大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)失步振蕩的影響分析

李立新,李 旭

(東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院,吉林 吉林 132012)

●電力系統(tǒng)及其自動化●

大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)失步振蕩的影響分析

李立新,李 旭

(東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院,吉林 吉林 132012)

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

風(fēng)電并網(wǎng);失步振蕩;風(fēng)火打捆;暫態(tài)穩(wěn)定

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展,風(fēng)電的接入容量在電力系統(tǒng)總發(fā)電量中所占的比重越來越大,而且雙饋機又實現(xiàn)了有功和無功的解耦等優(yōu)越性,因此其逐漸成為當(dāng)前風(fēng)電機組的主流機型[1]。中國風(fēng)電場大多數(shù)位于風(fēng)資源比較豐富的西北地區(qū),因為該地區(qū)火力發(fā)電較為集中,所以風(fēng)電與鄰近火電打捆高壓遠距離外送的開發(fā)模式得到廣泛應(yīng)用。然而風(fēng)電接入會給系統(tǒng)帶來安全穩(wěn)定問題,甚至涉及系統(tǒng)的第三道防線，因此研究風(fēng)火打捆外送下風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)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(fēng)電接入對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)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(fēng)電接入對系統(tǒng)失步振蕩的影響。本文以等面積原則為依據(jù),從同步發(fā)電機功角特性變化的角度出發(fā),研究了風(fēng)電接入后系統(tǒng)的穩(wěn)定機理,并基于中國風(fēng)火電打捆典型外送場景,在PSD-BPA仿真平臺中建立風(fēng)火打捆單機無窮大系統(tǒng)等效模型,分析了三相短路故障條件下風(fēng)電接入比例、故障點位置、機組類型對系統(tǒng)失步振蕩的影響。

1 不同風(fēng)電機組并網(wǎng)方式和數(shù)學(xué)模型

1.1 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機

雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機由風(fēng)力機、齒輪箱、雙饋感應(yīng)電機以及背靠背四象限變流器等組成,風(fēng)機的定子側(cè)直接接入電網(wǎng),轉(zhuǎn)子側(cè)通過四象限變流器接入電網(wǎng),雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機結(jié)構(gòu)

雙饋感應(yīng)發(fā)電機在dq坐標系下的定子、轉(zhuǎn)子電壓方程為

(1)

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

定子、轉(zhuǎn)子磁鏈方程為

(2)

式中:Ls、Lr和Lm為定子、轉(zhuǎn)子自感和互感。

轉(zhuǎn)子運動方程為

(3)

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

該數(shù)學(xué)模型包括4個電壓方程、4個磁鏈方程、1個轉(zhuǎn)子運動方程,共計9個方程,為5階數(shù)學(xué)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(fēng)力發(fā)電機

恒速異步風(fēng)機由風(fēng)力機、齒輪箱、異步發(fā)電機以及無功補償裝置等組成,風(fēng)機直接接入電網(wǎng),恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)

恒速異步風(fēng)機沒有勵磁回路,其勵磁只能靠外部電源。轉(zhuǎn)速給定時,風(fēng)電機組出口電壓U與感應(yīng)發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩Te的關(guān)系為

Te=ksU2

(4)

式中:k為常數(shù);s為轉(zhuǎn)差率。

異步電機的轉(zhuǎn)子運動方程為

(5)

式中:J為轉(zhuǎn)動慣量;Tm為機械轉(zhuǎn)矩;ω為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

由于異步電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度與系統(tǒng)頻率有著強耦合關(guān)系,因此不能忽略其與同步電機并網(wǎng)時的機械慣量。恒速異步電機直接接入電網(wǎng),沒有變換器進行有功和無功的調(diào)節(jié),不具有功角的快速恢復(fù)特性。

2 風(fēng)電接入后系統(tǒng)穩(wěn)定機理分析

在分析暫穩(wěn)問題時,等面積定則是基礎(chǔ),則同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子運動方程式為

(6)

(7)

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

本文風(fēng)火打捆系統(tǒng)在風(fēng)電容量增加時,相應(yīng)減小火電機組出力,不關(guān)?；痣姍C組,故慣性時間常數(shù)TJ不變,由PT和PE決定系統(tǒng)故障后的不平衡能量。

下面以系統(tǒng)發(fā)生三相瞬時接地短路故障為例,分析風(fēng)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(lián)系電抗X∑無窮大,所以故障時同步機的電磁功率PE為0。風(fēng)電接入前送端系統(tǒng)的面積定則如圖3所示。

文獻[2]描述了風(fēng)電接入后送端系統(tǒng)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(fēng)電的接入而改變。然而,為了保持風(fēng)火打捆系統(tǒng)外送出力不變,在風(fēng)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?？紤]火電機組機械功率減小送端系統(tǒng)的面積定則如圖4所示。

圖3 風(fēng)電接入前送端系統(tǒng)面積定則示意圖

圖4 風(fēng)電接入后送端系統(tǒng)面積定則示意圖

3 算例分析

3.1 算例系統(tǒng)及衡量指標

3.1.1 風(fēng)火打捆輸電系統(tǒng)

在PSD-BPA仿真軟件中建立風(fēng)火打捆輸電系統(tǒng),如圖5所示。

圖5 “風(fēng)火打捆”單機無窮大系統(tǒng)

