含雙饋風(fēng)電場(chǎng)的電力系統(tǒng)停電風(fēng)險(xiǎn)研究

張雪敏， 鐘雨芯， 梅生偉， 夏德明， 王 帥， 史 銳

(1. 電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 清華大學(xué)電機(jī)系， 北京 100084；2. 國(guó)家電網(wǎng)公司東北分部， 遼寧 沈陽 110180； 3. 國(guó)網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院， 北京 102209)

含雙饋風(fēng)電場(chǎng)的電力系統(tǒng)停電風(fēng)險(xiǎn)研究

張雪敏1， 鐘雨芯1， 梅生偉1， 夏德明2， 王 帥3， 史 銳3

(1. 電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 清華大學(xué)電機(jī)系， 北京 100084；2. 國(guó)家電網(wǎng)公司東北分部， 遼寧 沈陽 110180； 3. 國(guó)網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院， 北京 102209)

隨著風(fēng)電滲透率的提高，風(fēng)電場(chǎng)的特性對(duì)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來了顯著的影響。研究如何在提高環(huán)保效益的同時(shí)降低連鎖故障的風(fēng)險(xiǎn)變得非常迫切。本文提出了一種含風(fēng)電場(chǎng)的連鎖故障模型，該模型計(jì)及了風(fēng)電場(chǎng)結(jié)構(gòu)、風(fēng)電出力隨機(jī)性、風(fēng)電機(jī)組虛擬慣量控制和短路故障后的風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)響應(yīng)等風(fēng)電特性，并設(shè)置了頻率穩(wěn)定控制、線路過流保護(hù)、低壓減載，可從有功-頻率與無功-電壓兩方面分析風(fēng)電接入后對(duì)停電風(fēng)險(xiǎn)的影響。該研究將為風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)的規(guī)劃和運(yùn)行提供量化停電風(fēng)險(xiǎn)、預(yù)防控制效果的基礎(chǔ)分析工具。仿真分析了風(fēng)電場(chǎng)接入IEEE30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的停電風(fēng)險(xiǎn)并討論了風(fēng)機(jī)虛擬慣量控制、無功補(bǔ)償和線路建設(shè)對(duì)于降低停電風(fēng)險(xiǎn)的效用。

風(fēng)電場(chǎng); 連鎖脫網(wǎng)； 虛擬慣量； 停電風(fēng)險(xiǎn)

1 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展以及新能源消納需求的增長(zhǎng)，電網(wǎng)的大規(guī)?；ヂ?lián)已經(jīng)成為了世界范圍內(nèi)電力系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)[1]。然而電網(wǎng)互聯(lián)使得自身的復(fù)雜性顯著增加，微小擾動(dòng)也可能引發(fā)一系列的連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致電網(wǎng)大面積崩潰，最終造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，如2003年的美加大停電[2]、2011年我國(guó)發(fā)生多次的風(fēng)機(jī)連鎖脫網(wǎng)事故等[3]。因此進(jìn)行風(fēng)電接入系統(tǒng)的停電風(fēng)險(xiǎn)研究意義重大。

風(fēng)電與傳統(tǒng)電源相比具有新的運(yùn)行特性，也改變了連鎖故障的機(jī)理。目前，國(guó)內(nèi)外含風(fēng)電場(chǎng)的電力系統(tǒng)連鎖故障方面的研究成果還較少。文獻(xiàn)[4]考慮了風(fēng)電隨機(jī)性、同步機(jī)停運(yùn)概率和負(fù)荷波動(dòng)，以總發(fā)電量是否滿足總負(fù)荷需求來計(jì)算停電風(fēng)險(xiǎn)。文獻(xiàn)[5]在電力供應(yīng)是否充足的基礎(chǔ)上，考慮了節(jié)點(diǎn)電壓、線路潮流是否滿足約束限制，否則切除部分負(fù)荷并將其計(jì)入停電量中。文獻(xiàn)[6]采用隱故障模型進(jìn)行了風(fēng)電場(chǎng)接入后電網(wǎng)的連鎖故障停電風(fēng)險(xiǎn)的研究，并模擬了線路連鎖過載斷開的典型連鎖故障模式，但模型中只考慮了風(fēng)電有功出力的變化。文獻(xiàn)[7]分析了風(fēng)場(chǎng)基于電壓安全與頻率安全的連鎖故障模式，但該連鎖主要針對(duì)風(fēng)場(chǎng)內(nèi)部故障而言，沒有涉及風(fēng)場(chǎng)連鎖故障對(duì)系統(tǒng)側(cè)停電的影響。

