含雙饋風(fēng)電場的受端系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性評估

含雙饋風(fēng)電場的受端系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性評估

0含風(fēng)電場暫態(tài)電壓穩(wěn)定性評估指標(biāo)從傳輸輸送電源的角度來看，電網(wǎng)可分為三個部分：傳輸系統(tǒng)、背壓系統(tǒng)和傳輸網(wǎng)絡(luò)。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,許多大城市電網(wǎng)逐漸出現(xiàn)了典型受端系統(tǒng)的特征。受端系統(tǒng)內(nèi)負(fù)荷大于電源,對外來電力依賴程度高,大量的電能需要遠(yuǎn)距離傳輸,電網(wǎng)輸電、供電壓力大。而受端電網(wǎng)自身結(jié)構(gòu)又相對薄弱,缺乏強(qiáng)有力的電壓支撐,較易出現(xiàn)電壓失穩(wěn)事故。風(fēng)力發(fā)電固有的弊端也會導(dǎo)致電壓不穩(wěn)定或電壓崩潰。因此,對含風(fēng)電場的受端系統(tǒng)進(jìn)行暫態(tài)電壓穩(wěn)定評估,分析影響系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的因素有著重要的意義。目前已有眾多學(xué)者對風(fēng)電場接入系統(tǒng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性進(jìn)行了深入研究為了深入研究風(fēng)電場接入受端系統(tǒng)后的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性,本文提出以電壓嚴(yán)重度和線路故障極限切除時間為指標(biāo),對含雙饋風(fēng)電場的受端系統(tǒng)進(jìn)行暫態(tài)電壓穩(wěn)定性評估。文中將重點(diǎn)考慮風(fēng)速擾動和故障擾動的因素,研究系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性與故障點(diǎn)位置、風(fēng)電穿透率之間的關(guān)系,并量化系統(tǒng)在不同故障情況下的暫態(tài)電壓失穩(wěn)風(fēng)險。1風(fēng)能發(fā)電模型1.1generator結(jié)構(gòu)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)(Doubly-FedInductionGenerator,DFIG)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。DFIG的定子繞組直接與電網(wǎng)相連,轉(zhuǎn)子繞組通過背靠背變流器與電網(wǎng)連接,通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁電流可實(shí)現(xiàn)有功功率和無功功率的解耦控制1.2風(fēng)力機(jī)的輸出模型風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的有功功率隨風(fēng)速的變化而變化,有功功率輸出方程為式中:P2受端系統(tǒng)側(cè)無功電壓變化采取適當(dāng)?shù)目刂拼胧?可使DFIG運(yùn)行在單位功率因數(shù)狀態(tài)。在單位功率因數(shù)狀態(tài)下,風(fēng)電場出口處的無功功率為0,與電網(wǎng)不進(jìn)行無功的交換,風(fēng)電機(jī)組基本不消耗無功。但風(fēng)電場向受端系統(tǒng)輸出有功功率時,線路上將需求一定的無功,這會造成風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)的電壓偏低,若系統(tǒng)中無功不足,該地區(qū)電壓將嚴(yán)重下降,甚至導(dǎo)致電壓崩潰。雙饋風(fēng)電場接入受端電網(wǎng)的等效示意圖如圖2所示。圖2中,S將式中:線路電壓降落的縱分量為線路電壓降落的橫分量為實(shí)際中,往往可以忽略線路電壓降落的橫向分量由于電力網(wǎng)絡(luò)中X遠(yuǎn)大于R,可以近似認(rèn)為Q即風(fēng)電場的機(jī)端電壓低于受端系統(tǒng)側(cè)的電壓。風(fēng)電場出力時,線路上的無功變化分為兩部分,一部分為線路電抗上的無功變化,如式(8)。