風(fēng)電場(chǎng)接入的穩(wěn)態(tài)分析與暫態(tài)校正

風(fēng)電場(chǎng)接入的穩(wěn)態(tài)分析與暫態(tài)校正

0確定風(fēng)電場(chǎng)最大接入系統(tǒng)容量的方法風(fēng)電站通常位于電網(wǎng)的末端，因?yàn)殡娋W(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)很差。當(dāng)大規(guī)模風(fēng)能通過(guò)電網(wǎng)時(shí)，系統(tǒng)的趨勢(shì)分布會(huì)發(fā)生變化。本文對(duì)風(fēng)電接入電力系統(tǒng)規(guī)劃階段需要解決的首要問(wèn)題——確定給定電網(wǎng)中允許接入的風(fēng)電場(chǎng)最大容量進(jìn)行了研究。提出了一種利用穩(wěn)態(tài)分析和暫態(tài)校驗(yàn)相結(jié)合確定風(fēng)電場(chǎng)最大接入系統(tǒng)容量的方法。對(duì)某實(shí)際含風(fēng)電場(chǎng)的電力系統(tǒng)進(jìn)行仿真的結(jié)果表明:按照本文提出的方法確定的風(fēng)電接入系統(tǒng)容量可保證電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性及風(fēng)電場(chǎng)自身的穩(wěn)定性。1穩(wěn)定型分析1.1風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組功率特性計(jì)算方法分析含風(fēng)電場(chǎng)的電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性,需要以潮流計(jì)算作為分析工具。本文主要研究采用籠型異步發(fā)電機(jī)的風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)容量問(wèn)題?；\型異步發(fā)電機(jī)為固定轉(zhuǎn)速風(fēng)電機(jī)組,具有特有的功率特性,即風(fēng)電場(chǎng)節(jié)點(diǎn)的電壓和無(wú)功功率均為待求量,不能簡(jiǎn)單地設(shè)為PQ節(jié)點(diǎn)或PV節(jié)點(diǎn),因而在潮流計(jì)算中需對(duì)風(fēng)電場(chǎng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一定的處理風(fēng)電機(jī)組的功率特性曲線一般由風(fēng)機(jī)制造廠商隨風(fēng)機(jī)提供給用戶,也可以通過(guò)實(shí)測(cè)得到,在計(jì)算中可以用分段函數(shù)表示,如式(1)所示。式(1)中:v根據(jù)文獻(xiàn)[10]的研究結(jié)果知,當(dāng)籠型異步發(fā)電機(jī)有功功率已知時(shí),其吸收的無(wú)功功率是機(jī)端電壓的函數(shù),解析式為式(3)中:下標(biāo)帶i的參數(shù)分別為第i臺(tái)風(fēng)電機(jī)的參數(shù),下標(biāo)帶f的參數(shù)表示風(fēng)電場(chǎng)的參數(shù)。P、Q、v、n、n1、n2分別表示有功、由式(1)計(jì)算出的無(wú)功、風(fēng)速、節(jié)點(diǎn)數(shù)、風(fēng)電機(jī)組起始編號(hào)、風(fēng)電機(jī)組終止編號(hào)。在牛頓-拉夫遜潮流計(jì)算法中,風(fēng)電場(chǎng)的有功和無(wú)功功率按式(3)計(jì)算,潮流雅可比矩陣中風(fēng)電場(chǎng)節(jié)點(diǎn)的無(wú)功增量對(duì)電壓的偏導(dǎo)數(shù)按式(4)進(jìn)行修正:式(4)中:V1.2修正全面修訂1.2.1給定節(jié)點(diǎn)電壓初值;1.2.3由電壓初值V1.2.4根據(jù)式(4)修改雅可比矩陣中風(fēng)電機(jī)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的對(duì)角線元素;1.2.5求解修正方程,得出電壓修正量?V和?θ,并修正各點(diǎn)電壓;1.2.6校驗(yàn)是否收斂,若收斂,結(jié)束計(jì)算,否則以修正后電壓為初值,轉(zhuǎn)回第1.2.2步進(jìn)行下一步迭代。1.3風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓的計(jì)算方法當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)后,為保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)電壓水平,按上述方法對(duì)包含風(fēng)電場(chǎng)在內(nèi)的全系統(tǒng)進(jìn)行潮流計(jì)算:計(jì)算中,不斷增加風(fēng)電接入容量,在風(fēng)電場(chǎng)升壓站內(nèi)可進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償,達(dá)到控制風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓在額定電壓的-5%~+5%的目標(biāo)。從而得到能夠使并網(wǎng)電壓合格的一個(gè)最大風(fēng)電接入容量值,即為穩(wěn)態(tài)時(shí)風(fēng)電場(chǎng)最大接入容量。