電力系統(tǒng)接入風電場后的暫態(tài)穩(wěn)定分析_圖文

1、電力系統(tǒng)接入風電場后的暫態(tài)穩(wěn)定分析楊琦,張建華,李衛(wèi)國(華北電力大學電力系統(tǒng)保護與動態(tài)安全監(jiān)控教育部重點實驗室,北京102206摘要:為了深入研究風電場接入電網后的暫態(tài)穩(wěn)定特性,結合風力發(fā)電機組自身的暫態(tài)特性,提出以線路臨界故障清除時間、故障時風力發(fā)電機接入母線電壓為指標,研究了發(fā)生外部三相短路故障時對電力系統(tǒng)本身和風力發(fā)電機組的影響;對比分析了在同一接入點分別接入不同容量的風電場時系統(tǒng)對應的穩(wěn)定特性和對風電場母線電壓的沖擊,以及風機接入不同的節(jié)點時對這二者的不同影響程度;討論了風電場與系統(tǒng)接入點發(fā)生故障后對各母線電壓的影響;在充分考慮了電網的靜態(tài)安全約束以及受到大擾動情況下動態(tài)安全的要求,為

2、確定風電場最佳接入系統(tǒng)容量提供了依據。關鍵詞:電力系統(tǒng);故障;暫態(tài);穩(wěn)定性;風力發(fā)電;風電機組中圖分類號:TM614文獻標志碼:A 文章編號:100326520(20090822042206基金資助項目:國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃(2008AA05Z216;高等學校學科創(chuàng)新引智計劃(111計劃(B08013。Project Supported by National High 2tech Research and Develop 2ment Program of China (863Program (2008AA05Z216;“111”Project (B08013.Analysis

3、on T ransient Stability of Integrationof Wind F arms into Pow er SystemsYAN G Qi ,ZHAN G Jian 2hua ,L I Wei 2guo(Key Laboratory of Power System Protection and Dynamic Security Monitoring and Cont rol of Minist ry of Education ,Nort h China Elect ric Power University ,Beijing 102206,China Abstract :T

4、he characteristic of transient stability investigated when wind farms were connected to the power grid.Combining with the transient characteristics of wind turbine ,taking the critical fault clearing time and the bus voltage as an indexes ,we studied the impacts on the power system and wind turbine

5、when the three short 2circuit faults occurring in the power grid.The different impacts on the stability of power system and the bus voltage were analyzed and compared on conditions that different capacity of wind farms were connected at the same point of the power grid ,as well as the varying degree

6、s of influence when wind farm was connected at different points.The im 2pact of the bus voltage was studied when the access point between the wind farm and power grid broke down.Under the premise of guaranteeing the safety of static binding of the power grid and dynamic security requirement of large

7、 disturbance cases ,it will provide the basis of the best wind power capacity connected to the power grid.K ey w ords :power system ;fault ;transient ;stability ;wind power generation ;wind turbine0引言以煤為主的礦石資源的大量消耗已經給人類生存的環(huán)境造成了極大的污染,這成為世界關注的重大問題。我國已經將太陽能和風能等可再生能源的開發(fā)和利用作為可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中重要的組成部分。風力發(fā)電作為目前最成熟、經

8、濟效益最好的一種可再生能源發(fā)電技術,伴隨著風力發(fā)電技術的快速發(fā)展和國家相關政策對可再生能源發(fā)電的支持,風力發(fā)電在電力系統(tǒng)的地位已經發(fā)生了轉變,風電場的建設現已進入了一個快速的發(fā)展時期。建設初期一般都是小型風機接入電網,其裝機容量較小,對電網影響也可忽略;但是隨著接入電網的風電場的裝機容量越來越大,風電注入電網后不僅僅將改變原有的潮流分布、線路的傳輸功率以及整個系統(tǒng)的慣量,并且由于風電機組與傳統(tǒng)同步發(fā)電機組有不同的穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)特性,因此風電接入后電網的電壓穩(wěn)定性、暫態(tài)穩(wěn)定性都會發(fā)生變化。風場接入電力系統(tǒng)后對電網的影響以及電網穩(wěn)定特性的變化情況已進行了一些研究125。文獻1主要通過在風電場進線端設定

