电力系统接入风电场后的暂态稳定分析_图文

1、电力系统接入风电场后的暂态稳定分析杨琦,张建华,李卫国(华北电力大学电力系统保护与动态安全监控教育部重点实验室,北京102206摘要:为了深入研究风电场接入电网后的暂态稳定特性,结合风力发电机组自身的暂态特性,提出以线路临界故障清除时间、故障时风力发电机接入母线电压为指标,研究了发生外部三相短路故障时对电力系统本身和风力发电机组的影响;对比分析了在同一接入点分别接入不同容量的风电场时系统对应的稳定特性和对风电场母线电压的冲击,以及风机接入不同的节点时对这二者的不同影响程度;讨论了风电场与系统接入点发生故障后对各母线电压的影响;在充分考虑了电网的静态安全约束以及受到大扰动情况下动态安全的要求,为

2、确定风电场最佳接入系统容量提供了依据。关键词:电力系统;故障;暂态;稳定性;风力发电;风电机组中图分类号:TM614文献标志码:A 文章编号:100326520(20090822042206基金资助项目:国家高技术研究发展计划(863计划(2008AA05Z216;高等学校学科创新引智计划(111计划(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引言以煤为主的矿石资源的大量消耗已经给人类生存的环境造成了极大的污染,这成为世界关注的重大问题。我国已经将太阳能和风能等可再生能源的开发和利用作为可持续发展战略中重要的组成部分。风力发电作为目前最成熟、经

8、济效益最好的一种可再生能源发电技术,伴随着风力发电技术的快速发展和国家相关政策对可再生能源发电的支持,风力发电在电力系统的地位已经发生了转变,风电场的建设现已进入了一个快速的发展时期。建设初期一般都是小型风机接入电网,其装机容量较小,对电网影响也可忽略;但是随着接入电网的风电场的装机容量越来越大,风电注入电网后不仅仅将改变原有的潮流分布、线路的传输功率以及整个系统的惯量,并且由于风电机组与传统同步发电机组有不同的稳态与暂态特性,因此风电接入后电网的电压稳定性、暂态稳定性都会发生变化。风场接入电力系统后对电网的影响以及电网稳定特性的变化情况已进行了一些研究125。文献1主要通过在风电场进线端设定

9、短路故障,对各个变电站的电压特性进行分析,指出了风电单元容量、故障点位置和故障持续时间是影响短路后电压稳定性的主要因素;文献2通过分析了大容量风电场接入系统后电网的暂态稳定特性,提出了保证风电场和电网安全稳定运行的风电场安全容量的概念,并且探讨了一些改善电网暂态稳定水平的措施;文献3通过在同一接入点分别接入双馈风电机组与接入同步发电机组对电力系统的稳定性进行研究,研究证明了基于双馈风电机组的风电场对电力系统暂态稳2402第35卷第8期2009年8月31日高电压技术High Voltage EngineeringVol.35No.8Aug.31,2009定的影响要好于在同一接入点接入相同容量的同

10、步发电机组;文献4研究了恒速异步风力发电机、双馈异步风力发电机和直驱永磁同步风力发电机组成的风电场对电网的影响,比较分析了3种风电场对电网暂态稳定性的影响;文献5提出了风电机组低电压穿越能力的概念,分析了系统中不同的母线短路时对风电机组端电压的影响程度。文献6213也都从相关的角度论述了风机并网后对系统稳定性的影响。从上述的文献中可以看出:目前在风电场接入实际大电网的安全性、稳定性的问题上,缺乏系统全面的研究,现有的研究成果往往都仅针对于某个方面,本文旨在结合已有的研究成果的基础上,能通过制定完备的研究体系,较全面的分析风力发电机并网的稳定性问题。其主要内容包括:风力发电机并网后,三相短路故障

