及解列裝置動作時間的快慢來判斷雙饋風電機組對系統失步振蕩影響的嚴重程度:

1) 解列裝置動作時間越慢,越有利于改善系統的失步振蕩特性。

2) 火電機組功角從波動到失穩間隔時間越長,越有利于抑制系統的失步振蕩。

3.2 風電接入比例對系統失步振蕩的影響

風力發電技術迅猛發展,風電裝機容量不斷增加,故障后風電機組的作用可能觸發系統的第三道防線,有必要分析風電接入比例對電網失步振蕩的影響。在圖5系統中仿真如下:

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

從圖6可以看出,風電接入比例增大,線路12間解列裝置動作逐漸變慢。

從圖7可以看出,風電接入比例越大,打捆火電機組功角從波動到失穩的時間間隔越長。由此可以得出:在該系統中,隨著風電比例的增大,系統的暫態功角穩定性有所提升,失步振蕩特性得到改善。與理論分析結果一致。

圖6 解列裝置動作時刻

圖7 不同風電比例下火電機組功角曲線

3.3 故障點位置對系統失步振蕩的影響

在電網互聯的大趨勢下,電網網架結構日益復雜，機網間聯系更加緊密。隨著聯網規模的擴大,風火打捆系統故障點位置的不同會使電網安全穩定特性發生較大變化,所以深入研究風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仿真系統中,分別在母線1(距離風電場較近為近故障點)、2(距離風電場較遠為遠故障點)設置三相短路故障,機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組功角受擾曲線,仿真結果如圖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故障時打捆系統火電機組功角首擺擺開的速度較快。這是因為母線1發生故障時距離風電場較近,風電機組吸收的無功功率將增加,導致該區域內無功不足,嚴重時使火電機組功角失穩,觸發解列裝置動作。可見,故障點距離風電場越近,越不利于改善系統的失步振蕩特性,系統越容易失去穩定。

圖8 解列裝置動作時刻

圖9 火電機組功角曲線(5個風電場接入)

3.4 機組類型對系統失步振蕩的影響

以下分析風電機組類型對風火打捆系統失步振蕩的影響,現仿真如下:

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

圖10 解列裝置動作時刻

圖11 火電機組功角曲線

圖12 并網點電壓變化

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

4 結 論

本文分析了風電接入后系統的穩定機理,并在PSD-BPA中建立風火打捆單機無窮大系統進行仿真驗證,得到如下結論:

1) 風電接入系統后,風電比例越大,系統暫態穩定性越好,越有利于抑制系統的失步振蕩。

2) 故障點距離風電場較近時,不利于系統穩定運行,不利于改善系統的失步振蕩特性。

3) 風電場采用雙饋機組時,暫態穩定性更好,更有利于抑制系統的失步振蕩。

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(責任編輯 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電與并網。

TM614;TM712

A

2095-6843(2016)06-0471-05