考慮到風(fēng)電特性建模要求，本文采用連鎖故障模型分析雙饋型風(fēng)力發(fā)電的風(fēng)電場(chǎng)接入后系統(tǒng)的停電風(fēng)險(xiǎn)，并在模型中對(duì)風(fēng)電場(chǎng)結(jié)構(gòu)、風(fēng)電隨機(jī)性、風(fēng)電機(jī)組控制方式、風(fēng)電機(jī)組虛擬慣量和短路故障后的風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)響應(yīng)等進(jìn)行較為全面的建模。除此之外，模型采用交流潮流計(jì)算，設(shè)置了頻率穩(wěn)定控制、線路過流保護(hù)機(jī)制、低壓減載模型，這使得模型能夠從有功-頻率與無功-電壓兩方面研究風(fēng)電接入后對(duì)停電風(fēng)險(xiǎn)的影響。利用該模型，可對(duì)接入風(fēng)電后的系統(tǒng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行模擬，以指導(dǎo)日前系統(tǒng)運(yùn)行方式安排，也可為系統(tǒng)優(yōu)化升級(jí)提供建議。

2 連鎖故障中的雙饋風(fēng)電場(chǎng)仿真模型

風(fēng)電出力受自然條件影響，具有隨機(jī)性、波動(dòng)性，且機(jī)組對(duì)系統(tǒng)幾乎無慣量貢獻(xiàn)，給系統(tǒng)的調(diào)峰[8]、調(diào)頻[9]帶來了挑戰(zhàn)，因此風(fēng)電機(jī)組的虛擬慣量技術(shù)受到了關(guān)注。風(fēng)電場(chǎng)自身結(jié)構(gòu)、送出網(wǎng)架結(jié)構(gòu)均與傳統(tǒng)能源電廠有較大區(qū)別；與傳統(tǒng)同步機(jī)不同，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的無功極限與其機(jī)端電壓、有功出力和轉(zhuǎn)差率有關(guān)；這兩點(diǎn)可能對(duì)系統(tǒng)的電壓產(chǎn)生負(fù)面作用甚至造成電壓穩(wěn)定問題。在短路故障發(fā)生后，有大量風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)的可能。風(fēng)電機(jī)組對(duì)機(jī)端電壓較為敏感，在故障發(fā)生后的低壓狀態(tài)下需要脫網(wǎng)以保護(hù)自身。我國(guó)發(fā)生的多起較為嚴(yán)重的風(fēng)機(jī)大規(guī)模脫網(wǎng)事件，究其原因，均是一開始短路故障引發(fā)低電壓引起風(fēng)機(jī)低壓保護(hù)動(dòng)作，經(jīng)后續(xù)發(fā)展而造成風(fēng)機(jī)連鎖脫網(wǎng)，最終使得系統(tǒng)失去大量電源[10，11]。為此，國(guó)家出臺(tái)的低壓穿越標(biāo)準(zhǔn)要求風(fēng)機(jī)具有一定的低壓穿越能力。然而由于低壓穿越技術(shù)不完全成熟、設(shè)備制造水平有限等多方面因素影響，目前投入運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組依然有可能出現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)的情形。為體現(xiàn)上述風(fēng)電特點(diǎn)，有必要建立連鎖故障中的風(fēng)電仿真模型。

