風電接入位置對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響分析

張 師，于錫平，秦英煒，王睿奇，陳立銘，周立新

(1.東北電力大學電氣工程學院，吉林 吉林 132012；2.國網(wǎng)吉林省電力有限公司檢修公司，吉林 長春 130000；3.吉林吉電集團有限公司，吉林 吉林 132001;4.廣東電網(wǎng)有限公司湛江供電局，廣東 湛江 524000)

風電接入位置對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響分析

張 師1，于錫平2，秦英煒3，王睿奇4，陳立銘1，周立新1

(1.東北電力大學電氣工程學院，吉林 吉林 132012；2.國網(wǎng)吉林省電力有限公司檢修公司，吉林 長春 130000；3.吉林吉電集團有限公司，吉林 吉林 132001;4.廣東電網(wǎng)有限公司湛江供電局，廣東 湛江 524000)

隨著風電并網(wǎng)容量逐漸增加，風電對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響不容忽視，風電接入位置對受擾后的同步機動態(tài)行為具有重要影響。為研究風電接入位置對電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的影響機理，采用擴展等面積法則，分析了風電接入對臨界機組和余下機組電磁功率波動的影響，得出風電接入位置對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響。通過分析可知，當受擾后風電機組附近的同步機為臨界機組時，風電接入會惡化系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定；當受擾后風電機組附近的同步機為余下機組時，風電接入會有利于暫態(tài)穩(wěn)定。

風電機組；擴展等面積法則；臨界機組

0 引言

我國可再生能源“十三五”發(fā)展規(guī)劃指出：預(yù)計2020年我國非化石能源占能源消費比例15%，2030年非化石能源占能源消費比例20%。風力發(fā)電作為技術(shù)最成熟的清潔能源在近幾年得到迅猛發(fā)展[1-4]，與此同時，大規(guī)模風電并網(wǎng)對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的影響也得到了學者們的廣泛關(guān)注。

文獻[5]仿真分析了不同類型風電機組對電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響，并得出結(jié)論雙饋風電機組(double fed integration generator，DFIG)并網(wǎng)對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定最有利。文獻[6]分析了暫態(tài)過程中DFIG軸系模型對系統(tǒng)動態(tài)行為的影響。通過分析可知，暫態(tài)過程中軸剛度越低，轉(zhuǎn)子因軸松弛而獲得的預(yù)期加速越多，越不利于系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定。文獻[7]通過仿真算例發(fā)現(xiàn)：額定風速下風電場接入電網(wǎng)的絕對安全容量是有限的，而風速較低時，風電場可以開啟更多的風電機組來提高風電場的出力。文獻[8]以實測運行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過分析得出近滿載工況下的DFIG由于轉(zhuǎn)子電流裕度較低，更容易發(fā)生連鎖脫網(wǎng)事件。文獻[9]分析了不同運行工況下的DFIG對電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響。

以上研究中，未見風電接入位置對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的影響研究，因此本文基于擴展等面積法則分析風電并網(wǎng)位置對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的影響。

1 擴展等面積法則基本原理

擴展等面積法則(extended equal area criterion，EEAC)是由薛禹勝首次提出，將等面積法則應(yīng)用于多機系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性分析中[10-15]。

設(shè)具有n臺同步發(fā)電機系統(tǒng)，第i臺同步機的功角δi變化與功率差額的關(guān)系可以表示為

(1)

式中：Mi為第i臺同步機的慣性時間常數(shù)；PMi和PEi為第i臺同步機的機械功率和電磁功率。

慣性中心(center of inertia，COI)的功角和轉(zhuǎn)速為：

式中：δCOI和ωCOI分別為慣性中心的功角和轉(zhuǎn)速。

COI坐標下的各臺發(fā)電機轉(zhuǎn)子運動方程為

(4)

式中：PCOI為各臺發(fā)電機的功率差額總和；MΣ為各臺發(fā)電機的慣量加和。將相對于COI加速的和減速的發(fā)電機群分別定義為臨界群和余下群，臨界機組為受擾后加速較快的機組，余下機組未受擾后加速較慢的機組。n臺發(fā)電機有nk臺臨界機組，則等值臨界機組和余下機組的功角δk和δ0可以表示為：

等值臨界機組和余下機組的轉(zhuǎn)子運動方程為：

式中：Mi和Mj分別為等值臨界機組和余下機組的轉(zhuǎn)動慣量；PMi-PEi為臨界機組的功率差額；PMj-PEj為余下機組的功率差額。

將式(7)(8)聯(lián)立可得

(9)

等值慣量Meq、等值機械功率PMeq和等值電磁功率PEeq可以表示為：

等值系統(tǒng)的加速面積和減速面積為：

式中：PEeqⅡ為故障過程中的電磁功率；PEeqⅢ為故障清除后的電磁功率；δ0、δc和δh分別為初始功角、故障切除時功角和不穩(wěn)定平衡點的功角。加速面積越小、減速面積越大，越有利于提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。

2 風電并網(wǎng)位置對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響

為便于分析，以等值兩機系統(tǒng)為例，系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 兩機系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of two machine system

當系統(tǒng)發(fā)生短路故障后，Syn1和Syn2必然相對擺開，兩機的功角擺動取決于各自轉(zhuǎn)動慣量、擾動位置及擾動大小，受擾后2臺發(fā)電機的功角波動不同，必然會有1臺臨界機組和1臺余下機組。圖1系統(tǒng)中bus1與bus2的傳輸功率極限為