另一部分為線路電納上的無功變化,風(fēng)電場側(cè)為受端電網(wǎng)側(cè)為可見,隨著風(fēng)電場出力的增加,線路上的3短期電壓穩(wěn)定性評價指標(biāo)3.1嚴(yán)重度指標(biāo)為分析陣風(fēng)擾動情況對暫態(tài)電壓穩(wěn)定的影響,定義電壓穩(wěn)定的嚴(yán)重度指標(biāo)的定義參考了國家電網(wǎng)關(guān)于電壓失穩(wěn)實(shí)用判據(jù)的規(guī)定,從降落時間和幅值出發(fā),表明擾動后系統(tǒng)電壓的持續(xù)跌落過程,即當(dāng)3.2暫態(tài)擾動下的cct故障極限切除時間(CriticalClearingTime,CCT)是衡量暫態(tài)電壓穩(wěn)定裕度的重要指標(biāo),是指在系統(tǒng)發(fā)生故障后,為保證暫態(tài)穩(wěn)定故障切除的最大時間。CCT越長,風(fēng)電場所在電網(wǎng)能承受的暫態(tài)擾動時間越長;CCT越短,系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定裕度越小,當(dāng)故障持續(xù)的時間超過CCT時,系統(tǒng)電壓會不斷振蕩直至崩潰。計(jì)算系統(tǒng)各擾動情況下的CCT是系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性評估的關(guān)鍵和核心。對于系統(tǒng)的某個運(yùn)行方式和受擾序列,一般采用二分法搜索此擾動序列下系統(tǒng)的CCT,其基本的原理如圖3所示。用二分法進(jìn)行搜索時需先設(shè)定最大故障臨界切除時間CCT3.3暫態(tài)穩(wěn)定性風(fēng)險ct為量化各擾動因素對系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響程度,基于CCT定義系統(tǒng)在某運(yùn)行方式和擾動下的暫態(tài)穩(wěn)定概率和失穩(wěn)風(fēng)險。電力系統(tǒng)繼保裝置歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,故障切除時間的概率密度函數(shù)服從中心為uf06d,偏差為uf064的正態(tài)分布4暫態(tài)電壓穩(wěn)定性指標(biāo)uf063v基于電壓嚴(yán)重度指標(biāo)和故障極限切除時間的含風(fēng)電場的受端系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定評估流程圖如圖4所示,具體步驟如下:(1)選擇進(jìn)行評估的典型受端系統(tǒng),確定系統(tǒng)的初始運(yùn)行狀態(tài),包括系統(tǒng)潮流的計(jì)算及發(fā)電機(jī)和負(fù)荷有功無功的分布。(2)對所選受端系統(tǒng),確定要模擬的擾動類型。針對風(fēng)速擾動,設(shè)定不同強(qiáng)度的陣風(fēng)擾動;針對故障擾動,選擇故障線路以及故障點(diǎn)的位置和類型。(3)在風(fēng)速擾動下,計(jì)算系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的電壓嚴(yán)重度指標(biāo)uf064V;在故障擾動下,用二分法搜索系統(tǒng)在不同故障條件下的極限切除時間CCT,并計(jì)算系統(tǒng)的暫態(tài)失穩(wěn)風(fēng)險。(4)統(tǒng)計(jì)不同情況下,系統(tǒng)的兩個暫態(tài)電壓穩(wěn)定性指標(biāo)。并以所得指標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn),對含雙饋風(fēng)電場的受端系統(tǒng)進(jìn)行暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的評估。5模擬與分析算術(shù)示例5.1含風(fēng)電場對端系統(tǒng)的仿真模型圖5給出了一個典型的受端系統(tǒng)本文采用DIgSILENT/PowerFactory軟件進(jìn)行時域仿真分析。以圖5所示的含風(fēng)電場的受端系統(tǒng)為例,建立雙饋風(fēng)電場及其接入受端系統(tǒng)的仿真模型。雙饋風(fēng)電機(jī)組經(jīng)箱變升壓至115kV,再經(jīng)變壓器T2接入500kV輸電網(wǎng),系統(tǒng)中兩區(qū)域間的單條輸電線路每公里的阻抗和電納分別設(shè)定為(0.0262(10)j0.290)uf057和3.956μs。5.2陣風(fēng)擾動時系統(tǒng)的暫態(tài)不同的風(fēng)速會使雙饋風(fēng)電機(jī)組處于不同的運(yùn)行點(diǎn),當(dāng)風(fēng)電場容量較大時,風(fēng)速的變化同樣會導(dǎo)致系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性受到影響。設(shè)定受端區(qū)域中風(fēng)電場的裝機(jī)容量為600MW,初始風(fēng)速為12m/s。