2.1 風(fēng)電場(chǎng)模型

受風(fēng)資源限制，我國(guó)風(fēng)電基本采取集中開發(fā)和遠(yuǎn)距離送出的方式。風(fēng)電集中接入電網(wǎng)，而風(fēng)場(chǎng)處無其他電源和負(fù)荷，通常會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)架薄弱與電壓控制困難[12]。在風(fēng)電場(chǎng)模型中，本文考慮風(fēng)電場(chǎng)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，以便突出這種特征。再者，電網(wǎng)與風(fēng)電場(chǎng)發(fā)生交互作用時(shí)，電網(wǎng)主要通過機(jī)端電壓影響各風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，從而影響風(fēng)機(jī)的無功調(diào)節(jié)能力與保護(hù)動(dòng)作情況。風(fēng)場(chǎng)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)能夠反映各種狀態(tài)下風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓的差異性從而表現(xiàn)出風(fēng)機(jī)響應(yīng)的差異性。此外，風(fēng)場(chǎng)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)還能計(jì)及各電纜、箱式變壓器的無功需求，從而較為真實(shí)地體現(xiàn)風(fēng)場(chǎng)的無功-電壓水平。

2.2 風(fēng)速與風(fēng)機(jī)出力模型

到達(dá)風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)速稱為自然風(fēng)速，它是影響風(fēng)電機(jī)組出力的主要因素。受到地形、尾流效應(yīng)等因素影響，同一自然風(fēng)速下的各風(fēng)機(jī)處風(fēng)速也有所不同。為體現(xiàn)各風(fēng)電機(jī)組在自然風(fēng)速下的不同表現(xiàn)，需要分別得到各風(fēng)機(jī)處的風(fēng)速并計(jì)算風(fēng)電機(jī)組出力。

本文利用歷史數(shù)據(jù)擬合獲得不同自然風(fēng)速下各風(fēng)機(jī)處的風(fēng)速分布。風(fēng)電機(jī)組有功出力與風(fēng)速之間的關(guān)系曲線稱為風(fēng)電機(jī)組的輸出功率特性，可用分段函數(shù)式(1)表示：

(1)

式中，P為風(fēng)電機(jī)組在t時(shí)刻的有功出力；Pr為該風(fēng)電機(jī)組的額定功率；Vt為t時(shí)刻機(jī)端風(fēng)速；Vci為風(fēng)電機(jī)組的啟動(dòng)風(fēng)速；Vr為風(fēng)電機(jī)組的額定風(fēng)速；Vco為風(fēng)電機(jī)組的切除風(fēng)速；參數(shù)A、B、C的計(jì)算方法見文獻(xiàn)[13]。

2.3 風(fēng)電機(jī)組控制模型

目前，主流的風(fēng)電機(jī)組控制方式包含定功率因數(shù)控制和定電壓控制兩種。其中，定功率因數(shù)控制使用得更為廣泛。模型中設(shè)置這兩種控制方式，可以在需要時(shí)進(jìn)行切換。

2.4 雙饋風(fēng)電機(jī)組的無功出力范圍

在潮流計(jì)算中，一般將采用恒功率控制模式的風(fēng)電機(jī)組處理為PQ節(jié)點(diǎn)，將采用恒電壓控制模式的風(fēng)電機(jī)組處理為有無功約束的PV節(jié)點(diǎn)。對(duì)于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組而言，其無功上下限隨著機(jī)端電壓、當(dāng)前有功功率和轉(zhuǎn)差率的變化而變化，因此節(jié)點(diǎn)的無功約束需要據(jù)此設(shè)定。

這里僅考慮風(fēng)電機(jī)組定子和轉(zhuǎn)子的電流限制。據(jù)文獻(xiàn)[14]可以得到雙饋風(fēng)電機(jī)組的無功出力極限與其機(jī)端電壓、有功出力和轉(zhuǎn)差率之間的函數(shù)關(guān)系：

(2)

(3)

式中，Qsmax為風(fēng)電機(jī)組無功出力上限；Qsmin為風(fēng)電機(jī)組無功出力下限；Us為風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓；s為轉(zhuǎn)差率；Ls為定子電感；Lm為定子與轉(zhuǎn)子之間的互感；P為有功功率；Ismax為定子側(cè)最大電流；Irmax為轉(zhuǎn)子側(cè)最大電流。

