風電水電互補電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與計算

風電一一水電互補電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與計算摘要本文介紹了含風力發(fā)電的風電一水電互補電力系統(tǒng)如何處理風力發(fā)電參數(shù)，進行穩(wěn)定性分析與計算的方法，并結(jié)合新疆阿勒泰地區(qū)布爾津風電一水電互補電力系統(tǒng)計算實例驗證其方法的正確性及可行性。引言近年來，由于當代科學技術(shù)的發(fā)展，加之能源短缺和環(huán)境保護等方面的影響，人類正在致力于尋找可再生的，取之不盡，用之不竭又是潔凈的綠色能源，而水能與風能是綠色能源中最有發(fā)展?jié)摿颓熬暗钠贩N。同時水能與風能又都容易轉(zhuǎn)化為能源的更高級形式一電能，其經(jīng)濟效益顯著。由于風力資源的隨機性和季節(jié)性使風力發(fā)電的出力不平穩(wěn)，風力發(fā)電不具備有功調(diào)節(jié)和無功調(diào)節(jié)的能力。風電的缺點也就是無風就無電，影響到風電的連續(xù)及穩(wěn)定性。為了解決風電的連續(xù)性和穩(wěn)定性問題就需要有一個互補系統(tǒng)。在我國西北、華北、東北等內(nèi)陸風區(qū)，風資源的季節(jié)分布特色大多為冬春季風大、夏秋季風小，與水能資源夏秋季豐水、冬春季枯水的季節(jié)分布正好形成互補特性，這是構(gòu)建風能一水能互補系統(tǒng)的基礎(chǔ)條件。如果在上述地區(qū)內(nèi)，以帶有蓄水調(diào)節(jié)水庫的水電站為依托，在風資源豐富的地點建設(shè)適當容量的風電場，兩者以電網(wǎng)連接實現(xiàn)季節(jié)性能量互補，以水庫做為能源調(diào)劑手段，就能夠?qū)崿F(xiàn)風能與水能這兩種最佳綠色能源的聯(lián)姻，充分發(fā)揮綠色能源的優(yōu)勢，以風一水聯(lián)手供電取代傳統(tǒng)的水一火聯(lián)合供電，這將是人類能源利用形式的歷史性突破。由于阿勒泰地區(qū)的風資源和水資源具有極強的互補性，更由于阿勒泰地區(qū)具有較大的水電裝機容量，而且其中有三個電站帶有庫容可觀的調(diào)節(jié)水庫，因此在該地區(qū)突破傳統(tǒng)限制，在風電裝機大大超出電網(wǎng)容量10%的條件下建設(shè)水電一風電互補系統(tǒng)，在技術(shù)上和經(jīng)濟上都是可行的。在我國類似阿勒泰那樣資源條件的地區(qū)還有很多，都可以構(gòu)建水電一風電互補系統(tǒng)解決供電問題，這將是對現(xiàn)有禁區(qū)的重要突破，有可能為阿勒泰及有類似條件地區(qū)的電源建設(shè)找到一條最為多快好省的途徑。1問題的提出二3在電力系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的發(fā)電方式為水力發(fā)電和火力發(fā)電，一般均為同步電機。目前，風力發(fā)電這一新成員加入電網(wǎng)，一般都采用電容勵磁感應(yīng)異步發(fā)電機。使其分析計算復(fù)雜化。風電的加入使電網(wǎng)的穩(wěn)定性受到影響。對風力發(fā)電機如何給定運行條件，如何建立數(shù)學模型、如何確定參數(shù)，是進行含風力發(fā)電的風電一水電互補電力系統(tǒng)靜態(tài)和暫態(tài)及動態(tài)穩(wěn)定性分析和計算的關(guān)鍵。本文介紹了含風力發(fā)電的風電一水電互補電力系統(tǒng)如何處理風力發(fā)電參數(shù)，進行穩(wěn)定計算的方法。2風力發(fā)電機的處理電力系統(tǒng)是由發(fā)電廠、輸電網(wǎng)絡(luò)及電力負荷三大部分組成的能量生產(chǎn)、傳輸和使用系統(tǒng)。在過去的幾十年間，同步發(fā)電機（水輪發(fā)電機或7^輪發(fā)電機卜輸電網(wǎng)絡(luò)及負荷的穩(wěn)定計算已經(jīng)成熟。只有風力發(fā)電技術(shù)在國內(nèi)外都屬于研究階段，建立適合潮流計算、暫穩(wěn)、動穩(wěn)和靜穩(wěn)計算的風機數(shù)學模型的有關(guān)文獻不多，大家都在各抒其見。為此作者提出一種風力發(fā)電機處理方法。從風機發(fā)電原理可知，當風機并網(wǎng)運行時，所發(fā)有功功率的大小只與風速有關(guān)，而與負荷變化無關(guān)。