9、短路故障,對各個變電站的電壓特性進行分析,指出了風電單元容量、故障點位置和故障持續(xù)時間是影響短路后電壓穩(wěn)定性的主要因素;文獻2通過分析了大容量風電場接入系統(tǒng)后電網的暫態(tài)穩(wěn)定特性,提出了保證風電場和電網安全穩(wěn)定運行的風電場安全容量的概念,并且探討了一些改善電網暫態(tài)穩(wěn)定水平的措施;文獻3通過在同一接入點分別接入雙饋風電機組與接入同步發(fā)電機組對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行研究,研究證明了基于雙饋風電機組的風電場對電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)2402第35卷第8期2009年8月31日高電壓技術High Voltage EngineeringVol.35No.8Aug.31,2009定的影響要好于在同一接入點接入相同容量的同

10、步發(fā)電機組;文獻4研究了恒速異步風力發(fā)電機、雙饋異步風力發(fā)電機和直驅永磁同步風力發(fā)電機組成的風電場對電網的影響,比較分析了3種風電場對電網暫態(tài)穩(wěn)定性的影響;文獻5提出了風電機組低電壓穿越能力的概念,分析了系統(tǒng)中不同的母線短路時對風電機組端電壓的影響程度。文獻6213也都從相關的角度論述了風機并網后對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。從上述的文獻中可以看出:目前在風電場接入實際大電網的安全性、穩(wěn)定性的問題上,缺乏系統(tǒng)全面的研究,現有的研究成果往往都僅針對于某個方面,本文旨在結合已有的研究成果的基礎上,能通過制定完備的研究體系,較全面的分析風力發(fā)電機并網的穩(wěn)定性問題。其主要內容包括:風力發(fā)電機并網后,三相短路故障

11、發(fā)生在不同的位置時對電網和風力發(fā)電機的影響,包括風力發(fā)電機接入點發(fā)生故障對電網的影響和外部各種系統(tǒng)故障對于風力發(fā)電機組的影響;在考慮了電網的靜態(tài)安全約束以及受到大擾動情況下動態(tài)安全的要求,為確定風電場接入系統(tǒng)容量提供依據;在風力資源基本相同的情況下,將風電場分別接入電網不同的位置中,通過對比分析風電場接入后對電網暫態(tài)穩(wěn)定性的影響,論證風電場接入點不同對對電網穩(wěn)定性的不同影響。1風力發(fā)電機以及電網模型1.1風力發(fā)電機組由于雙饋變速風電機組在電網發(fā)生短路故障后有更強的魯棒性,能夠增進電網故障后的穩(wěn)定性,維持電網必須的穩(wěn)定裕度13,這里采用雙饋感應發(fā)電機。發(fā)電機定子直接饋入電網,轉子通過功率變頻器饋

12、入電網,此類變速風電機組通過變頻器實現發(fā)電機有功、無功功率解耦控制,使風電機組具有變速運行的特性,能夠提高風電機組的風能轉換效率,實現最大風能捕獲并減小風電機組機械部件所受應力;調節(jié)改善風電場的功率因數及電壓穩(wěn)定性。其變速風電機組的動態(tài)模型主要包括:風力機的空氣動力學模型2、傳動系統(tǒng)的機械模型5、電氣元件模型11,12(包括雙饋電機模型、PWM電壓源型變流器模型以及控制系統(tǒng)模型?；谖墨I14分析可以看出,當風電場接入電網、特別是接入到電網末端時,采用不同的風電機組技術及控制方式對電網電壓的影響有很大差別。在本算例的研究計算中,風電機組模型為采用雙饋感應發(fā)電機的變速風電機組模型(見圖1。1.2