2.5 風(fēng)機(jī)虛擬慣量模型

當(dāng)風(fēng)電機(jī)組通過電力電子換流器采取功率控制而不響應(yīng)電網(wǎng)頻率的變化時(shí)，表現(xiàn)為對(duì)系統(tǒng)慣量的“零貢獻(xiàn)”[15]。這一特性令高風(fēng)電滲透率系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定經(jīng)受更多考驗(yàn)。為了緩解上述問題，可以調(diào)節(jié)風(fēng)電機(jī)組來響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化，虛擬出比其自身的慣量更大的慣量。文獻(xiàn)[16]介紹了通過根據(jù)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)風(fēng)電機(jī)組功率曲線的方法來向電網(wǎng)提供動(dòng)態(tài)功率支撐，利用該方法，系統(tǒng)可增加k倍于風(fēng)電機(jī)組本身慣量的慣量，即有：

(4)

式中，λ為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系數(shù)；ωr0為轉(zhuǎn)子初始角速度；ωe為同步角速度；JDFIG為風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

2.6 雙饋風(fēng)電機(jī)組在電壓跌落故障下響應(yīng)模型

在連鎖故障研究中主要考察風(fēng)電機(jī)組是否會(huì)發(fā)生脫網(wǎng)。為此，首先估算短路故障發(fā)生后風(fēng)電機(jī)組的機(jī)端電壓，然后建立風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓與其脫網(wǎng)概率之間的關(guān)系。

2.6.1 短路故障下雙饋風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓的估計(jì)方法

當(dāng)網(wǎng)側(cè)換流器采用定子磁鏈定向控制方式時(shí)，可以在標(biāo)幺值形式下得到[17]：

(5)

(6)

式中，Ps為定子有功功率；Qs為定子無功功率；Us為定子電壓；Is為定子電流；Ird為轉(zhuǎn)子電流d軸分量；Irq為轉(zhuǎn)子電流q軸分量。

風(fēng)電機(jī)組的功率輸出由控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)，有功功率和無功功率主要受轉(zhuǎn)子電流d軸與q軸分量的影響。

當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生故障引起電壓跌落時(shí)，風(fēng)電機(jī)組將經(jīng)歷一系列復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程，導(dǎo)致控制參考值的突變，該過程由風(fēng)電機(jī)組的控制系統(tǒng)及其接入的系統(tǒng)共同決定。

為了簡(jiǎn)化分析，假設(shè)風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子換流器容量足夠大。一方面，該假設(shè)保證了故障發(fā)生之后風(fēng)電機(jī)組的crowbar不會(huì)立即投入，風(fēng)電機(jī)組仍受到控制器控制；另一方面，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制系統(tǒng)能夠根據(jù)轉(zhuǎn)子電流的變化實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)變流器的輸出電壓，從而控制轉(zhuǎn)子電流。當(dāng)變流器電流控制器帶寬遠(yuǎn)大于磁鏈動(dòng)態(tài)時(shí)，變流器響應(yīng)速度足夠快，轉(zhuǎn)子電流可近似為其參考值[18]。

在以上假設(shè)條件下，如果進(jìn)一步認(rèn)為短路故障能夠在較短時(shí)間內(nèi)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，風(fēng)電機(jī)組的功率也將在控制系統(tǒng)的作用下基本維持在參考值。則此過程中，可將風(fēng)電機(jī)組看作恒功率源。將風(fēng)機(jī)等效為恒功率源，設(shè)為PQ節(jié)點(diǎn)，加入短路拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行迭代計(jì)算，即可得到風(fēng)電機(jī)組機(jī)端短路電壓。

