大規(guī)模風(fēng)電場集群并網(wǎng)的電力系統(tǒng)小擾動穩(wěn)定分析

李潤良　劉景霞

摘 要：由于風(fēng)力資源豐富的區(qū)域遠離負荷中心，致使建設(shè)大規(guī)模風(fēng)電基地并集群并入電網(wǎng)成為了必然趨勢，而大規(guī)模風(fēng)電集群接入后給電力系統(tǒng)帶來了新的不確定因素。本文針對風(fēng)電場集群接入后電力系統(tǒng)的小擾動穩(wěn)定進行研究。首先，建立風(fēng)電機組動態(tài)等值模型，包括風(fēng)輪機、發(fā)電機、轉(zhuǎn)子軸系以及變流器模型；其次，取風(fēng)速作為分群依據(jù)對風(fēng)電場進行聚類分群，建立風(fēng)電場動態(tài)等值模型；最后，利用典型的兩區(qū)域四機系統(tǒng)分析風(fēng)電場集群接入后的小擾動穩(wěn)定性。仿真結(jié)果表明，風(fēng)電場接入位置和容量均會對電力系統(tǒng)的小擾動穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電場 小擾動穩(wěn)定 集群特性 電力系統(tǒng)

中圖分類號：TM71 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）11（b）-0065-03

我國風(fēng)能資源儲量巨大，全國范圍內(nèi)來看，“三北”及華東沿海廣大地區(qū)是風(fēng)能儲量相對集中的區(qū)域，這一有利的客觀因素使得我國風(fēng)電發(fā)展方式為規(guī)?；?、基地化集中開發(fā)建設(shè)[1]。如此大規(guī)模的風(fēng)電場并入傳統(tǒng)電力網(wǎng)，在為電網(wǎng)輸入可再生能源的同時，也給傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運行提出了一系列亟待解決的問題，主要表現(xiàn)在風(fēng)電場出力的不穩(wěn)定性（隨機性、波動性、間歇性等）[2]，對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究提出了一個巨大的難題。本文結(jié)合風(fēng)電場出力的隨機性和分布的分散性，分析大規(guī)模風(fēng)電場集群并網(wǎng)的電力系統(tǒng)小擾動穩(wěn)定性。

1 風(fēng)電機組建模

單臺風(fēng)力發(fā)電機組是由多個模塊組成，每個模塊均有自身的動態(tài)特性且各單元間互相耦合，協(xié)同配合完成整臺風(fēng)機的安全運行任務(wù)，接下來針對每個模塊進行建模。

1.1 風(fēng)速模型

自然風(fēng)由基本風(fēng)、陣風(fēng)、隨機風(fēng)、漸變風(fēng)組成，通過疊加各分量來擬合自然風(fēng)速，風(fēng)速模型具體見圖1。

1.2 風(fēng)輪機模型

1.3 發(fā)電機模型

風(fēng)力發(fā)電機組在穩(wěn)態(tài)運行下的磁鏈方程及電壓方程在dp0坐標下的計算式為：

1.4 軸系模型

本文選取雙質(zhì)量塊模型對機組傳動系統(tǒng)建模，把風(fēng)輪機與變速齒輪箱看作一質(zhì)量塊，發(fā)電機看作另一質(zhì)量塊[3]，搭建風(fēng)機軸系模型如下：

2 風(fēng)電場等值建模

對于風(fēng)電場多機等值建模過程中機組分群依據(jù)的選取有很多種，本文選取K-means均值聚類算法進行分群，步驟如下。

（1）從樣本元素中隨機提取K個元素，定義成原始組的均值向量。

（2）對其他的所有元素，根據(jù)它同每個組均值向量間距離遠近，將該元素歸類給距離最小的組。

（3）再次算出各個新形成的K個組的均值向量。

（4）返復(fù)進行（2）～（3）步驟，直到滿足算法終止要求，如均值向量不再改變，或達到迭代次數(shù)上限等。

對風(fēng)電場等值參數(shù)的計算中以等值前后風(fēng)電場輸出功率不變?yōu)橛嬎阍瓌t。假設(shè)風(fēng)電場由N架同一型號的風(fēng)電機組構(gòu)成，根據(jù)上一章所述聚類方法將風(fēng)電場內(nèi)所有風(fēng)機聚合成K組，則對應(yīng)的模型等值參數(shù)計算如下：

3 仿真算例

本文采用典型的兩區(qū)域四機系統(tǒng)分析風(fēng)電場集群接入后的小擾動穩(wěn)定性，將風(fēng)電場分別接入兩區(qū)域四機系統(tǒng)中的區(qū)域A和區(qū)域B分析其對電力系統(tǒng)小擾動穩(wěn)定的影響程度。兩區(qū)域四機系統(tǒng)的接線圖如圖3所示，其中具體參數(shù)見文獻[4]。

風(fēng)電場選取由33臺1.5MW的雙饋型風(fēng)力發(fā)電機組組成，將實測風(fēng)電場風(fēng)速作為分群依據(jù)，33臺等值機組被分群為4個等值機組，分群結(jié)果如圖4所示。

3.1 風(fēng)電場接入不同區(qū)域的功角特性

以發(fā)電機組4的功角曲線分析風(fēng)電場集群接入后的小干擾穩(wěn)定特性，具體如圖5所示。

從圖5可以看出，風(fēng)電場接入?yún)^(qū)域A和B，均不同程度地降低了電力系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性，使得系統(tǒng)阻尼不足，對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性影響不利。

3.2 風(fēng)電場不同風(fēng)速下的功角特性

仍以發(fā)電機組4的功角曲線分析風(fēng)電場不同風(fēng)速下的小干擾穩(wěn)定特性，具體如圖6所示。

從圖6可以看出，風(fēng)電場在大風(fēng)速和小風(fēng)速下，均不同程度地降低了電力系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性，使得系統(tǒng)阻尼變差，風(fēng)速較小時小擾動下的功角波動幅度較大風(fēng)速下大，其主要原因是風(fēng)速較小時，風(fēng)電場出力小的原因?qū)е碌摹?/p>

4 結(jié)語

建立雙饋型風(fēng)力發(fā)電機組模型，通過K-means均值聚類算法將大規(guī)模風(fēng)電場的風(fēng)電機組進行分群等值建模，極大地提高了風(fēng)電場接入電網(wǎng)的小擾動穩(wěn)定計算速度，根據(jù)分群后的等值模型，結(jié)合典型的兩區(qū)域四機系統(tǒng)仿真算例，分析了大規(guī)模風(fēng)電場集群接入后的小擾動穩(wěn)定特性，仿真結(jié)果表明了風(fēng)電場接入后會降低電力系統(tǒng)的小擾動穩(wěn)定性，使得系統(tǒng)的阻尼特性變差，需做進一步的抑制研究。

參考文獻

[1] 李文津，湯廣福，康勇，等.基于VSC-HVDC的雙饋式變速恒頻風(fēng)電機組啟動及并網(wǎng)控制[J].中國電機工程學(xué)報，2014，34（12）：1864-1873.

[2] L.Trilla，O.Gomis-Bellmunt，A.Junyent-Ferre，et al.Modeling and validation of DFIG 3-MW wind turbine using field test data of balanced and unbalanced voltage sags[J].IEEE T Sustain Energ，2011，2（4）：509-519.

[3] 蒙曉航，葉林，趙永寧.永磁直驅(qū)同步風(fēng)電場多機動態(tài)等值模型[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2013，41（14）：25-32.

[4] Kundur.電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制[M].中國電力出版社，2001.endprint