13、電網模型圖1DFIG風電機組的并網接線圖Fig.1Schem atic conf iguration of the grid2connectedwind pow er system圖2風電場接入系統(tǒng)示意圖Fig.2Schem atic of integration of wind farm圖2為我國某區(qū)域電網中220kV電網結構示意圖,風力發(fā)電機組的輸出電壓為0169kV,通過變電站升壓為10kV,這里忽略10kV網絡的電壓損耗。為了研究方便,這里假設每臺風電機組按照相同的狀態(tài)運行,因此將所有的風電機組等效為一臺等值機組。在進行對比分析時,分別將風力發(fā)電機組接入13、12號節(jié)點。2風電場接入后

14、的潮流計算及靜態(tài)電壓分析在假設該地區(qū)各臺發(fā)電機有功出力、變壓器抽頭位置及負荷水平保持不變,研究該地區(qū)電網接入不同容量的風電對電網潮流及地區(qū)電壓水平的影響。計算結果用P2V曲線(P表示接入風電場的有功功率,V表示該地區(qū)各變電站母線電壓表示,圖中U p.u.為用標么值表示的母線電壓,P為MW表示的P。圖3是接入風電場后通過潮流仿真得出的P2 V曲線,系統(tǒng)功率基準為100MW,電壓基準取為242kV。3422009年8月高電壓技術第35卷第8期風電的注入功率改變了該電網各變電站間的潮流流向和線路上傳輸功率的大小,各220kV變電站母線電壓值先升后降。當風電場出力在250MW 時,各變電站母線電壓最高

15、。當風電出力>250 MW時,各變電站母線電壓稍低。本地區(qū)的電壓水平滿足正常運行要求。3短路故障對電力系統(tǒng)的影響3.1內部線路故障對電網的影響在現有的運行方式下,在電網內220kV線路發(fā)生三相短路故障后,對電網穩(wěn)定性進行研究。這里將所有線路的三相短路故障設定在t=1s時發(fā)生,比較線路的臨界故障清除時間t CCT(CC T即critical fault clearing time。用故障切除時間長短表征電網的暫態(tài)穩(wěn)定性的強弱,以此來反映系統(tǒng)受到故障擾動后保持穩(wěn)定的能力。通過比較分析得到線路發(fā)生某次發(fā)生三相短路故障后對風機的影響以及對應時刻電網的穩(wěn)定性。這里以12節(jié)點到14節(jié)點(C處之間發(fā)生

16、三相短路故障為例,此時風電場接入功率為150MW,在t=1s時發(fā)生三相短路故障,通過計算得到線路臨界故障清除時間t CCT=01326s。如果線路發(fā)生三相短路故障后,在t=11326s 之前將故障清除,電網內所有的同步發(fā)電機組都是穩(wěn)定的。當線路三相短路故障在t=11326s之后清除,電網中部分機組就會失去穩(wěn)定。圖4為離故障點最近的火電廠2機組在兩種情況下標么值表示的有功P p.u.、無功Q p.u.、轉速n與機端電壓U p.u.(各量基準值分別為100MW、100MVA、3000r/min、20 kV變化曲線。由仿真結果可以看出,如果故障沒有及時清除將導致部分發(fā)電機組失穩(wěn)。在本算例中,離風場接

17、入點最近的火電廠2機組將首先受到影響失去同步,其余附近的火電廠機組或者失去同步(如火電廠1,而火電廠6雖然沒有失去同步,但是受到火電廠1機組失穩(wěn)的影響,導致其有功、無功持續(xù)振蕩。當電網內部線路發(fā)生三相短路故障時,對風力發(fā)電機也有一定的影響。圖5為同時刻下風力發(fā)電機在失穩(wěn)時和穩(wěn)定狀態(tài)下不同的情況(各量基準分別為1MW、1MVA、1000r/min、0.69kV。失穩(wěn)狀態(tài)條件下當風電機組不采用任何附加暫態(tài)電壓控制,故障期間風力發(fā)電機端電壓跌落幅度較大(跌落至標么值0145,轉速振蕩的幅度不斷增大,無法恢復到故障前穩(wěn)定運行的狀態(tài);整個風電場故障后需要吸收部分無功功率。風電場的電磁有功功率無法按額定送

