風(fēng)電接入某地區(qū)配電網(wǎng)安全穩(wěn)定分析

韓德順 ，李廣磊 ，陳玉名 ，馬琳琳 ，程 艷 ，孫樹(shù)敏 ，潘秀娟

（1.山東電力調(diào)度控制中心，山東 濟(jì)南 250001；2.山東電力集團(tuán)公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250002）

0 引言

21世紀(jì)是可再生能源的世紀(jì)，在常規(guī)能源緊張和生態(tài)環(huán)境遭受污染的今天，風(fēng)力發(fā)電作為潔凈的可再生能源，潛力巨大，用之不竭，成為世界增長(zhǎng)最快的能源之一，僅我國(guó)可有效利用的風(fēng)能資源就達(dá)253億kW［1-2］。隨著國(guó)家對(duì)可再生能源發(fā)展的重視與《可再生能源法》的實(shí)施，我國(guó)越來(lái)越多的風(fēng)電場(chǎng)接入到電力系統(tǒng)中。對(duì)于接入到大電網(wǎng)的風(fēng)電場(chǎng)，風(fēng)電裝機(jī)容量占電網(wǎng)總裝機(jī)容量中占的比例低于10%時(shí)［3］，風(fēng)電功率的注入對(duì)大電網(wǎng)影響在正常范圍內(nèi)，不是制約風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模的主要問(wèn)題。但對(duì)于接入配電網(wǎng)的風(fēng)電場(chǎng)，風(fēng)電場(chǎng)多數(shù)處于人口稀少地區(qū)，當(dāng)?shù)刎?fù)荷小、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)相對(duì)薄弱，風(fēng)速波動(dòng)、短路故障等擾動(dòng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)及當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的可靠運(yùn)行造成較大的影響。因此，有必要對(duì)風(fēng)電接入地區(qū)配電網(wǎng)進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算分析，制定保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的措施。

1 含風(fēng)電的配電網(wǎng)主接線

圖1所示為雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組組成的風(fēng)電場(chǎng)、一臺(tái)同步發(fā)電機(jī)、電力負(fù)荷等構(gòu)成的某地區(qū)配電網(wǎng)系統(tǒng)，其中風(fēng)電場(chǎng)共安裝7臺(tái)單機(jī)容量1.5MW雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，總?cè)萘?0.5 MW，通過(guò)一回集電線路（25 km，電壓等級(jí)為35 kV）送至升壓站，再經(jīng)50 MVA主變壓器升至110 kV電壓后經(jīng)輸電線路并入當(dāng)?shù)?10 kV高壓配電網(wǎng)。

圖1 含風(fēng)電的配電網(wǎng)主接線

2 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型

變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是當(dāng)前國(guó)際風(fēng)力發(fā)電的熱點(diǎn)新技術(shù)［4-5］，在國(guó)內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組中占了較大比例，推導(dǎo)其數(shù)學(xué)模型對(duì)于研究風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行特性具有重要意義。

2.1 風(fēng)輪機(jī)數(shù)學(xué)模型

一般，風(fēng)輪機(jī)連接有3個(gè)葉片，由玻璃鋼制成。葉片的形狀與曲線按空氣動(dòng)力學(xué)原理設(shè)計(jì)，以保證風(fēng)輪機(jī)實(shí)現(xiàn)風(fēng)能—機(jī)械能的理想轉(zhuǎn)換，風(fēng)力機(jī)通過(guò)葉片捕獲風(fēng)能，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為作用在輪轂上的機(jī)械轉(zhuǎn)矩，風(fēng)速與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系可表示為［6］：

式中：MW為風(fēng)力機(jī)葉片機(jī)械轉(zhuǎn)矩；ρ為空氣密度；cp為風(fēng)能利用系數(shù)（即在單位時(shí)間內(nèi)，風(fēng)輪所吸收的風(fēng)能與通過(guò)風(fēng)輪轉(zhuǎn)面的全部風(fēng)能之比）；R為葉片的半徑；VW為風(fēng)速；γ為葉尖速比；ΩN為葉片額定機(jī)械角速度；pN為風(fēng)力機(jī)的額定功率。