當電網(wǎng)電壓、有功功率和無功功率變化時，只能由電網(wǎng)的同步發(fā)電機所配勵磁系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)。異步發(fā)電機所配的氣動設(shè)備和能量傳遞裝置是不參與調(diào)節(jié)的。因此風力發(fā)電機整體是一個像負荷一樣的干擾源，隨風速變化而干擾電網(wǎng)電壓的恒定和功率的平衡，使其波動。因此，在電力系統(tǒng)中，水火同步發(fā)電機，勵磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)，風力異步發(fā)電機、負荷及電力網(wǎng)絡(luò)組合成一個整體數(shù)學模型，如圖1所示。框圖中水力發(fā)電機和火力發(fā)電機是被控對象，勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)是控制器，輸電線路和變壓器用電阻、電容、電感等值電路來模擬，風力發(fā)電機和負荷相當于干擾源，當系統(tǒng)遭受到小擾動時，如負荷的變化、風速的變化，使風力發(fā)電機發(fā)出的電能忽多忽少，同步發(fā)電機端口處的參數(shù)發(fā)生改變，通過檢測反饋環(huán)節(jié)與希望值比較產(chǎn)生偏差，水電、火電勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)及調(diào)速系統(tǒng)迅速調(diào)節(jié)，使得端口參數(shù)維持穩(wěn)定，實現(xiàn)穩(wěn)定供電。當系統(tǒng)遭受到大干擾，如風速過高或過低，風力發(fā)電機的控制器動作，使全部風力發(fā)電機從網(wǎng)上切除，同步發(fā)電機端口處的參數(shù)將發(fā)生大的改變，水電、火電勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)及調(diào)速系統(tǒng)也應(yīng)迅速調(diào)節(jié)，使得端口參數(shù)維持穩(wěn)定，實現(xiàn)穩(wěn)定供電。若風機容量太大，將使系統(tǒng)瓦解，損失慘重，在實際運行中是不允許的。在電力系統(tǒng)遭受擾動后的暫態(tài)過程中，風力異步發(fā)電機的電壓和頻率將不斷發(fā)生變化。所發(fā)出的功率也將隨之改變。因此，異步發(fā)電機按其原理可從恒定阻抗、電磁暫態(tài)、機電暫態(tài)和機械暫態(tài)及靜特性角度建立靜態(tài)和動態(tài)模型。3風力發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學模型的建立與仿真3．1潮流計算用模型。TOC\o"1-5"\h\z在電力系統(tǒng)潮流計算中，風力發(fā)電機為異步發(fā)電機，吸收無功功率，發(fā)出有功功率，S—P?jQ，其特性類似于負荷，節(jié)點功率隨電壓和頻率變化不可調(diào)。不同的是負荷既吸收無功功率也吸收有功功率，S~P—jQ。因此含風力發(fā)電機的節(jié)點相當于PQ節(jié)點，按潮流計算中PQ節(jié)點處理參加迭代計算，為了用戶方便，我們編制的潮流計算程序只需用戶輸入正值的P和Q由計算機自動添加負號。對風力發(fā)電機的PQ節(jié)點來說，P-Q,是給定的，可列出功率方程為：3．恒定阻抗模型風力異步發(fā)電機若只考慮功率隨電壓變化的特性，則最簡單的特性模擬方法是采用恒定阻抗。即根據(jù)正常運行方式下風力異步發(fā)電機的出口端電壓Vr。和功率st。=一PmjQ??用下式求出恒定阻抗：3．電磁及機電暫態(tài)模型對于異步發(fā)電機，通過一些基本假定，可以列出其abc坐標系下的基本方程，然后，通過Park變換將其轉(zhuǎn)換到（以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的）dqo坐標系。風力發(fā)電機按定子繞組電壓平衡方程和轉(zhuǎn)子繞組電磁暫態(tài)方程和轉(zhuǎn)子運動方程可得一組非線性方程，在各個運行參數(shù)穩(wěn)態(tài)值附近線性化后其狀態(tài)方程如下：．4機械暫態(tài)模型在上述機電暫態(tài)模型基礎(chǔ)上，進一步忽略轉(zhuǎn)子暫態(tài)，即忽略所有電磁暫態(tài)，只考慮機械暫態(tài)過程中滑差變化的影響，即可得機械暫態(tài)模型。