2暫態(tài)時(shí)風(fēng)電場(chǎng)最大容量采用電力系統(tǒng)綜合分析程序(PSASP)進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算中,不斷增加風(fēng)電接入容量,考慮系統(tǒng)受到不同的擾動(dòng)情況,觀察系統(tǒng)和風(fēng)電場(chǎng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的變化,找到能夠使系統(tǒng)和風(fēng)電場(chǎng)都保持動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的最大風(fēng)電接入容量,即為暫態(tài)時(shí)風(fēng)電場(chǎng)最大容量。2.1統(tǒng)、風(fēng)電場(chǎng)保持充分穩(wěn)定2.1.1考慮典型風(fēng)速擾動(dòng),系統(tǒng)、風(fēng)電場(chǎng)保持頻率穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定;2.1.2考慮系統(tǒng)故障方式,系統(tǒng)、風(fēng)電場(chǎng)保持頻率穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定。2.2學(xué)會(huì)糾正措施的風(fēng)速干擾和故障2.2.1矩陣干擾1正常方式下運(yùn)行于額定風(fēng)速,陣風(fēng)3s啟動(dòng),8s結(jié)束,陣風(fēng)風(fēng)速由額定風(fēng)速升高到切出風(fēng)速;2.2.2矩陣擾動(dòng)2正常方式下運(yùn)行于額定風(fēng)速,陣風(fēng)3s啟動(dòng),8s結(jié)束,陣風(fēng)風(fēng)速由額定風(fēng)速降低到切入風(fēng)速;2.2.3漸風(fēng)1正常方式下運(yùn)行于額定風(fēng)速,漸變風(fēng)2s啟動(dòng),4s風(fēng)速升至切出風(fēng)速,之后保持8s結(jié)束;2.2.4斜風(fēng)2正常方式下運(yùn)行于額定風(fēng)速,漸變風(fēng)2s啟動(dòng),4s風(fēng)速降至切入風(fēng)速,之后保持8s結(jié)束;2.2.5失敗方式13機(jī)組及其風(fēng)電場(chǎng)容量為說(shuō)明本文所提方法的可行性,下面給出實(shí)際算例進(jìn)行說(shuō)明。算例系統(tǒng)為我國(guó)某實(shí)際含風(fēng)電場(chǎng)的電力系統(tǒng)。系統(tǒng)接線如圖1所示,系統(tǒng)中有2個(gè)發(fā)電廠,其中,節(jié)點(diǎn)1為規(guī)劃建設(shè)的風(fēng)電場(chǎng),距離節(jié)點(diǎn)4約7.8km,擬投運(yùn)單機(jī)容量為750kW的新疆金風(fēng)科技出廠的S50-750kW型異步發(fā)電機(jī)組;節(jié)點(diǎn)2為系統(tǒng)等值機(jī);系統(tǒng)中現(xiàn)有110kV變電站2座,變電容量為94.5MVA,35kV公用變電站4座,變電容量18.0MVA。以下需要確定使系統(tǒng)和風(fēng)電場(chǎng)在穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)情況下都保持穩(wěn)定的風(fēng)電場(chǎng)最大接入系統(tǒng)容量。算例計(jì)算過(guò)程如下:3.1風(fēng)電場(chǎng)電壓、分辨率分析采用第2節(jié)所給出的方法進(jìn)行潮流計(jì)算。風(fēng)電場(chǎng)以35kV電壓等級(jí)接入,電壓初始水平0.97(標(biāo)么),風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償度按風(fēng)電接入容量的30%配置。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。對(duì)表1進(jìn)行分析:風(fēng)電場(chǎng)以35kV電壓等級(jí)接入系統(tǒng)后,系統(tǒng)受到的影響隨風(fēng)電場(chǎng)容量的不同而不同:風(fēng)電接入系統(tǒng)容量逐漸增加,當(dāng)達(dá)到22.5MW時(shí),系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)(圖1中節(jié)點(diǎn)4)電壓降低,升壓站主變功率因數(shù)明顯下降(0.91)。在風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償度達(dá)到30%時(shí),并網(wǎng)點(diǎn)電壓、功率因數(shù)基本可以滿足要求。風(fēng)電場(chǎng)容量為30MW時(shí),在升壓站無(wú)功補(bǔ)償度達(dá)到30%時(shí),并網(wǎng)點(diǎn)電壓、功率因數(shù)低于0.95,不滿足要求。因此,在風(fēng)電場(chǎng)升壓站無(wú)功補(bǔ)償度達(dá)到30%,系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)所能接受的最大風(fēng)電廠容量為25~30MW。3.2暫態(tài)的比較和風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)置背景1)風(fēng)電接入容量小于或等于21MW時(shí),陣風(fēng)擾動(dòng)(由額定風(fēng)速14m/s降至切入風(fēng)速4m/s)。