基于dpl的新疆电网静态电压稳定性分析

基于dpl的新疆电网静态电压稳定性分析

0新疆电网存在发展方面的问题能源能源是可以用来发电的可能源。由于缺乏能源和可重复使用，近十年来，能源能源发电在许多国家迅速发展，成为世界上增长最快的能源，深受人们的喜爱。新疆具有较大的开发价值和潜力的9大风区,风能资源总储量为9.57亿kW,技术开发量2.34亿kW,是全国风能资源最丰富的省区之一。截止2009年底,新疆发电装机容量1280万kW,其中风电86万kW,占6.7%。因此,风电已成为新疆电力工业发展的重要组成部分。新疆电网目前仍是独立的电网,并存在很多问题。新疆电网地理接线分区图如图1所示。由于新疆地理环境和绿洲经济特点,电网网架薄弱,除乌昌地区及附近建成了较为坚强的网络结构外,主网与周边地区电网呈长线、链式连接,联系较弱,电网稳定水平较低。部分地区电网仍通过单回线与主网联络,一条联络线或区域内电厂出现问题就可能引发大面积停电。网内的电源和负荷分布不均匀,水电主要集中在西部,南部地区缺少大电源支撑。北疆的水电、火电向南疆五地州进行长距离大功率输送电力,送电距离达2600多km,电网的安全稳定问题突出。由于受到国际经济危机的影响,新疆的工业负荷所占比重减少,农灌负荷和空调负荷有所增加,2009年新疆电网谷峰差进一步加大,调峰再次成为焦点。风电场出力具有波动性和随机性,随着风电比例的快速提高,对新疆电网的安全稳定运行会产生越来越大的影响。本文结合新疆电网的实际情况,在DIgSILENT/PowerFactory中构建了含风电的新疆实际电网仿真模型,对新疆电网关心的风电接入对电网电压稳定的影响进行了研究论证。1风电场仿真模型本文以2009年底新疆投运发电的9个风电场为例,对新疆全网进行了小扰动下的静态电压稳定分析。新疆电网结构和风电场的接入位置如图1所示,风电场的概况如表1所示。到目前为止,新疆电网主干网的最高电压等级仍然是220kV,网架结构薄弱。风电场以定速感应风力发电机组为主,随着风力发电技术的发展,新建的部分风电场已经安装了变速恒频的风力发电机组,例如风电场4安装的是双馈变速风力发电机组。除了风电场3和风电场9经35kV和110kV线路接入220kV站,其他7个风电场通过升压站后接入地区电网。风电场模型采用单机等值模型,假设每台风力发电机组的初始状态和动态特性是相同的。仿真计算过程中考虑新疆电网的运行方式不变,即忽略了变压器有载调压的作用、系统的并联电容器组的作用和负荷的电压静特性等;负荷采用恒功率模型。2p-u曲线的应用经过20世纪六七十年代和本世纪初多次的大面积停电事故之后,引起世界各国电力部门对电力系统电压稳定性分析的重视。电压稳定的静态问题可通过输电系统的电压—功率特性来分析,即P-U曲线可有效地确定电压静定裕度和分析影响电压稳定的因素。文献中对绘制P-U曲线的方法进行了广泛的研究,其中文献对连续潮流法进行了详细的阐述,文献将P-U曲线应用到电压的静态特性分析中;文献用连续潮流对扩展潮流模型进行求解,对不同约束条件下的P-U曲线进行了研究;文献[10-12]采用潮流计算的P-U曲线对风电场接入电网的静态安全性进行了分析。本文基于连续潮流计算,采用DPL仿真语言编程实现P-U曲线的风电场接入静态电压特性分析。3计算模块和编程平台DIgSILENT/PowerFactory是由德国DIgSI-LENT公司编写的一套计算机辅助工程工具,它可用来对工业生产和商业化运营的电力系统等进行全面分析。数字仿真和电网计算程序(DigitalSimulationandElectricalNeTworkCalculationProgram)在DIgSILENT中可以实现潮流计算、短路计算、谐波分析、保护配置、稳定性计算和模态分析等功能。为了满足当今电力系统的分析要求,DIgSILENT已经成为一个综合工程工具,它提供了一个完整的功能,而不仅仅是一个不同的软件模块的集合体。自20世纪90年代开始,DIgSI-LENT采用对象编程技术和数据库概念,形成了现代版本的雏形,元件模型库和算法进行了很大改进。现代版本允许用户在数据库中创建详细的电力系统元件模型,包括用于稳态、时域、频域等计算所需参数。尽管DIgSILENT包含丰富的模型库和强大的计算功能,但是仍然不能满足一些特殊用户的需要。因此,在程序中允许用户使用DSL语言进行模型的自定义;除此之外,DIgSILENT还提供了面向程序化过程的编程语言(DIgSILENTProgrammingLanguage,DPL),以方便用户建立自定义的计算功能。目前DPL已经作为一个模块集成到程序中,DPL的方法与其他批处理的方法主要区别有如下几个方面:(1)DPL中可使用判断式的命令流。(2)DPL中可定义和使用自定义变量。(3)DPL有一个灵活的输入输出界面,并可与系统元件相联系。(4)在DPL中可使用数学表达式等。DPL的原理如图2所示。通过DPL可实现新的计算功能,这对DIgSI-LENT来说是一种功能的增强。