值得說明的是，在實(shí)際系統(tǒng)中，短路故障很可能引起風(fēng)電機(jī)組的crowbar保護(hù)動(dòng)作從而使得風(fēng)電機(jī)組進(jìn)入異步運(yùn)行狀態(tài)，而進(jìn)入異步運(yùn)行狀態(tài)的風(fēng)電機(jī)組會(huì)從系統(tǒng)吸收一定無功導(dǎo)致電壓進(jìn)一步下降。但在本文的連鎖故障研究中，并不計(jì)算這個(gè)過程的詳細(xì)情況以及機(jī)端電壓的精確變化量，而是通過上述短路電壓對(duì)故障的嚴(yán)重程度進(jìn)行估計(jì)。另外，電壓進(jìn)一步下降導(dǎo)致低壓穿越失敗的可能性將計(jì)入風(fēng)電機(jī)組的脫網(wǎng)概率。

2.6.2 風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)概率與機(jī)端電壓

我國(guó)制定的風(fēng)電機(jī)組低壓穿越標(biāo)準(zhǔn)如圖1所示[19]。可見，當(dāng)機(jī)端電壓低于0.2pu時(shí)，允許風(fēng)電機(jī)組立刻脫網(wǎng)，當(dāng)機(jī)端電壓在0.2～0.9pu范圍內(nèi)時(shí)，允許風(fēng)電機(jī)組在一定時(shí)間后脫網(wǎng)。因此，機(jī)端電壓低于0.9pu的風(fēng)電機(jī)組均有概率脫網(wǎng)。本文設(shè)脫網(wǎng)概率隨著機(jī)端電壓的降低而升高，并用線性來近似機(jī)端短路電壓與脫網(wǎng)概率之間的關(guān)系，即

(7)

式中，Poff-gird為風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)概率；Uwt為風(fēng)電機(jī)組機(jī)端短路電壓。

圖1 我國(guó)風(fēng)電低壓穿越標(biāo)準(zhǔn)Fig.1 LVRT standard of China

3 含風(fēng)電場(chǎng)的電力系統(tǒng)連鎖故障模型

本文建立的連鎖故障模型流程圖如圖2所示。在仿真開始時(shí)，為體現(xiàn)風(fēng)電出力的不確定性，先根據(jù)預(yù)測(cè)風(fēng)速由最優(yōu)潮流來安排系統(tǒng)內(nèi)同步機(jī)出力，再抽樣得到當(dāng)日自然風(fēng)速與各風(fēng)機(jī)處風(fēng)速，進(jìn)而計(jì)算得到風(fēng)電機(jī)組出力。

圖2 含風(fēng)電場(chǎng)的連鎖故障仿真流程圖Fig.2 Flowchart of cascading failures simulaiton of system integrated with wind farm

初始故障包含短路故障與斷線故障兩種類型。短路故障僅考慮一重三相短路故障，斷線故障則考慮N-1、N-2、N-3三種重?cái)?shù)故障。結(jié)合系統(tǒng)實(shí)際，距離較遠(yuǎn)的線路同時(shí)發(fā)生斷線的概率較低。因此，在仿真中，N-2與N-3重故障在同一條母線相連的線路集合之中抽樣。

對(duì)于短路故障，利用2.6節(jié)所述方法估算短路電壓，根據(jù)對(duì)應(yīng)概率設(shè)置風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)。在故障的影響下，系統(tǒng)可能出現(xiàn)分島與有功功率缺額，造成電網(wǎng)頻率變化，因此需要由同步機(jī)進(jìn)行功率平衡。本文在文獻(xiàn)[20]的基礎(chǔ)上加入風(fēng)機(jī)虛擬慣量，計(jì)算系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)頻率和穩(wěn)態(tài)頻率，并給出相應(yīng)的頻率穩(wěn)定控制。

之后進(jìn)行潮流計(jì)算和靜態(tài)電壓失穩(wěn)分析。當(dāng)電壓穩(wěn)定導(dǎo)致潮流不收斂時(shí)，首先通過連續(xù)潮流得到對(duì)應(yīng)負(fù)荷水平最高的潮流收斂解，即“潮流邊界”；然后利用潮流邊界的QV曲線斜率尋找電壓最薄弱的節(jié)點(diǎn)；通過靈敏度計(jì)算，得到對(duì)該電壓薄弱母線靈敏度最大的無功負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，之后按比例切除該點(diǎn)的負(fù)荷，若該點(diǎn)的負(fù)荷全被切除后系統(tǒng)依然不能恢復(fù)穩(wěn)定，則開始切除靈敏度次高的節(jié)點(diǎn)負(fù)荷。得到潮流結(jié)果后，線路過流保護(hù)根據(jù)線路的負(fù)載率依概率動(dòng)作。如果該環(huán)節(jié)內(nèi)沒有產(chǎn)生新的斷線，則統(tǒng)計(jì)當(dāng)日負(fù)荷損失，當(dāng)次仿真結(jié)束。