在圖5中,有1個容量為90 MW的風(fēng)電場和1個容量為600 MW的火電廠作為風(fēng)火打捆系統(tǒng)的送端電源并聯(lián)接入母線1。火電機組采用6階同步發(fā)電機模型。風(fēng)力發(fā)電機為GE雙饋風(fēng)電機,機端電壓為0.7 kV,經(jīng)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(fēng)電機組有別于常規(guī)火電機組,發(fā)生故障時,風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響以及風(fēng)電場自身的暫穩(wěn)特性均需要通過常規(guī)火電機組的功角變化體現(xiàn)。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生嚴重故障時會導(dǎo)致功角失穩(wěn),使系統(tǒng)發(fā)生失步振蕩,觸發(fā)解列裝置動作,需要以火電機組功角從波動到失穩(wěn)的間隔時間以及解列裝置動作時間的快慢來判斷雙饋風(fēng)電機組對系統(tǒng)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(tǒng)的失步振蕩特性。

2) 火電機組功角從波動到失穩(wěn)間隔時間越長,越有利于抑制系統(tǒng)的失步振蕩。

3.2 風(fēng)電接入比例對系統(tǒng)失步振蕩的影響

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)迅猛發(fā)展,風(fēng)電裝機容量不斷增加,故障后風(fēng)電機組的作用可能觸發(fā)系統(tǒng)的第三道防線,有必要分析風(fēng)電接入比例對電網(wǎng)失步振蕩的影響。在圖5系統(tǒng)中仿真如下:

0 s時線路12近母線1側(cè)發(fā)生三相短路故障,0.1 s時故障清除。三相短路故障觸發(fā)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(fēng)電比例下的變化如圖6、7所示。

從圖6可以看出,風(fēng)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(fēng)電接入比例越大,打捆火電機組功角從波動到失穩(wěn)的時間間隔越長。由此可以得出:在該系統(tǒng)中,隨著風(fēng)電比例的增大,系統(tǒng)的暫態(tài)功角穩(wěn)定性有所提升,失步振蕩特性得到改善。與理論分析結(jié)果一致。

圖6 解列裝置動作時刻

圖7 不同風(fēng)電比例下火電機組功角曲線

3.3 故障點位置對系統(tǒng)失步振蕩的影響

在電網(wǎng)互聯(lián)的大趨勢下,電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，機網(wǎng)間聯(lián)系更加緊密。隨著聯(lián)網(wǎng)規(guī)模的擴大,風(fēng)火打捆系統(tǒng)故障點位置的不同會使電網(wǎng)安全穩(wěn)定特性發(fā)生較大變化,所以深入研究風(fēng)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(tǒng)中,分別在母線1(距離風(fēng)電場較近為近故障點)、2(距離風(fēng)電場較遠為遠故障點)設(shè)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(jié)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(tǒng)火電機組功角首擺擺開的速度較快。這是因為母線1發(fā)生故障時距離風(fēng)電場較近,風(fēng)電機組吸收的無功功率將增加,導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)無功不足,嚴重時使火電機組功角失穩(wěn),觸發(fā)解列裝置動作。可見,故障點距離風(fēng)電場越近,越不利于改善系統(tǒng)的失步振蕩特性,系統(tǒng)越容易失去穩(wěn)定。

圖8 解列裝置動作時刻

圖9 火電機組功角曲線(5個風(fēng)電場接入)

3.4 機組類型對系統(tǒng)失步振蕩的影響

以下分析風(fēng)電機組類型對風(fēng)火打捆系統(tǒng)失步振蕩的影響,現(xiàn)仿真如下:

在圖5風(fēng)火打捆輸電系統(tǒng)中的母線11分別接入等容量的雙饋感應(yīng)風(fēng)電機組和恒速異步風(fēng)電機組,并在母線1設(shè)置三相短路故障,故障持續(xù)時間為0.1 s。以接入5個風(fēng)電場為例,仿真對比當(dāng)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(jié)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(wǎng)點電壓變化

從圖10-12仿真結(jié)果可以看出,不同風(fēng)電機組類型對系統(tǒng)失步振蕩的影響不同。相比于恒速風(fēng)電機組,打捆系統(tǒng)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(wěn)定性更好。這是因為雙饋風(fēng)電機組的轉(zhuǎn)子通過背靠背變流器與電網(wǎng)相連,故障后能夠給系統(tǒng)提供一定比例的無功支撐,對電壓的調(diào)整能力較強,而恒速風(fēng)電機組無此功能。風(fēng)火打捆系統(tǒng)風(fēng)電場接入雙饋風(fēng)電機組時更有利于提高系統(tǒng)穩(wěn)定性,抑制系統(tǒng)的失步振蕩。

4 結(jié) 論

本文分析了風(fēng)電接入后系統(tǒng)的穩(wěn)定機理,并在PSD-BPA中建立風(fēng)火打捆單機無窮大系統(tǒng)進行仿真驗證,得到如下結(jié)論:

1) 風(fēng)電接入系統(tǒng)后,風(fēng)電比例越大,系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性越好,越有利于抑制系統(tǒng)的失步振蕩。

2) 故障點距離風(fēng)電場較近時,不利于系統(tǒng)穩(wěn)定運行,不利于改善系統(tǒng)的失步振蕩特性。

3) 風(fēng)電場采用雙饋機組時,暫態(tài)穩(wěn)定性更好,更有利于抑制系統(tǒng)的失步振蕩。

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(責(zé)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(fā)電與并網(wǎng)。

TM614;TM712

A

2095-6843(2016)06-0471-05