本文就是基于DPL的特点和原理,在其脚本中(DPLScript)编程实现电压稳定静态特性P-U曲线的绘制,其流程如图3所示。4风电场出力变化时静态电压稳定性分析在静态电压安全性分析中,重点关注的是风电场出力的不确定性对电网电压的影响,本文在连续潮流计算的基础上,根据风电场出力变化来确定各风电场PCC母线电压水平。先针对风电场4在接入新疆电网后采用不同功率因数控制时,分析其电压—功率特性,进而在其基础上对所有风电场的静态电压特性进行分析。结果如图4、5所示。图4是风电场4在不同功率因数控制下的P-U曲线图,图中箭头方向表示功率因数变化范围:0.98、0.99、1.0、-0.98、-0.96、-0.95;图4中曲线3控制功率因数为1,此时风电场有功出力波动,电网电压波动最小;并且控制功率因数越接近1,风电场出力波动所引起的电压波动越小。所以本文基于上述结论对接入电网的风电场4采用控制功率因数为1,而对其他的风电场来说,根据实际情况功率因数控制在-0.98~1范围内,进而对风电场进行了电压静态特性分析,如图5所示。从图中可以看出,由于受到不同地区的电网结构和负荷水平的影响,随着风电场出力的增加,风电场母线电压水平和变化不同:在新疆阿勒泰和塔城地区,由于当地的负荷较小,并且输电线路较长,导致线路的充电功率较大,所以风电场母线电压水平偏高,并且在图中风电场5的电压水平已经处于静态稳定的边缘,所以,风电场运行时应重点监视该区域,防止在风电场出力波动时发生事故。在负荷密集的乌昌、吐鲁番等地区,风电场在无功补偿装置的影响下,可以保持一定的水平。尽管如此,风电场在恒功率因数控制之下,PCC母线电压都可保持在0.9~1.1(p.u.)的范围内,从静态安全角度分析,风电场出力变化时新疆电网可稳定运行。在连续潮流计算的基础上还可以对电压静定裕度进行计算,采用节点有功裕度系数Kpi可计算电压稳定裕度指标。电压稳定裕度是评价静态电压稳定的指标之一,相比其他指标而言,裕度指标直观,易于理解,能给出系统目前运行状态下稳定储备的量化评价,为运行和规划人员提供了重要的参考依据。其计算公式如下:式中Kpi———节点有功裕度系数PMi———临界状态时风电场有功出力P0i———某状态时风电场有功出力有功裕度取值在1和0(崩溃点)之间,上式可计算各节点的电压稳定裕度。为了便于分析,将有风电接入的电网分为乌昌地区、吐鲁番地区和新疆北部地区(包括阿勒泰地区和塔城地区)三部分,分别由A、B、C代表。计算结果如下。ΔPmax:某地区风电场出力变化总和的最大值;ΔUmax:某地区风电场母线电压变化的最大值;Pr:系统风电穿透功率极限,其计算方法如下:Pr=系统最大负荷/风电最大装机容量×100%表2计算的是节点有功裕度系数Kpi,表3是对图5和表2的风电场参数进行了总结比较。Kpi是基于当前运行方式下的稳态潮流计算的,并且当Kpi>0时,说明系统静态电压稳定;当Kpi=0时,说明系统电压临界稳定。如果某地区的Kpi越小,说明该地区风电场所处的状态距离稳定极限点(电压崩溃点)越近,承受有功变化的能力就越差,该地区就是电网所重点监视的区域。根据图5及表2的计算结果可知,风电场接入地区的Kpi值都保持在0.5左右,其中风电场4的Kpi值达到了0.786,静态电压稳定裕度很大,说明就目前新疆电网接入的风电对各地区电网的静态电压稳定性影响比较小。这与图5分析的结果一致。A地区的Kpi值总体要比其他地区的Kpi值大,并且由表3可以看出,A地区电网可承受的风电场出力变化也是最大的,A地区风电穿透功率是B地区的2倍,是C地区的4倍多,以上结果说明风电场接入系统引起的静态电压问题与地区电网的网架结构、负荷水平及无功补偿等因素有关。A地区电网是新疆主电网,是新疆的电源中心和负荷中心,其大容量的火电机组能有力地支撑电压水平,所以其电压稳定裕度相对较大;并且相对其他地区而言,A地区电网投入大量的动态无功补偿装置,所以可接纳很大的风电容量及承受风电场出力波动。从表3中还可以看出,A地区双馈风力发电机构成的风电场,在其出力波动所引起的电压波动(0.021p.u.)远远小于A地区和其他地区由异步风力发电机构成的风电场(最大为0.080),并且在其PCC母线所计算的Kpi值最大(0.786),表明由双馈机组构成的风电场接入新疆电网对其静态电压稳定性影响是最小的。5风电场接入系统仿真分析本文基于DIgSILENT/PowerFactory对风电场接入新疆电网对其电压静态特性的影响进行了全面的分析和研究,综合以上分析结果可得:(1)通过对风电场P-U曲线的绘制和分析,当前规模的风电容量接入新疆电网对静态电压稳定性影响较小,风电场在功率波动时电网可安全运行。(2)通过对风电场接入后的Kpi值的计算和分析可知,风电场接入系统引起的静态电压问题与地区电网的网架结构、负荷水平及无功补偿等因素有关。在新疆电网网架结构坚强的A地区Kpi值相对较大,可接纳大容量的风电场和提高风电穿透功率。所以为使系