大规模风电并网对电网失步振荡的影响分析

李立新,李 旭

(东北电力大学 电气工程学院,吉林 吉林 132012)

●电力系统及其自动化●

大规模风电并网对电网失步振荡的影响分析

李立新,李 旭

(东北电力大学 电气工程学院,吉林 吉林 132012)

针对大规模风电并网对电网失步振荡的影响问题,笔者以等面积原则为依据,分析了风电接入后系统的稳定机理,并在PSD-BPA仿真平台中建立风火打捆单机无穷大系统等效模型,从风电接入比例、故障点位置、机组类型方面仿真分析了风电并网对系统失步振荡的影响,即风电比例越大,故障点距离风电场越远,风电场采用双馈机组时系统的暂态稳定性越好,越有利于抑制系统的失步振荡。

风电并网;失步振荡;风火打捆;暂态稳定

随着风力发电技术的发展,风电的接入容量在电力系统总发电量中所占的比重越来越大,而且双馈机又实现了有功和无功的解耦等优越性,因此其逐渐成为当前风电机组的主流机型[1]。中国风电场大多数位于风资源比较丰富的西北地区,因为该地区火力发电较为集中,所以风电与邻近火电打捆高压远距离外送的开发模式得到广泛应用。然而风电接入会给系统带来安全稳定问题,甚至涉及系统的第三道防线，因此研究风火打捆外送下风电并网对电网失步振荡的影响具有重要意义[2-3]。文献[4-15]从不同角度分析了风电接入对系统暂态稳定性的影响,虽然取得了一定的研究成果,但是都没有研究风电接入对系统失步振荡的影响。本文以等面积原则为依据,从同步发电机功角特性变化的角度出发,研究了风电接入后系统的稳定机理,并基于中国风火电打捆典型外送场景,在PSD-BPA仿真平台中建立风火打捆单机无穷大系统等效模型,分析了三相短路故障条件下风电接入比例、故障点位置、机组类型对系统失步振荡的影响。

1 不同风电机组并网方式和数学模型

1.1 双馈异步风力发电机

双馈异步风力发电机由风力机、齿轮箱、双馈感应电机以及背靠背四象限变流器等组成,风机的定子侧直接接入电网,转子侧通过四象限变流器接入电网,双馈感应风力发电机结构如图1所示。

图1 双馈感应风力发电机结构

双馈感应发电机在dq坐标系下的定子、转子电压方程为

(1)

式中:Rs、Rr为定、转子电阻;isd、isq为定子电流;ird、irq为转子电流;ψsd、ψsq为定子磁链;ψrd、ψrq为转子磁链;ω1和ωs为同步角速度和转差角速度。

定子、转子磁链方程为

(2)

式中:Ls、Lr和Lm为定子、转子自感和互感。

转子运动方程为

(3)

式中:Np为极对数;TJ为惯性时间常数;Tm、Te分别为机械转矩和电磁转矩。

该数学模型包括4个电压方程、4个磁链方程、1个转子运动方程,共计9个方程,为5阶数学模型。其中,未知量为usd、usq、urd、urq和Tm,其余为已知量。

1.2 恒速异步风力发电机

恒速异步风机由风力机、齿轮箱、异步发电机以及无功补偿装置等组成,风机直接接入电网,恒速恒频风力发电机组结构如图2所示。

图2 恒速恒频风力发电机组结构

恒速异步风机没有励磁回路,其励磁只能靠外部电源。转速给定时,风电机组出口电压U与感应发电机电磁转矩Te的关系为

Te=ksU2

(4)

式中:k为常数;s为转差率。

异步电机的转子运动方程为

(5)

式中:J为转动惯量;Tm为机械转矩;ω为转子转速。

由于异步电机转子旋转角速度与系统频率有着强耦合关系,因此不能忽略其与同步电机并网时的机械惯量。恒速异步电机直接接入电网,没有变换器进行有功和无功的调节,不具有功角的快速恢复特性。

2 风电接入后系统稳定机理分析

在分析暂稳问题时,等面积定则是基础,则同步发电机的转子运动方程式为

(6)

(7)

式中:ω为角速度;TJ为惯性时间常数;PT为机械功率;E′、U分别为发电机内电势和无穷大母线电压;X∑为U与E′之间的联系电抗。

本文风火打捆系统在风电容量增加时,相应减小火电机组出力,不关停火电机组,故惯性时间常数TJ不变,由PT和PE决定系统故障后的不平衡能量。

下面以系统发生三相瞬时接地短路故障为例,分析风电接入前后同步电机加速面积和减速面积的变化。三相短路故障时附加电抗XΔ为0,则联系电抗X∑无穷大,所以故障时同步机的电磁功率PE为0。风电接入前送端系统的面积定则如图3所示。

文献[2]描述了风电接入后送端系统的面积定则,若同步机的机械功率PT不变,则电磁功率PE随风电的接入而改变。然而,为了保持风火打捆系统外送出力不变,在风电容量增大时,需压火电机组出力,火电机组的等效机械功率是减小的。考虑火电机组机械功率减小送端系统的面积定则如图4所示。