在t=2s時疊加三種不同強(qiáng)度的陣風(fēng)擾動:陣風(fēng)1的強(qiáng)度為3m/s、陣風(fēng)2的強(qiáng)度為7m/s、陣風(fēng)3的強(qiáng)度為15m/s,三種陣風(fēng)的持續(xù)時間均為3s。系統(tǒng)中電壓穩(wěn)定性較差的前5條母線在不同陣風(fēng)擾動下的電壓嚴(yán)重度指標(biāo)如表1所示。由表1可見,在風(fēng)速擾動下,電壓穩(wěn)定性較差的母線均位于受端區(qū)域內(nèi),這是由于該區(qū)域負(fù)荷較重,且接入了有功出力跟風(fēng)速密切相關(guān)的風(fēng)電場。隨著陣風(fēng)強(qiáng)度的增加,受端區(qū)域母線的電壓嚴(yán)重度指標(biāo)有增大的趨勢。在陣風(fēng)3的擾動下,受端區(qū)域的電壓穩(wěn)定性最差,這是由于高強(qiáng)度的陣風(fēng)擾動會使風(fēng)電場的風(fēng)速急劇增加,風(fēng)速過大將引起風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速持續(xù)增加,風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速保護(hù)動作而切機(jī),切機(jī)致使系統(tǒng)的有功出力嚴(yán)重不足,受端區(qū)域支持負(fù)荷的能力變?nèi)?靠近負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的母線Bus7電壓穩(wěn)定性差,而遠(yuǎn)離電源負(fù)荷較重的母線Bus10和Bus9電壓嚴(yán)重度指標(biāo)超過限值1,出現(xiàn)電壓暫態(tài)失穩(wěn)。5.3在失敗擾動期間，系統(tǒng)的暫時電壓穩(wěn)定評估5.3.1系統(tǒng)故障下cct的變化規(guī)律當(dāng)雙饋風(fēng)電場運(yùn)行在額定風(fēng)速條件下,且處于單位功率因數(shù)控制時,送端區(qū)域和受端區(qū)域之間的聯(lián)絡(luò)線發(fā)生故障擾動時,對圖5所示系統(tǒng)進(jìn)行暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的評估。本文設(shè)定兩區(qū)域之間的1條輸電線路在某時刻發(fā)生三相短路故障,研究系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性與故障點(diǎn)的位置和受端區(qū)域中風(fēng)電穿透率之間的關(guān)系。在圖5所示的系統(tǒng)中,用故障點(diǎn)距送端區(qū)域母線Bus5的距離和線路總長度的比值表示故障點(diǎn)的具體位置,故障點(diǎn)設(shè)定在輸電線路的9個位置上,每隔10%的距離設(shè)定一個故障點(diǎn)。受端區(qū)域包含一臺同步發(fā)電機(jī)和一個雙饋風(fēng)電場,兩者共有1100MW的出力,通過不斷增加風(fēng)電場出力,相應(yīng)減少同步發(fā)電機(jī)出力,來提高受端區(qū)域中的風(fēng)電穿透率(WindPenetrationLevel,PL),如表2所示。下面針對不同情形,以系統(tǒng)的CCT為指標(biāo),來定性分析系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響因素。系統(tǒng)的臨界故障切除時間CCT與故障點(diǎn)位置L%和風(fēng)電穿透率PL%的關(guān)系曲面圖如圖6所示。圖6表明,在不同故障點(diǎn)位置和風(fēng)電穿透率下,系統(tǒng)的臨界故障切除時間均在0s和2.5s之間。為直觀研究各量對系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響,作出風(fēng)電場不同運(yùn)行工況下系統(tǒng)CCT的曲線圖,如圖7所示。Case1表示受端區(qū)域無風(fēng)電場的情況,即用同步發(fā)電機(jī)代替同等容量的雙饋風(fēng)電場,此時PL%=0%。Case2到case6分別代表PL%從18.2%變化到54.5%的工況。Case7表示PL%=54.5%,且故障情形為5條輸電線路中有2條線路在相同位置同時發(fā)生三相短路的情況。由圖7可見,風(fēng)電穿透率較低時,CCT變化范圍較大,此時影響系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的因素主要為故障點(diǎn)的位置。風(fēng)電穿透率越高,CCT越小,系統(tǒng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性越差。