2.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)模型

風(fēng)力機(jī)組的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由輪轂、傳動(dòng)軸和齒輪箱組成。一般認(rèn)為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)屬于剛性器件，具有較大的慣性，常用一階慣性環(huán)節(jié)來(lái)表示：

式中：Mt為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出轉(zhuǎn)矩，pu；Tj為輪轂慣性時(shí)間常數(shù)，s；MW為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)輸入轉(zhuǎn)矩。

2.3 雙饋異步發(fā)電機(jī)暫態(tài)數(shù)學(xué)模型

經(jīng)推導(dǎo)和化簡(jiǎn)得出雙饋式異步發(fā)電機(jī)在d-q-0 坐標(biāo)系下基本方程［7］：

式（3）、（4）、（5）、（6）中：uds、uqs、udr、uqr分別為定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組電壓的 d 軸和 q 軸分量；ids、iqs、idr、iqr分別為定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組電流的d軸和q軸分量；ψds、ψqs、ψdr、ψqr分別為定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組合成磁鏈的d軸和q軸分量；Tm、T分別為機(jī)械轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩。

3 風(fēng)電接入配電網(wǎng)運(yùn)行分析

根據(jù)前面的理論推導(dǎo)，建立含風(fēng)電的配電網(wǎng)計(jì)算模型，選取幾種典型的、對(duì)系統(tǒng)影響較嚴(yán)重的運(yùn)行方式進(jìn)行分析［8-9］。

3.1 風(fēng)速變化對(duì)風(fēng)電場(chǎng)及電網(wǎng)的影響

風(fēng)速?gòu)? m/s變化到14 m/s時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)輸出的電壓、電流、有功功率和無(wú)功功率如圖2所示。 從圖2可以看出，隨著風(fēng)速增加，風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電流隨之增加，風(fēng)電出力不斷增大，并在風(fēng)速達(dá)到14 m/s時(shí)穩(wěn)定在額定值10.5 MW附近。雙饋風(fēng)電機(jī)組通過(guò)背靠背變流器實(shí)現(xiàn)有功功率與無(wú)功功率的解耦控制，在風(fēng)電出力不斷增大時(shí)，無(wú)功功率下降幅度不大，風(fēng)電場(chǎng)出口電壓基本上維持在1.0（pu），無(wú)功功率在20 s時(shí)出現(xiàn)微小的波動(dòng)，但變化不大，基本上在0附近。在風(fēng)速突然變化情況下，風(fēng)電并網(wǎng)電壓保持穩(wěn)定。

風(fēng)速變化對(duì)電網(wǎng)的影響如圖3所示。 在仿真圖3中，風(fēng)速變化引起的局部電網(wǎng)電壓波動(dòng)不顯著，風(fēng)電場(chǎng)出力大幅度增加引起本地發(fā)電廠的有功功率大幅度降低，功率的缺額由風(fēng)電場(chǎng)提供。另外，為了補(bǔ)償風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功功率需求，本地發(fā)電廠發(fā)出的無(wú)功功率明顯增多。計(jì)算分析表明，這樣的風(fēng)速變化對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行沒(méi)有明顯影響。

圖2 風(fēng)速變化對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的影響

3.2 單相接地故障對(duì)風(fēng)電場(chǎng)及電網(wǎng)的影響

假定在集電線路上某一點(diǎn)發(fā)生單相接地故障，發(fā)生短路時(shí)刻t=5 s，故障持續(xù)時(shí)間150 ms，風(fēng)電場(chǎng)及電網(wǎng)運(yùn)行情況如圖4、圖5所示。