11、发生在不同的位置时对电网和风力发电机的影响,包括风力发电机接入点发生故障对电网的影响和外部各种系统故障对于风力发电机组的影响;在考虑了电网的静态安全约束以及受到大扰动情况下动态安全的要求,为确定风电场接入系统容量提供依据;在风力资源基本相同的情况下,将风电场分别接入电网不同的位置中,通过对比分析风电场接入后对电网暂态稳定性的影响,论证风电场接入点不同对对电网稳定性的不同影响。1风力发电机以及电网模型1.1风力发电机组由于双馈变速风电机组在电网发生短路故障后有更强的鲁棒性,能够增进电网故障后的稳定性,维持电网必须的稳定裕度13,这里采用双馈感应发电机。发电机定子直接馈入电网,转子通过功率变频器馈

12、入电网,此类变速风电机组通过变频器实现发电机有功、无功功率解耦控制,使风电机组具有变速运行的特性,能够提高风电机组的风能转换效率,实现最大风能捕获并减小风电机组机械部件所受应力;调节改善风电场的功率因数及电压稳定性。其变速风电机组的动态模型主要包括:风力机的空气动力学模型2、传动系统的机械模型5、电气元件模型11,12(包括双馈电机模型、PWM电压源型变流器模型以及控制系统模型。基于文献14分析可以看出,当风电场接入电网、特别是接入到电网末端时,采用不同的风电机组技术及控制方式对电网电压的影响有很大差别。在本算例的研究计算中,风电机组模型为采用双馈感应发电机的变速风电机组模型(见图1。1.2

13、电网模型图1DFIG风电机组的并网接线图Fig.1Schem atic conf iguration of the grid2connectedwind pow er system图2风电场接入系统示意图Fig.2Schem atic of integration of wind farm图2为我国某区域电网中220kV电网结构示意图,风力发电机组的输出电压为0169kV,通过变电站升压为10kV,这里忽略10kV网络的电压损耗。为了研究方便,这里假设每台风电机组按照相同的状态运行,因此将所有的风电机组等效为一台等值机组。在进行对比分析时,分别将风力发电机组接入13、12号节点。2风电场接入后

14、的潮流计算及静态电压分析在假设该地区各台发电机有功出力、变压器抽头位置及负荷水平保持不变,研究该地区电网接入不同容量的风电对电网潮流及地区电压水平的影响。计算结果用P2V曲线(P表示接入风电场的有功功率,V表示该地区各变电站母线电压表示,图中U p.u.为用标么值表示的母线电压,P为MW表示的P。图3是接入风电场后通过潮流仿真得出的P2 V曲线,系统功率基准为100MW,电压基准取为242kV。3422009年8月高电压技术第35卷第8期风电的注入功率改变了该电网各变电站间的潮流流向和线路上传输功率的大小,各220kV变电站母线电压值先升后降。当风电场出力在250MW 时,各变电站母线电压最高

15、。当风电出力>250 MW时,各变电站母线电压稍低。本地区的电压水平满足正常运行要求。3短路故障对电力系统的影响3.1内部线路故障对电网的影响在现有的运行方式下,在电网内220kV线路发生三相短路故障后,对电网稳定性进行研究。这里将所有线路的三相短路故障设定在t=1s时发生,比较线路的临界故障清除时间t CCT(CC T即critical fault clearing time。用故障切除时间长短表征电网的暂态稳定性的强弱,以此来反映系统受到故障扰动后保持稳定的能力。通过比较分析得到线路发生某次发生三相短路故障后对风机的影响以及对应时刻电网的稳定性。这里以12节点到14节点(C处之间发生

16、三相短路故障为例,此时风电场接入功率为150MW,在t=1s时发生三相短路故障,通过计算得到线路临界故障清除时间t CCT=01326s。如果线路发生三相短路故障后,在t=11326s 之前将故障清除,电网内所有的同步发电机组都是稳定的。当线路三相短路故障在t=11326s之后清除,电网中部分机组就会失去稳定。图4为离故障点最近的火电厂2机组在两种情况下标么值表示的有功P p.u.、无功Q p.u.、转速n与机端电压U p.u.(各量基准值分别为100MW、100MVA、3000r/min、20 kV变化曲线。由仿真结果可以看出,如果故障没有及时清除将导致部分发电机组失稳。在本算例中,离风场接