4 風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)后的停電風(fēng)險(xiǎn)分析

4.1 算例系統(tǒng)

根據(jù)2、3節(jié)介紹的模型和算法，對(duì)IEEE30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。該系統(tǒng)共含6臺(tái)同步發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量240MW，負(fù)荷為234.98MW，電氣接線圖如圖3所示。

圖3 IEEE30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)Fig.3 IEEE-30 bus test system

為了充分評(píng)估風(fēng)電場(chǎng)接入對(duì)系統(tǒng)停電風(fēng)險(xiǎn)的影響，本文按2.1節(jié)所述設(shè)計(jì)了包含12臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)電場(chǎng)，接入系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)5。風(fēng)電場(chǎng)中每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組型號(hào)相同，通過箱式變壓器接至干線。每條干線接入4臺(tái)風(fēng)電機(jī)組，相鄰風(fēng)機(jī)水平距離為500m。干線再并聯(lián)至升壓變壓器。針對(duì)不同分析目的，以下進(jìn)行仿真分析的兩個(gè)系統(tǒng)均基于此系統(tǒng)，但參數(shù)有所不同。

(1)系統(tǒng)一。風(fēng)電場(chǎng)總裝機(jī)容量為120MW；風(fēng)電不發(fā)時(shí)，電網(wǎng)側(cè)線路平均負(fù)載率為0.2280；系統(tǒng)通過N-1校驗(yàn)。該系統(tǒng)特征為高風(fēng)電滲透率、高線路容量裕度。

(2)系統(tǒng)二。風(fēng)電場(chǎng)總裝機(jī)容量為48MW；風(fēng)電不發(fā)時(shí)，電網(wǎng)側(cè)線路平均負(fù)載率為0.3879；系統(tǒng)通過N-1校驗(yàn)。該系統(tǒng)特征為低風(fēng)電滲透率、低線路容量裕度。

為定量分析系統(tǒng)的停電風(fēng)險(xiǎn)水平，本文計(jì)算了VaR、CVaR與Risk指標(biāo)[21]。當(dāng)取置信水平99%時(shí)，VaR指標(biāo)給出了99%的停電事故中的最大停電規(guī)模。因此為了系統(tǒng)的安全運(yùn)行，必須將此值限制在一定的標(biāo)準(zhǔn)之下，本文設(shè)定VaR指標(biāo)低于0.1。

4.2 高風(fēng)電滲透率下的系統(tǒng)停電風(fēng)險(xiǎn)分析

采用系統(tǒng)一。為對(duì)比不同風(fēng)電出力場(chǎng)景下系統(tǒng)的停電風(fēng)險(xiǎn)水平，就風(fēng)電出力水平分別為20%(風(fēng)電低發(fā))、60%(風(fēng)電中發(fā))、90%(風(fēng)電高發(fā))的系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組采用定功率因數(shù)控制且無虛擬慣量時(shí)，仿真得到三種風(fēng)電出力水平下的停電概率分布。在99%的置信水平下，上述三種風(fēng)電出力水平系統(tǒng)的指標(biāo)值如表1所示。由該結(jié)果可見，隨著風(fēng)電出力水平的上升，VaR、CVaR與Risk指標(biāo)值均有所上升。其中，VaR指標(biāo)有明顯的大幅增長(zhǎng)。