圖3 風(fēng)速變化對(duì)電網(wǎng)的影響

圖4 單相接地對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的影響

圖5 單相接地對(duì)電網(wǎng)的影響

從圖4、圖5可以看出，發(fā)生單相接地故障后，風(fēng)電場(chǎng)出口電壓迅速下降至0.79（pu），但仍高于風(fēng)電機(jī)組電壓保護(hù)臨界值 0.75（pu）［10］，單相接地故障切除后，風(fēng)電場(chǎng)出口電壓升高，在變頻器控制下恢復(fù)至1.0（pu）；升壓站35 kV電壓出現(xiàn)波動(dòng)，在風(fēng)電場(chǎng)恢復(fù)運(yùn)行后，穩(wěn)定在1.0（pu）；單相接地故障期間由于風(fēng)電機(jī)組有功功率變?yōu)榱悖镜匕l(fā)電廠有功功率迅速增大來(lái)實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)平衡，同時(shí)風(fēng)電場(chǎng)需要從電網(wǎng)吸收無(wú)功來(lái)維持并網(wǎng)運(yùn)行。可見(jiàn)集電線路某點(diǎn)發(fā)生短路接地故障時(shí)，風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)電壓波動(dòng)很大，風(fēng)電場(chǎng)需要從電網(wǎng)側(cè)吸收無(wú)功；在故障切除后，風(fēng)電場(chǎng)、電網(wǎng)最終恢復(fù)正常運(yùn)行，但在風(fēng)電并網(wǎng)容量占當(dāng)?shù)乜傃b機(jī)容量比例較大時(shí)，發(fā)生單相短路接地故障將會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成較大的影響。

3.3 三相短路故障對(duì)風(fēng)電場(chǎng)及電網(wǎng)的影響

假定在集電線路上某一點(diǎn)發(fā)生三相短路故障，風(fēng)電場(chǎng)及電網(wǎng)運(yùn)行情況如圖6、圖7所示。

圖6、圖7表明，發(fā)生三相短路故障時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)出口電壓急劇下降至零，風(fēng)電場(chǎng)有功功率也降為零，風(fēng)電場(chǎng)迅速與電網(wǎng)解列；升壓站35 kV電壓出現(xiàn)波動(dòng)，故障消除后逐漸恢復(fù)至正常值；風(fēng)電場(chǎng)與電網(wǎng)解列后，本地發(fā)電廠有功功率迅速增大，變化劇烈，三相短路故障消除后，本地發(fā)電廠為整個(gè)系統(tǒng)提供有功和無(wú)功支持。可見(jiàn)三相短路故障造成風(fēng)電場(chǎng)與電網(wǎng)解列，引起了電網(wǎng)較大的波動(dòng)，不利于電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定；故障消除后，風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)不成功，系統(tǒng)切除部分負(fù)荷，依賴本地發(fā)電廠來(lái)實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)供需平衡。

圖6 三相短路故障對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的影響

圖7 三相短路故障對(duì)電網(wǎng)的影響

4 結(jié)語(yǔ)

利用Matlab/simulink建立含風(fēng)電的某地區(qū)電網(wǎng)模型，針對(duì)風(fēng)速變化、集電線路上單相接地短路及三相短路故障三種典型運(yùn)行模式，從接入風(fēng)電場(chǎng)和局部電網(wǎng)的電壓水平和穩(wěn)定性出發(fā)，用動(dòng)態(tài)仿真方法分析了整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行情況。 風(fēng)速突變情況下，風(fēng)電場(chǎng)出力、風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)電壓出現(xiàn)波動(dòng)，對(duì)系統(tǒng)正常運(yùn)行影響不大，在故障消除后風(fēng)電場(chǎng)及電網(wǎng)都能恢復(fù)至正常運(yùn)行；但在單相接地和三相短路故障時(shí)，風(fēng)電出力、風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)電壓急劇下降，風(fēng)電機(jī)組電壓低至0.75（pu），低壓保護(hù)裝置動(dòng)作，風(fēng)電場(chǎng)與電網(wǎng)解列。為保證風(fēng)電場(chǎng)及電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，必須制定合理穩(wěn)定措施，例如優(yōu)化風(fēng)電場(chǎng)低壓側(cè)中性點(diǎn)節(jié)點(diǎn)方式、設(shè)置合理的風(fēng)電機(jī)組保護(hù)定值、開(kāi)展風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力測(cè)試等，這些內(nèi)容將在后續(xù)研究中陸續(xù)開(kāi)展。