18、出, 風電機組的不平衡轉矩導致圖3風電場P2V曲線Fig.3P2V curve of wind farm圖4火電廠發(fā)電機相關變量變化曲線Fig.4V ariables of2nd therm al pow er plant incondition of stability and instability圖5風機相關變量變化曲線Fig.5V ariables of wind turbine in condition ofstability and instability其不斷加速;風電機組將會一直加速,最終會引起機端電壓及地區(qū)電網的電壓崩潰。采用雙饋電機的變速風電機組在系統(tǒng)故障期間其電磁力矩和原

19、動力矩并不平衡,風電機組會加速,其中部分不平衡的能量將暫時儲存在風電機組葉片442Aug.2009HighVoltageEngineering Vol.35No.8和軸系加速旋轉的動能中,這部分暫存的能量會降低風電出力波動對電網的沖擊。風電機組與電網之間是一個柔性的耦合,所以適當接入一定數量風電,電網的暫態(tài)穩(wěn)定性會有一定的改善。這樣風力發(fā)電機接入容量的大小必然跟接入系統(tǒng)的臨界故障清除時間有密切的關系,而當風機接入不同的位置,發(fā)生故障后,電網穩(wěn)定的穩(wěn)定性也是不同的3。同時,當電網側發(fā)生故障時使風力發(fā)電機組的端電壓降低很多,風電場本身的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性無法保證,通常都采用切除風電機組的措施來保證風電

20、場及電網的安全。而國外部分電網公司的要求風電機組在并網時,必須具有低電壓穿越能力(low voltage ride2 though,LVRT,故障時風力發(fā)電機組最低電壓值將作為風電機組LVRT能力的最低電壓限值要求。結合以上分析可以得知電網的臨界故障清除時間跟風機接入的容量有密切的關系,而不同的故障位置15,16對于風力發(fā)電機的影響也是不同的。通過上述分析,將風電場分別接入13節(jié)點(風電場A、12節(jié)點(風電場B處,依然在12節(jié)點到14節(jié)點之間(故障點C設置三相短路故障,故障發(fā)生時間為t=1s。線路臨界故障清除時間、故障時風力發(fā)電機母線電壓、以及接入風場容量三者關系如圖6、7所示。從上述計算結果

21、可以看出,在相同的計算條件下,不同容量的風電場接入到電網,對電網暫態(tài)穩(wěn)定性有不同的改變。本算例條件下,在接入的風機功率180MW范圍內,隨著風力發(fā)電機容量的增大,線路的臨界故障清除時間隨著逐步增長,意味著電網的穩(wěn)定性能伴隨著有所增強(線路故障極限切除時間從01326s增加到01338s,此時如果發(fā)生電壓失穩(wěn)是由于電網內同步機組功角穩(wěn)定首先失去,地區(qū)電網失去無功電壓支撐能力而導致風電場的機組超速,機端電壓無法重建,風電場電壓崩潰,但當接入功率達到200MW后,線路的臨界故障清除時間反而有所減少,電網的穩(wěn)定性反而有所減弱。同時風力發(fā)電量在所在電網中發(fā)電比重的不同,導致在相同的故障條件下,母線故障對

22、風電機組的影響程度也有所不同,<200MW時隨著接入風電容量的增加,風電場自我調整的能力有所增強,適當的提高了風電機組L V R T的電壓限值,所以故障發(fā)生時風力發(fā)電機母線電壓的降落值隨之減少,而當>200MW時,由于風力發(fā)電機組的接入已經使得電網的穩(wěn)定有所減弱,而再發(fā)生線路三相短路故障,必然會加速系統(tǒng)的失穩(wěn)。同時可以看出在13、12兩種不同的接入點的情況下,系統(tǒng)的穩(wěn)定性和線路故障對風力發(fā)電機組的影響程度也不同, 在相同圖6風電場A接入后相關變量關系圖Fig.6R elationship of variables when windfarm A connected圖7風電場B接入后