(15)

式中：U1和U2分別bus1和bus2的電壓；X12為bus1和bus2間電抗。動態(tài)過程中系統(tǒng)各節(jié)點電壓會波動，bus1-bus2的功率傳輸極限也在波動，當風電接入后，在影響U1和U2波動的同時，風電輸出的功率也會使同步機的輸出功率減小。

等值系統(tǒng)機械功率由擾動前的各臺發(fā)電機工況決定，根據(jù)式(12)可知，當風電機組并網(wǎng)后可以減小余下機組的電磁功率時，等值系統(tǒng)電磁功率將增大，從而減小等值系統(tǒng)功率差額，提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性；當風電機組并網(wǎng)后可以減小臨界機組的電磁功率時，等值系統(tǒng)電磁功率將減小，從而增加系統(tǒng)功率差額，惡化系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性。

通過以上分析可知，風電并網(wǎng)對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響取決于風電機組的接入位置。

3 算例分析

本文采用Matlab工具箱PSAT仿真分析，如圖2為采用PSAT搭建的3機9節(jié)點系統(tǒng)，系統(tǒng)中各元件參數(shù)參見文獻[15]。

圖2 3機9節(jié)點系統(tǒng)Fig.2 3 machine 9 node system

100 MW滿載工況的DFIG分別接入bus4和bus9，在bus5增加100 MW負荷，設(shè)置1 s時在bus6-bus7靠近bus7一側(cè)發(fā)生三相短路，在1.05 s時該線路被切除，故障清除，采用變步長積分，仿真時間10 s，基準功率100 MVA。

仿真結(jié)果如圖3所示。原系統(tǒng)中Syn3為余下機組，Syn1和Syn2為臨界機組。Syn1接入位置為bus2，Syn2接入位置為bus3，Syn3接入的位置為bus1。當DFIG接入bus4時，靠近Syn3，各臺發(fā)電機在暫態(tài)過程中可以保持同步運行，不發(fā)生非周期性失步，且各臺發(fā)電機功角波動幅度較原系統(tǒng)比有所減??；當DFIG接入bus9時，靠近Syn2，在6 s各臺發(fā)電機功角相對擺開，系統(tǒng)失穩(wěn)。

圖3 DFIG接入前后的仿真曲線Fig.3 Simulation curve before and after DFIG access

通過以上分析可知，風電機組接入系統(tǒng)后對系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定影響取決于風電機組接入的位置，當受擾后風電機組附近的同步機為臨界機組時，風電功率會占用臨界機組的功率輸送通道，降低臨界機組的電磁功率，從而加重臨界機組和余下機組的相對擺開，惡化系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定；當受擾后風電機組附近的同步機為余下機組時，風電功率會占用余下機組的功率輸送通道，降低余下機組的電磁功率，增加余下機組的功角增量，緩解臨界機組和余下機組的相對擺開，有利于暫態(tài)穩(wěn)定。

4 結(jié)論

本文基于EEAC分析了風電接入位置對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響，通過本文分析可知，風電接入對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的影響取決于風電接入位置。當受擾后風電機組附近的同步機為臨界機組時，風電接入會惡化系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定；當受擾后風電機組附近的同步機為余下機組時，風電接入會有利于暫態(tài)穩(wěn)定。

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InfluenceofWindPowerAccessLocationonSystemTransientStability

ZHANG Shi1, YU Xiping2, Qin Yingwei3, WANG Ruiqi4, CHEN Liming1, ZHOU Lixin1

(1. School of Electrical Engineering, Northeast Electrical Power University, Jilin 132012, Jilin Province, China; 2. Maintenance Company of State Grid Jilin Electric Power Company, Changchun 130000, Jilin Province, China; 3. Jilin Jidian Power Group Co., Ltd., Jilin 132001, Jilin Province, China; 4. Zhanjiang Power Supply Bureau, Guangdong Power Grid Co., Ltd., Zhanjiang 524000, Guangdong Province, China)

With the increasing capacity of wind power grid, the influence of wind power on system transient stability cannot be ignored; the wind power access location has an important influence on the dynamic behavior of synchronous machine after disturbance. For the study of wind power access location influence mechanism on the transient stability of power system, this paper uses the extended equal area criterion to analyze the impact of wind power access on the electromagnetic power fluctuations of critical units and the remaining units, and obtains the impact of wind power access location on the transient stability of the system. The analysis results show that, when the synchronous machine near the disturbance of wind turbine is critical unit, wind power will deteriorate the system transient stability; when the synchronous machine near the disturbance of wind turbine is remaining unit, wind power is beneficial to transient stability.

wind turbines; extended equal area criterion; critical units

TK 01；TM 71

A

2096-2185(2017)06-0078-04

10.16513/j.cnki.10-1427/tk.2017.06.013

張 師

張 師(1989—)，男，碩士，助理實驗師，研究方向為電力系統(tǒng)動態(tài)安全分析，zs472254835@126.com；

于錫平(1967—)，男，學士，工程師，研究方向為電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制；

秦英煒(1983—)，男，工程碩士，工程師，研究方向為風電并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性研究；

王睿奇(1994—)，男，學士，研究方向為電力系統(tǒng)功角穩(wěn)定性研究；

陳立銘(1993—)，男，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析；

周立新(1994—)，男，本科生，研究方向為電力系統(tǒng)動態(tài)安全分析。

2017-09-19

(編輯 蔣毅恒)