即滑差變化時T型等值電路的等值阻抗值為：(1)根據(jù)自動控制理論的穩(wěn)定性判據(jù)，即一個連續(xù)系統(tǒng)的所有極點都位于左半S平面(狀態(tài)方程的根都具有負實部)，則該系統(tǒng)是穩(wěn)定的，該線性化數(shù)學模型的狀態(tài)方程的特征根為：所以該系統(tǒng)是穩(wěn)定的。(2)風電系統(tǒng)風速為隨機輸入(由于實際風速也是隨機的)，其仿真曲線圖4?圖6與實際單臺風力發(fā)電機的出力曲線(實測)很相似。風速大其出力也大，風速小其出力也小。可見風速對風力機的性能有非常大的影響，風速是系統(tǒng)的主要擾動源。電網(wǎng)電流擾動對系統(tǒng)的影響相對來說較小。水力發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學模型電力系統(tǒng)穩(wěn)定計算中采用的同步電機數(shù)學模型，包括轉(zhuǎn)子運動方程、電流電壓方程以及電磁暫態(tài)過程方程三部分。勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)數(shù)學模型考慮可控硅調(diào)節(jié)器的勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)、復(fù)式勵磁裝置及相位復(fù)式勵磁裝置三種。原動機及調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學模型考慮汽輪機調(diào)速系統(tǒng)和水輪機調(diào)速系統(tǒng)兩種。(上述模型略)風力發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定計算‘根據(jù)以上分析原理，我們應(yīng)用高級計算機語言編制的程序?qū)π陆⒗仗┑貐^(qū)布爾津縣風電水電聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進行了潮流、靜穩(wěn)及暫穩(wěn)計算。布爾津電網(wǎng)目前主要由托洪臺水電站供電，裝機2X20001X2500:6500千瓦。電站建于布爾津河上，有一個庫容8060萬立方米、可調(diào)庫容為5794萬立方米的調(diào)節(jié)水庫。同時已建成運行有7X150=1050千瓦的風電場與水電并網(wǎng)運行。布爾津電網(wǎng)1、2號發(fā)電機均為2000千瓦水輪發(fā)電機，這兩臺水輪發(fā)電機并聯(lián)后接升壓變壓器向網(wǎng)上送電。3號發(fā)電機為2500千瓦水輪發(fā)電機，該發(fā)電機直接與升壓變壓器聯(lián)接向網(wǎng)上送電。同步發(fā)電機所配勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)為可控硅型。所配頻率調(diào)速系統(tǒng)為水輪機調(diào)速器。4?10號發(fā)電機為風力發(fā)電機。電網(wǎng)共18個節(jié)點，19條支路，其具體參數(shù)略。5．1潮流計算結(jié)果風力發(fā)電機的節(jié)點號為4號。有功功率P顯示為正值，無功功率Q顯示為負值。由(1)式參與潮流迭代計算。在潮流計算結(jié)果輸出時，為了直觀，將有功功率輸出值列在發(fā)電機發(fā)出功率一欄，而將無功功率輸出值列在負荷吸收功率一欄。如圖7所示。4號節(jié)點的有功功率在發(fā)電功率欄，無功功率在負荷功率欄。5．2暫穩(wěn)計算結(jié)果暫態(tài)穩(wěn)定的計算中，由于暫態(tài)過程在2秒以內(nèi)，水、火同步發(fā)電機不考慮原動機和調(diào)速系統(tǒng)的作用，也忽略勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)的影響而假定同步發(fā)電機暫態(tài)電勢保持不變；而風力異步發(fā)電機在穩(wěn)定計算中類似于負荷，按隨機干擾源來處理。因此風力發(fā)《機應(yīng)用異步發(fā)電機機械暫態(tài)過程原理確定數(shù)學模型，負荷采用恒定阻抗模擬，采用改進歐拉法來求解水、火同步發(fā)電機和結(jié)果分析以1號發(fā)電機作為參考軸，則3號發(fā)電機與1號發(fā)電機之間相對角度為d。?S。