图3 风电接入前送端系统面积定则示意图

图4 风电接入后送端系统面积定则示意图

3 算例分析

3.1 算例系统及衡量指标

3.1.1 风火打捆输电系统

在PSD-BPA仿真软件中建立风火打捆输电系统,如图5所示。

图5 “风火打捆”单机无穷大系统

在图5中,有1个容量为90 MW的风电场和1个容量为600 MW的火电厂作为风火打捆系统的送端电源并联接入母线1。火电机组采用6阶同步发电机模型。风力发电机为GE双馈风电机,机端电压为0.7 kV,经两级升压变后升至220 kV接到母线1上。交流输电线路12的长度为230 km,其电阻R=0.032 76,电抗X=0.171 48(标幺值)。在线路12上加装解列装置。

3.1.2 衡量指标

风电机组有别于常规火电机组,发生故障时,风电并网对电网暂态稳定性的影响以及风电场自身的暂稳特性均需要通过常规火电机组的功角变化体现。当系统发生严重故障时会导致功角失稳,使系统发生失步振荡,触发解列装置动作,需要以火电机组功角从波动到失稳的间隔时间以及解列装置动作时间的快慢来判断双馈风电机组对系统失步振荡影响的严重程度:

1) 解列装置动作时间越慢,越有利于改善系统的失步振荡特性。

2) 火电机组功角从波动到失稳间隔时间越长,越有利于抑制系统的失步振荡。

3.2 风电接入比例对系统失步振荡的影响

风力发电技术迅猛发展,风电装机容量不断增加,故障后风电机组的作用可能触发系统的第三道防线,有必要分析风电接入比例对电网失步振荡的影响。在图5系统中仿真如下:

0 s时线路12近母线1侧发生三相短路故障,0.1 s时故障清除。三相短路故障触发解列装置动作,火电机组功角曲线以及解列装置动作时间在不同风电比例下的变化如图6、7所示。

从图6可以看出,风电接入比例增大,线路12间解列装置动作逐渐变慢。

从图7可以看出,风电接入比例越大,打捆火电机组功角从波动到失稳的时间间隔越长。由此可以得出:在该系统中,随着风电比例的增大,系统的暂态功角稳定性有所提升,失步振荡特性得到改善。与理论分析结果一致。

图6 解列装置动作时刻

图7 不同风电比例下火电机组功角曲线

3.3 故障点位置对系统失步振荡的影响

在电网互联的大趋势下,电网网架结构日益复杂，机网间联系更加紧密。随着联网规模的扩大,风火打捆系统故障点位置的不同会使电网安全稳定特性发生较大变化,所以深入研究风电接入下不同故障点对解列装置动作特性的影响很有必要。

在图5仿真系统中,分别在母线1(距离风电场较近为近故障点)、2(距离风电场较远为远故障点)设置三相短路故障,机组采用恒电压运行方式,仿真对比其他条件相同而两种故障位置不同时,解列装置动作时刻及火电机组功角受扰曲线,仿真结果如图8、9所示。

从图8可以看出,近故障点时解列装置的动作时刻快于远故障点。

从图9可以看出,与母线2相比,母线1故障时打捆系统火电机组功角首摆摆开的速度较快。这是因为母线1发生故障时距离风电场较近,风电机组吸收的无功功率将增加,导致该区域内无功不足,严重时使火电机组功角失稳,触发解列装置动作。可见,故障点距离风电场越近,越不利于改善系统的失步振荡特性,系统越容易失去稳定。

图8 解列装置动作时刻

图9 火电机组功角曲线(5个风电场接入)

3.4 机组类型对系统失步振荡的影响

以下分析风电机组类型对风火打捆系统失步振荡的影响,现仿真如下:

在图5风火打捆输电系统中的母线11分别接入等容量的双馈感应风电机组和恒速异步风电机组,并在母线1设置三相短路故障,故障持续时间为0.1 s。以接入5个风电场为例,仿真对比当其他条件相同而机组类型不同时,解列装置动作时刻以及火电机组功角的受扰曲线,仿真结果如图10-12所示。

图10 解列装置动作时刻

图11 火电机组功角曲线

图12 并网点电压变化

从图10-12仿真结果可以看出,不同风电机组类型对系统失步振荡的影响不同。相比于恒速风电机组,打捆系统中接入双馈机组时解列装置动作时间更为缓慢,同步机组的功角稳定性更好。这是因为双馈风电机组的转子通过背靠背变流器与电网相连,故障后能够给系统提供一定比例的无功支撑,对电压的调整能力较强,而恒速风电机组无此功能。风火打捆系统风电场接入双馈风电机组时更有利于提高系统稳定性,抑制系统的失步振荡。

4 结 论

本文分析了风电接入后系统的稳定机理,并在PSD-BPA中建立风火打捆单机无穷大系统进行仿真验证,得到如下结论:

1) 风电接入系统后,风电比例越大,系统暂态稳定性越好,越有利于抑制系统的失步振荡。

2) 故障点距离风电场较近时,不利于系统稳定运行,不利于改善系统的失步振荡特性。

3) 风电场采用双馈机组时,暂态稳定性更好,更有利于抑制系统的失步振荡。

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(责任编辑 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,硕士研究生,研究方向为新能源发电与并网。

TM614;TM712

A

2095-6843(2016)06-0471-05