17、入点最近的火电厂2机组将首先受到影响失去同步,其余附近的火电厂机组或者失去同步(如火电厂1,而火电厂6虽然没有失去同步,但是受到火电厂1机组失稳的影响,导致其有功、无功持续振荡。当电网内部线路发生三相短路故障时,对风力发电机也有一定的影响。图5为同时刻下风力发电机在失稳时和稳定状态下不同的情况(各量基准分别为1MW、1MVA、1000r/min、0.69kV。失稳状态条件下当风电机组不采用任何附加暂态电压控制,故障期间风力发电机端电压跌落幅度较大(跌落至标么值0145,转速振荡的幅度不断增大,无法恢复到故障前稳定运行的状态;整个风电场故障后需要吸收部分无功功率。风电场的电磁有功功率无法按额定送

18、出, 风电机组的不平衡转矩导致图3风电场P2V曲线Fig.3P2V curve of wind farm图4火电厂发电机相关变量变化曲线Fig.4V ariables of2nd therm al pow er plant incondition of stability and instability图5风机相关变量变化曲线Fig.5V ariables of wind turbine in condition ofstability and instability其不断加速;风电机组将会一直加速,最终会引起机端电压及地区电网的电压崩溃。采用双馈电机的变速风电机组在系统故障期间其电磁力矩和原

19、动力矩并不平衡,风电机组会加速,其中部分不平衡的能量将暂时储存在风电机组叶片442Aug.2009HighVoltageEngineering Vol.35No.8和轴系加速旋转的动能中,这部分暂存的能量会降低风电出力波动对电网的冲击。风电机组与电网之间是一个柔性的耦合,所以适当接入一定数量风电,电网的暂态稳定性会有一定的改善。这样风力发电机接入容量的大小必然跟接入系统的临界故障清除时间有密切的关系,而当风机接入不同的位置,发生故障后,电网稳定的稳定性也是不同的3。同时,当电网侧发生故障时使风力发电机组的端电压降低很多,风电场本身的暂态电压稳定性无法保证,通常都采用切除风电机组的措施来保证风电

20、场及电网的安全。而国外部分电网公司的要求风电机组在并网时,必须具有低电压穿越能力(low voltage ride2 though,LVRT,故障时风力发电机组最低电压值将作为风电机组LVRT能力的最低电压限值要求。结合以上分析可以得知电网的临界故障清除时间跟风机接入的容量有密切的关系,而不同的故障位置15,16对于风力发电机的影响也是不同的。通过上述分析,将风电场分别接入13节点(风电场A、12节点(风电场B处,依然在12节点到14节点之间(故障点C设置三相短路故障,故障发生时间为t=1s。线路临界故障清除时间、故障时风力发电机母线电压、以及接入风场容量三者关系如图6、7所示。从上述计算结果

21、可以看出,在相同的计算条件下,不同容量的风电场接入到电网,对电网暂态稳定性有不同的改变。本算例条件下,在接入的风机功率180MW范围内,随着风力发电机容量的增大,线路的临界故障清除时间随着逐步增长,意味着电网的稳定性能伴随着有所增强(线路故障极限切除时间从01326s增加到01338s,此时如果发生电压失稳是由于电网内同步机组功角稳定首先失去,地区电网失去无功电压支撑能力而导致风电场的机组超速,机端电压无法重建,风电场电压崩溃,但当接入功率达到200MW后,线路的临界故障清除时间反而有所减少,电网的稳定性反而有所减弱。同时风力发电量在所在电网中发电比重的不同,导致在相同的故障条件下,母线故障对