，畫出此相對角度在。秒到3秒時間內(nèi)的變化曲線如圖8所示。(1)針對布爾津風水互補電網(wǎng)，風電占布爾津縣總裝機容量的12．5％，系統(tǒng)不計勵磁和調(diào)速系統(tǒng)作用，是暫態(tài)穩(wěn)定的。(2)布爾津風水互補電網(wǎng)風電裝機超過10%,系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定，那么風電比例是否可以增加，其最佳裝機比例應(yīng)為多少，有待進一步研究分析。(3)暫態(tài)過程超過2秒以后為動態(tài)穩(wěn)定計算，需計及勵磁和調(diào)速系統(tǒng)作用，同步發(fā)電機暫態(tài)電勢E'不恒定，需增加6階微分方程，風力異步發(fā)電機也應(yīng)采用電磁暫態(tài)模型，此時風電系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性有待進一步分析。(4)本程序為風電系統(tǒng)在遭受擾動1?2秒內(nèi)忽略勵磁和調(diào)速系統(tǒng)作用的暫態(tài)穩(wěn)定計算程序，對任何風電系統(tǒng)具有通用性，因此可廣泛應(yīng)用于風電系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性分析。(5)布爾津電網(wǎng)只是一個算例，其風電裝機比例超過10%仍是暫態(tài)穩(wěn)定的，在其它風電系統(tǒng)是否通用，還需大量算例加以考證。5.3靜穩(wěn)計算結(jié)果a.不計勵磁及調(diào)速系統(tǒng)同步發(fā)電機按某一內(nèi)電勢保持恒定來模擬，不計其電磁暫態(tài)過程和勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)作用，不考慮原動機調(diào)速系統(tǒng)的影響，負荷和風力發(fā)電機按恒定阻抗計算，應(yīng)用小振蕩法原理及勞斯穩(wěn)定判據(jù)判穩(wěn)原理進行穩(wěn)定計算。靜穩(wěn)計算結(jié)果如圖9所示。結(jié)果分析結(jié)論：由以上計算結(jié)果可知系統(tǒng)是靜態(tài)穩(wěn)定的。分析：(1)每臺發(fā)電機有和S兩階模型；含三臺水輪發(fā)電機的系統(tǒng)數(shù)學模型應(yīng)是6階。按Pz=入彳#3階特征方程，可求出3個特征根，要使系統(tǒng)穩(wěn)定。據(jù)原理分析應(yīng)有一個零根，2個負根，勞斯陣列第一列應(yīng)有3個正值元素。(2)表1是勞斯穩(wěn)定判據(jù)中第一列的系數(shù)，從表1可知4個元素均為正值。按勞斯穩(wěn)定判據(jù)原理判定系統(tǒng)是穩(wěn)定的。(3)表2為狀態(tài)方程特征根值。從表2可知：三個特征根有一個零根，有二個實部為負值的特征根。按小振蕩法原理判定系統(tǒng)是穩(wěn)定的。(4)由于本例系統(tǒng)中3臺水輪發(fā)電機不計勵磁、不計調(diào)速器作用，在此假設(shè)下進行的靜態(tài)穩(wěn)定計算，其特征根為兩個負實根入，據(jù)式P。=入，則P的值為共軻虛根，說明系統(tǒng)等幅振蕩，在實際運行中系統(tǒng)出現(xiàn)小擾動后，水輪機的勵磁、調(diào)速系統(tǒng)將進行調(diào)節(jié)，此時特征根可能向負實軸偏移，并可能出現(xiàn)衰減振蕩，并有一定的穩(wěn)定儲備，系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定特性得到改善。b.計勵磁及調(diào)速系統(tǒng)同步發(fā)電機兩臺按普通機來模擬，不計其電磁暫態(tài)過程和勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)作用，不考慮原動機調(diào)速系統(tǒng)的影響，另一臺按特種機來模擬，計其電磁暫態(tài)過程和勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)作用?？紤]原動機調(diào)速系統(tǒng)的影響。風力發(fā)電機按隨機靜特性模擬，負荷按恒定阻抗計算，應(yīng)用小振蕩法原理進行穩(wěn)定計算?；治觯?1)布爾津電網(wǎng)三臺水力同步