表1 不含虛擬慣量的系統(tǒng)一停電風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)值

系統(tǒng)的停電風(fēng)險(xiǎn)之所以隨著風(fēng)電出力水平上升而呈現(xiàn)出這樣的變化趨勢(shì)，主要是由于此時(shí)系統(tǒng)的風(fēng)電滲透率達(dá)到50%，當(dāng)出現(xiàn)短路故障導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)出現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)時(shí)，容易產(chǎn)生較大的功率缺額，導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)態(tài)頻率急劇跌落，引發(fā)頻率穩(wěn)定控制動(dòng)作采取切負(fù)荷操作，并進(jìn)一步因系統(tǒng)運(yùn)行條件惡劣而造成后續(xù)故障。

由于停電故障受頻率影響較大，因此可以推斷，風(fēng)電機(jī)組的虛擬慣量將有助于減小系統(tǒng)的停電風(fēng)險(xiǎn)。為量化分析風(fēng)電機(jī)組虛擬慣量控制的作用，在同樣的系統(tǒng)條件下，進(jìn)行考慮風(fēng)電機(jī)組虛擬慣量的連鎖故障仿真，得到三種風(fēng)電出力水平下的停電風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，如表2所示。

表2 含虛擬慣量的系統(tǒng)一停電風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)值

對(duì)比不含虛擬慣量與含虛擬慣量的指標(biāo)結(jié)果，可以看出各項(xiàng)指標(biāo)尤其是VaR有明顯減小，可見在高風(fēng)電滲透率系統(tǒng)中加入風(fēng)電機(jī)組的虛擬慣量十分必要。另外，風(fēng)電出力越高的系統(tǒng)指標(biāo)值下降得越快，說明虛擬慣量在高風(fēng)電出力情況下對(duì)停電風(fēng)險(xiǎn)的抑制效果更強(qiáng)。

為了進(jìn)一步降低系統(tǒng)停電風(fēng)險(xiǎn)水平，需要降低短路情況下風(fēng)電機(jī)組的脫網(wǎng)概率。一方面可以通過在風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)加裝無功補(bǔ)償裝置在短路時(shí)提供一定的無功支撐，從而抬升短路電壓；另一方面，可以通過改進(jìn)風(fēng)機(jī)的制造與控制技術(shù)來降低其意外脫網(wǎng)的可能性。

以風(fēng)電出力水平90%的系統(tǒng)為例，在風(fēng)電場(chǎng)升壓站內(nèi)增設(shè)40Mvar容性無功補(bǔ)償以提供一定的電壓支撐作用，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行仿真得到停電風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)值對(duì)比，如表3所示?？梢?，在風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)增設(shè)無功補(bǔ)償后，當(dāng)前系統(tǒng)的VaR指標(biāo)大幅下降達(dá)到要求，CVaR指標(biāo)與Risk指標(biāo)也有所降低。

表3 增設(shè)無功補(bǔ)償后的系統(tǒng)一停電風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)值

在此基礎(chǔ)上，后續(xù)研究還可以比較接入不同容量無功補(bǔ)償裝置、采用不同方式控制風(fēng)電機(jī)組等方式對(duì)降低停電風(fēng)險(xiǎn)的作用，并從中擇優(yōu)應(yīng)用控制方案。

4.3 低風(fēng)電滲透率下的系統(tǒng)停電風(fēng)險(xiǎn)分析

采用系統(tǒng)二。同樣對(duì)20%(風(fēng)電低發(fā))、60%(風(fēng)電中發(fā))、90%(風(fēng)電高發(fā))三種典型的風(fēng)電出力水平系統(tǒng)進(jìn)行連鎖故障仿真，得到停電分布概率。各指標(biāo)值計(jì)算對(duì)比如表4所示?？梢姡?dāng)前系統(tǒng)的停電風(fēng)險(xiǎn)較高，VaR指標(biāo)均超過標(biāo)準(zhǔn)值。