22、风电机组的影响程度也有所不同,<200MW时随着接入风电容量的增加,风电场自我调整的能力有所增强,适当的提高了风电机组L V R T的电压限值,所以故障发生时风力发电机母线电压的降落值随之减少,而当>200MW时,由于风力发电机组的接入已经使得电网的稳定有所减弱,而再发生线路三相短路故障,必然会加速系统的失稳。同时可以看出在13、12两种不同的接入点的情况下,系统的稳定性和线路故障对风力发电机组的影响程度也不同, 在相同图6风电场A接入后相关变量关系图Fig.6R elationship of variables when windfarm A connected图7风电场B接入后

23、相关变量关系图Fig.7R elationship of variables when windfarm B connected的风电容量接入电网的情形下,无论是电网的稳定性还是故障发生后对风力发电机组的影响程度,12点都要强于13点,这是因为12点所接入的220kV 变电站属于强联络点,与火电厂1、2以及火电厂6的联系比13点接入要强,当故障时,风力发电机组和火电厂1、2、6的机组能较好的调整,来平衡因为故障导致的电压降落。接入强壮的节点时,可以提供足够的无功功率,并网风电场的电压稳定性也能够保证。在本算例条件下,因为的电网的结构较为强壮,而且13、12两点的接入点都较为合理,因此无论是13

24、点接入还是12点接入,在风电场接入功率<180MW时,线路故障极限切除时间较长表明风电场电压稳定性较强。3.2风力发电机组接入点故障对电网的影响在150MW风电场(风电场A、风电场B分别与电网连接处(12、13节点处发生三相短路故障,故障持续时间分别设为1、2、3s,仿真持续时间为10s,仿真结果(以1s为例如图8所示。5422009年8月高电压技术第35卷第8期 图8故障后各节点母线电压Fig.8V oltage of all nodes in condition of false在风电场接入点发生短路故障过程中各220 kV母线电压在故障发生的瞬间均都迅速下降,风电场快速切除。根据安

25、全稳定的标准:电网在暂态过程中各母线电压(包括风电场220kV变电站接入母线电压<0.75(标么值的时间1s等条件进行判断2,电网处于稳定状态。故障持续时间1、3s 各变电站母线电压变化曲线类似于2s时刻。可以得到:在接入150MW风机功率条件下,风力发电机的接入点的故障会引起所接电网中各母线电压的急剧下降,但是并没有造成电网的失稳。其中风电场接入点所在220kV变电站(13号变化最大,母线最低电压值为0.785。在故障结束后,母线电压均能恢复至正常水平。各节点的转速差、转子转速、风机功率和电压都逐步回复了正常。同样,风电场在13、12两点分别接入时,对节点的影响也不同,虽然接入13、1

26、2两点发生接入点三相故障后都没有破坏系统的稳定性,但是由于12点与多个节点的强联络,必然使得这些节点受到的影响程度和受到影响的范围不同与13点接入方式,1、16、11节点母线的降落都要低于13节点接入方式,而这些节点母线电压的恢复时间短于13节点。4结论a风电场并网运行的电压稳定性,不仅仅与风电机组的特性有关,同时也与电网有密切关系,若电网足够强壮,可以提供足够的无功功率,并网风电场的电压稳定性也能够保证。b对于网架结构较强的电网而言,接入风力发电机组后,其暂态稳定性不仅仅跟接入风电容量的大小、故障的位置有关系、还跟风电场接入点的位置有关,对于强联系的接入点,接入风力发电机组后比较于其它点,可

27、能接入电网后稳定性更强,这跟电网的结构有密不可分的关系。c对于网架结构较强以及风电机组接入位置较为合理的情形下,在较短的时间内发生线路三项短路故障后对风电机组的端电压的影响较小,但是风力发电机组在不同的节点接入,受到短路故障的影响程度也是不同的,因此对风电机组的L VR T的能力要求也有所不同。参考文献1林莉,孙才新,王永平,等.大容量风电场接入后电网电压稳定性的计算分析与控制策略J.电网技术,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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