23、相關變量關系圖Fig.7R elationship of variables when windfarm B connected的風電容量接入電網的情形下,無論是電網的穩(wěn)定性還是故障發(fā)生后對風力發(fā)電機組的影響程度,12點都要強于13點,這是因為12點所接入的220kV 變電站屬于強聯絡點,與火電廠1、2以及火電廠6的聯系比13點接入要強,當故障時,風力發(fā)電機組和火電廠1、2、6的機組能較好的調整,來平衡因為故障導致的電壓降落。接入強壯的節(jié)點時,可以提供足夠的無功功率,并網風電場的電壓穩(wěn)定性也能夠保證。在本算例條件下,因為的電網的結構較為強壯,而且13、12兩點的接入點都較為合理,因此無論是13

24、點接入還是12點接入,在風電場接入功率<180MW時,線路故障極限切除時間較長表明風電場電壓穩(wěn)定性較強。3.2風力發(fā)電機組接入點故障對電網的影響在150MW風電場(風電場A、風電場B分別與電網連接處(12、13節(jié)點處發(fā)生三相短路故障,故障持續(xù)時間分別設為1、2、3s,仿真持續(xù)時間為10s,仿真結果(以1s為例如圖8所示。5422009年8月高電壓技術第35卷第8期 圖8故障后各節(jié)點母線電壓Fig.8V oltage of all nodes in condition of false在風電場接入點發(fā)生短路故障過程中各220 kV母線電壓在故障發(fā)生的瞬間均都迅速下降,風電場快速切除。根據安

25、全穩(wěn)定的標準:電網在暫態(tài)過程中各母線電壓(包括風電場220kV變電站接入母線電壓<0.75(標么值的時間1s等條件進行判斷2,電網處于穩(wěn)定狀態(tài)。故障持續(xù)時間1、3s 各變電站母線電壓變化曲線類似于2s時刻?？梢缘玫?在接入150MW風機功率條件下,風力發(fā)電機的接入點的故障會引起所接電網中各母線電壓的急劇下降,但是并沒有造成電網的失穩(wěn)。其中風電場接入點所在220kV變電站(13號變化最大,母線最低電壓值為0.785。在故障結束后,母線電壓均能恢復至正常水平。各節(jié)點的轉速差、轉子轉速、風機功率和電壓都逐步回復了正常。同樣,風電場在13、12兩點分別接入時,對節(jié)點的影響也不同,雖然接入13、1

26、2兩點發(fā)生接入點三相故障后都沒有破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性,但是由于12點與多個節(jié)點的強聯絡,必然使得這些節(jié)點受到的影響程度和受到影響的范圍不同與13點接入方式,1、16、11節(jié)點母線的降落都要低于13節(jié)點接入方式,而這些節(jié)點母線電壓的恢復時間短于13節(jié)點。4結論a風電場并網運行的電壓穩(wěn)定性,不僅僅與風電機組的特性有關,同時也與電網有密切關系,若電網足夠強壯,可以提供足夠的無功功率,并網風電場的電壓穩(wěn)定性也能夠保證。b對于網架結構較強的電網而言,接入風力發(fā)電機組后,其暫態(tài)穩(wěn)定性不僅僅跟接入風電容量的大小、故障的位置有關系、還跟風電場接入點的位置有關,對于強聯系的接入點,接入風力發(fā)電機組后比較于其它點,可

27、能接入電網后穩(wěn)定性更強,這跟電網的結構有密不可分的關系。c對于網架結構較強以及風電機組接入位置較為合理的情形下,在較短的時間內發(fā)生線路三項短路故障后對風電機組的端電壓的影響較小,但是風力發(fā)電機組在不同的節(jié)點接入,受到短路故障的影響程度也是不同的,因此對風電機組的L VR T的能力要求也有所不同。參考文獻1林莉,孫才新,王永平,等.大容量風電場接入后電網電壓穩(wěn)定性的計算分析與控制策略J.電網技術,2008,32(3:41246.L IN Li,SUN Cai2xin,WAN G Y ong2ping,et al.Calculation a2 nalysis and control strateg

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