表4 系統(tǒng)二停電風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)值

該系統(tǒng)中造成高停電風(fēng)險(xiǎn)的主因并非風(fēng)電機(jī)組因短路故障脫網(wǎng)。對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)線路過載斷開的現(xiàn)象較為嚴(yán)重，繼而產(chǎn)生較多的低壓減載，線路容量不足成為停電風(fēng)險(xiǎn)上升的主要因素。為了降低此時(shí)系統(tǒng)的停電風(fēng)險(xiǎn)，考慮采取提升線路容量的方式。調(diào)整BUS2、BUS6、BUS10節(jié)點(diǎn)附近線路的容量后，系統(tǒng)在風(fēng)電不發(fā)時(shí)電網(wǎng)側(cè)線路的平均負(fù)載率為0.3216，此時(shí)系統(tǒng)的停電風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)指標(biāo)值如表5所示。

表5 增加線路容量后的系統(tǒng)二停電風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)值

調(diào)整后系統(tǒng)的VaR指標(biāo)明顯下降，滿足系統(tǒng)安全性要求，此外，CVaR與風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)也一并降低?？梢?，對(duì)于當(dāng)前系統(tǒng)而言，提升線路容量是降低停電風(fēng)險(xiǎn)的有效方法。

5 結(jié)論

本文建立了含雙饋風(fēng)電場(chǎng)的電力系統(tǒng)連鎖故障模型，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的結(jié)構(gòu)、風(fēng)速的隨機(jī)性、雙饋風(fēng)電機(jī)組的控制模式、無功約束、虛擬慣量以及短路故障下的雙饋風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)概率進(jìn)行了模擬，還考慮了系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定控制與電壓穩(wěn)定控制。利用該模型，本文分析了雙饋風(fēng)電場(chǎng)接入IEEE30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的停電風(fēng)險(xiǎn)，并定量分析了引入風(fēng)電機(jī)組虛擬慣量控制、增加風(fēng)電場(chǎng)無功補(bǔ)償及提高線路容量對(duì)停電風(fēng)險(xiǎn)降低的效果。

本文的研究對(duì)于永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組接入電力系統(tǒng)所引發(fā)的頻率失穩(wěn)、線路過載相關(guān)的連鎖故障風(fēng)險(xiǎn)分析與控制也有借鑒意義。但是，永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的無功容量約束、故障下的脫網(wǎng)特性需要進(jìn)一步完善，以便定量分析含直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的電力系統(tǒng)停電風(fēng)險(xiǎn)。

后續(xù)研究工作還需設(shè)計(jì)高效算法以優(yōu)化停電風(fēng)險(xiǎn)的控制策略。

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Blackout risk analysis of power system integrated with DFIG wind farm

ZHANG Xue-min1, ZHONG Yu-xin1, MEI Sheng-wei1, XIA De-ming2, WANG Shuai3, SHI Rui3

(1. State Key Lab of Control and Simulation of Power Systems and Generation Equipments, Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 2. Northeast Branch of State Grid, Shenyang 110180, China; 3. State Power Economic Research Institute, Beijing 102209, China)

With the increase of wind power penetration, it is urgent to study how to reduce the risk of cascading failures while improving the environmental benefits. In this paper, a cascading failure model with wind farm is proposed, which considered the structure of wind farm, the randomness of wind power, the virtual inertia control of wind turbine, and the trip-off response of wind turbine after short circuit. The model also set up the frequency stability control, the over current protection of transmission line and the low voltage load shedding, so it can analyze the influence of wind power from two respects, i.e. the blackout risk from active power-frequency and reactive power-voltage. The research will be the basic tool of quantifying the effect of blackout risk preventing and control for the planning and operation of power system integrated with wind farm. With the simulation, the blackout risk of IEEE 30 test system integrated with wind farm is analyzed, and the effect for reducing the blackout risk of the virtual inertial control of wind turbine, reactive power compensation and line construction is discussed.

wind farm; cascading trip-off; virtual inertial; blackout risk

2015-12-14

國(guó)家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新群體項(xiàng)目(51321005)、 國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)課題(2013AA050601)、 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51377091)、 國(guó)家電網(wǎng)公司總部科技項(xiàng)目

張雪敏(1979-)， 女， 陜西籍， 副教授， 博士， 主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定、 控制及連鎖故障； 鐘雨芯(1990-)， 女， 廣西籍， 碩士研究生， 主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)連鎖故障。

TM744

A

1003-3076(2016)07-0001-07