從Case6到Case7的變化,可見相同風(fēng)電穿透率下,短路故障越嚴(yán)重,系統(tǒng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性越差,針對Case6和Case7兩種情況后面部分將做詳細(xì)的對比分析。為進(jìn)一步分析故障點(diǎn)位置和風(fēng)電穿透率與CCT之間的關(guān)系,做出圖8所示的曲線。從圖8可以看出,故障點(diǎn)位置距送端系統(tǒng)較近時,CCT較小,系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性差,風(fēng)電穿透率的變化作用不明顯,這是由于送端系統(tǒng)的出力對整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性有決定性的影響,而送端系統(tǒng)附近發(fā)生短路故障時,聯(lián)絡(luò)線輸送功率受很大影響,且短路電流較大,為保證系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性,需迅速切除近送端系統(tǒng)的故障。當(dāng)故障點(diǎn)距受端系統(tǒng)較近時,風(fēng)電穿透率的變化對CCT的影響較明顯。在PL%(28)0%時,CCT在各故障點(diǎn)均有大幅增加,從側(cè)面反映了風(fēng)電場的接入使系統(tǒng)對故障擾動的承受力下降。為驗(yàn)證以CCT為指標(biāo)所得結(jié)論的準(zhǔn)確性,作如下分析。設(shè)定5條500kV輸電線路中的一條發(fā)生三相短路故障,L%(28)90%且PL%(28)27.3%,由二分法得出此故障條件下,系統(tǒng)的CCT為0.476s。在t=0.5s時設(shè)置此故障條件,并在t=0.976s時由繼電保護(hù)裝置切除故障線路,系統(tǒng)兩區(qū)域中各母線在5s內(nèi)的電壓動態(tài)響應(yīng)曲線如圖9所示。在圖9中,由于故障的切除時間正好等于此故障條件下的CCT,兩區(qū)域中各母線電壓均經(jīng)過短暫的小幅振蕩后逐漸恢復(fù)穩(wěn)定。但受端區(qū)域內(nèi)的6條母線在故障期間電壓跌落幅值明顯大于送端區(qū)域內(nèi)的4條母線,說明受端區(qū)域內(nèi)母線的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性弱于送端系統(tǒng)內(nèi)的母線,與前述結(jié)論一致。將受端區(qū)域的風(fēng)電穿透率由27.3%增加到36.4%,系統(tǒng)的其他運(yùn)行條件和故障的設(shè)置不變,仍在t=0.5s時設(shè)定三相短路故障,并在t=0.976s時切除故障線路,系統(tǒng)兩區(qū)域中各母線的電壓動態(tài)響應(yīng)曲線如圖10所示。從圖10中可以看出,系統(tǒng)中的所有母線均不能保持電壓穩(wěn)定,從t=1.0s時起,各母線電壓開始發(fā)生大幅度振蕩,風(fēng)電穿透率的增加導(dǎo)致系統(tǒng)暫態(tài)電壓失穩(wěn),驗(yàn)證了高風(fēng)電穿透率的受端系統(tǒng)對故障擾動的承受力下降的結(jié)論。5.3.2故障極限切除時間本文中故障線路為500kV的輸電線,根據(jù)BCHydro公司的歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),500kV輸電線路故障切除時間的概率密度函數(shù)服從中心為0.08,偏差為0.004的正態(tài)分布函數(shù)由式(16)和正態(tài)分布函數(shù)的特性可知,當(dāng)故障極限切除時間低于0.064s時,系統(tǒng)失穩(wěn)的概率大于99.9985%;當(dāng)故障極限切除時間高于0.096s時,系統(tǒng)失穩(wěn)的概率小于0.0015%。當(dāng)PL%(28)54.5%時,CCT較小,系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性較差,現(xiàn)對圖8所示的暫態(tài)穩(wěn)定性較差的兩種情況Case6和Case7進(jìn)行暫態(tài)失穩(wěn)風(fēng)險的評估?；贑CT的暫態(tài)失穩(wěn)風(fēng)險評估結(jié)果如表3所示。從表3中所得結(jié)論與前述一致,在高風(fēng)電穿透率下,故障點(diǎn)發(fā)生在受端區(qū)域附近時,系統(tǒng)的暫態(tài)電壓失穩(wěn)風(fēng)險將大大增加。在送端區(qū)域的近端發(fā)生嚴(yán)重故障時,同樣將增大系統(tǒng)的暫態(tài)電壓失穩(wěn)風(fēng)險。6含風(fēng)電場的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性本文用電壓嚴(yán)重度指標(biāo)和故障極限切除時間定性分析了含