并網(wǎng)點(diǎn)電壓動(dòng)態(tài)特性曲線見(jiàn)圖2、風(fēng)電場(chǎng)輸出特性曲線見(jiàn)圖3、系統(tǒng)穩(wěn)定性曲線見(jiàn)圖4。從圖2可見(jiàn):陣風(fēng)3秒啟動(dòng)后,并網(wǎng)點(diǎn)(圖1中節(jié)點(diǎn)4)電壓存在一定幅度的波動(dòng),8s后逐漸恢復(fù)擾動(dòng)前電壓水平,故并網(wǎng)點(diǎn)電壓穩(wěn)定;從圖3可見(jiàn):陣風(fēng)3s啟動(dòng)后,風(fēng)電場(chǎng)有功輸出急劇減少至0,6s后又逐漸增加至擾動(dòng)前水平,風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)差率在擾動(dòng)前后和擾動(dòng)期間都沒(méi)有明顯變化,故風(fēng)電場(chǎng)也是穩(wěn)定的;從圖4可見(jiàn):系統(tǒng)的頻率基本保持在額定值、系統(tǒng)機(jī)組的相對(duì)功角在擾動(dòng)期間有小幅變化,擾動(dòng)后保持不變,故系統(tǒng)是穩(wěn)定的。因此,在陣風(fēng)擾動(dòng)2方式下,風(fēng)電場(chǎng)和系統(tǒng)都能保持暫態(tài)穩(wěn)定。這三個(gè)圖給出的是風(fēng)電接入容量為21MW的情況,小于21MW的情況與之類似。2)風(fēng)電接入容量達(dá)到22.5MW,節(jié)點(diǎn)3至節(jié)點(diǎn)4之間的110kV線路故障。并網(wǎng)點(diǎn)電壓動(dòng)態(tài)特性曲線見(jiàn)圖5、風(fēng)電場(chǎng)輸出特性曲線見(jiàn)圖6、系統(tǒng)穩(wěn)定性曲線見(jiàn)圖7。從圖5可見(jiàn):節(jié)點(diǎn)3至節(jié)點(diǎn)4之間的110kV線路發(fā)生三相短路接地故障后0.12s切除故障線路,這一短暫時(shí)間內(nèi),并網(wǎng)點(diǎn)電壓急劇下降后又迅速上升,經(jīng)小幅波動(dòng)后最終穩(wěn)定在稍低于短路前的電壓水平,故并網(wǎng)點(diǎn)電壓穩(wěn)定;從圖6可見(jiàn):短路故障后風(fēng)電場(chǎng)的有功輸出不斷減少,不能恢復(fù)到擾動(dòng)前的水平或達(dá)到新的穩(wěn)定水平,風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)差率在短路故障后不斷減小,不能穩(wěn)定在某一值,因此在短路故障1方式下,風(fēng)電場(chǎng)是不穩(wěn)定的;從圖7可以看出:短路后系統(tǒng)頻率始終保持在額定值、系統(tǒng)機(jī)組的相對(duì)功角有大幅振蕩,切除故障后系統(tǒng)相對(duì)功角經(jīng)小幅波動(dòng)后達(dá)到一穩(wěn)定值,系統(tǒng)是穩(wěn)定的。因此,故障方式1時(shí),風(fēng)電場(chǎng)失去暫態(tài)穩(wěn)定、系統(tǒng)保持暫態(tài)穩(wěn)定。由暫態(tài)計(jì)算結(jié)果可知:當(dāng)風(fēng)電接入容量小于或等于21MW時(shí),系統(tǒng)和風(fēng)電場(chǎng)在風(fēng)速擾動(dòng)(漸變風(fēng)擾動(dòng)時(shí),系統(tǒng)和風(fēng)電場(chǎng)均穩(wěn)定,因篇幅有限,曲線省略)和故障時(shí)均能保持穩(wěn)定;當(dāng)風(fēng)電接入容量大于或等于22.5MW時(shí),系統(tǒng)和風(fēng)電場(chǎng)在故障方式時(shí),系統(tǒng)穩(wěn)定,風(fēng)電場(chǎng)不能保持穩(wěn)定。故暫態(tài)可接受容量為21MW。3.3穩(wěn)態(tài)可接受容量通過(guò)穩(wěn)態(tài)分析和暫態(tài)校驗(yàn),可得算例系統(tǒng)最大接納風(fēng)電能力為:穩(wěn)態(tài)可接受容量為25~30MW;暫態(tài)可接受容量為21MW。最終確定系統(tǒng)允許接入風(fēng)電場(chǎng)的最大容量取最小值為21MW,即28臺(tái)單機(jī)容量為750kW的風(fēng)電機(jī)組。4系統(tǒng)故障對(duì)風(fēng)電容量的影響對(duì)算例系統(tǒng)中風(fēng)電場(chǎng)最大接入容量的計(jì)算結(jié)果表明:潮流計(jì)算中對(duì)風(fēng)電場(chǎng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一定的處理,根據(jù)籠型異步發(fā)電機(jī)的有功功率和參數(shù)求解其無(wú)功功率,較準(zhǔn)確地反映了其無(wú)功和電壓特性。風(fēng)電接入容量受陣風(fēng)、漸變風(fēng)的影響較小,受系統(tǒng)故障的影響較大。在目前風(fēng)電規(guī)模相對(duì)系統(tǒng)裝機(jī)比例較小的情況下,系統(tǒng)故障方式是制約風(fēng)電接入容量的主要障礙。利用穩(wěn)態(tài)分析法得出的系統(tǒng)最大接受風(fēng)電容量值大于利用暫態(tài)校驗(yàn)法得出的容量值,說(shuō)明必須對(duì)穩(wěn)態(tài)計(jì)算出的結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn),將穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)的分