大規(guī)模風(fēng)電接入對電力系統(tǒng)動態(tài)特性影響的研究

孫元存,　劉三明,　王致杰,　曹天行,　劉　劍

(上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院,上海　201306)

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大規(guī)模風(fēng)電接入對電力系統(tǒng)動態(tài)特性影響的研究

孫元存,劉三明,王致杰,曹天行,劉劍

(上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院,上海201306)

摘要：本文針對風(fēng)電場并網(wǎng)對電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性問題進(jìn)行了研究。建立了風(fēng)電場的模型,利用小干擾穩(wěn)定理論,將系統(tǒng)線性化,根據(jù)狀態(tài)矩陣的特征值,定性的分析了兩區(qū)域互聯(lián)系統(tǒng)并網(wǎng)前后阻尼特性的變化情況。搭建了兩區(qū)域四機(jī)系統(tǒng),將風(fēng)電場并入,仿真結(jié)果表明:風(fēng)電場并網(wǎng)后系統(tǒng)的動態(tài)特性變差并且風(fēng)電場接在不同區(qū)域系統(tǒng)表現(xiàn)出的穩(wěn)定性不同。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電場; 動態(tài)特性; 電力系統(tǒng); 小干擾穩(wěn)定

1引言

風(fēng)電具有隨機(jī)性、波動性,隨著風(fēng)電場的裝機(jī)規(guī)模越來越大,使得電網(wǎng)阻尼特性及電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性問題更加突出。因此對大規(guī)模風(fēng)電場接入對電力系統(tǒng)的阻尼特性和小干擾穩(wěn)定問題的研究十分必要。文[1-4]搭建了經(jīng)典的四機(jī)兩區(qū)域系統(tǒng),得到當(dāng)風(fēng)電場并入電網(wǎng)時,對所接相關(guān)區(qū)域的區(qū)域間振蕩頻率影響較大的結(jié)論。

2小干擾穩(wěn)定分析下風(fēng)電場接入簡單互聯(lián)系統(tǒng)前后的阻尼特性

2.1小干擾穩(wěn)定下簡單互聯(lián)系統(tǒng)

選取兩機(jī)互聯(lián)系統(tǒng),功率由區(qū)域1送到區(qū)域2,選取兩階發(fā)電機(jī)模型,轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程組為

(1)

式中Δω1、Δω2,,J1、J2,D1、D2,ΔPM1、ΔPM2,ΔPE1、ΔPE2分別為兩臺發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速增量、功角增量、慣性時間常數(shù)、阻尼系數(shù)、機(jī)械功率的增量和電磁功率的增量。現(xiàn)假設(shè)機(jī)械功率在短時間內(nèi)不變(ΔPM1=ΔPM2=0),轉(zhuǎn)化為矩陣形式。

(2)

(2) 式中矩陣A對應(yīng)的特征值為

在正常情況下,K11,K22,J1,J2都為正值,D為系統(tǒng)的阻尼,λ為系統(tǒng)的特征根。如果D>0,λ為負(fù)實(shí)部的共軛根,系統(tǒng)受到小擾動后,Δδ,Δω作衰減振蕩,系統(tǒng)穩(wěn)定;如果D<0,λ為正實(shí)部的共軛根,系統(tǒng)受到小擾動后,Δδ,Δω振蕩發(fā)散,系統(tǒng)不穩(wěn)定。

2.2 小干擾穩(wěn)定下含風(fēng)電機(jī)組的簡單互聯(lián)系統(tǒng)阻尼特性

將風(fēng)電場接在區(qū)域1,不考慮負(fù)系統(tǒng)中的損耗和負(fù)荷變化,則

(3)

式中:ΔPS為風(fēng)電場動態(tài)有功功率

接入風(fēng)機(jī)后簡單互聯(lián)系統(tǒng)中同步發(fā)電機(jī)電磁功率的增量可以表示為

(4)

式中：US為風(fēng)電場接入點(diǎn)的電壓,δS為風(fēng)電場接入點(diǎn)的相角,X1是接入點(diǎn)到發(fā)電機(jī)1的電抗,X2是接入點(diǎn)到發(fā)電機(jī)2的電抗。將風(fēng)電場動態(tài)有功功率表示為

(5)

所以當(dāng)風(fēng)電場接入送電側(cè)時,互聯(lián)系統(tǒng)的狀態(tài)空間方程為

(6)

當(dāng)風(fēng)電場接入受電側(cè)時,互聯(lián)系統(tǒng)的狀態(tài)空間方程為:

(7)

3仿真與分析

3.1風(fēng)電場建模

以某風(fēng)電場實(shí)測的風(fēng)速、功率作為分類指標(biāo),將該風(fēng)電場33臺機(jī)組等效為4臺機(jī)組,風(fēng)機(jī)單機(jī)容量是1.5MW,等值為A、B、C、D 4臺機(jī)組,容量分別為9、18、18、4.5MW。在Matlab/Simulink中仿真[6],變量為發(fā)電機(jī)電磁功率Pe,功角δ,線路有功、無功P、Q[7]。

圖1　四機(jī)兩區(qū)域系統(tǒng)Fig.1　Two-area four-machine system

3.2風(fēng)電場并網(wǎng)前后系統(tǒng)動態(tài)特性的比較

將等值的四臺風(fēng)機(jī)接入到區(qū)域1,每臺風(fēng)機(jī)風(fēng)速為9、10、11、12 m/s。

圖2(a)是機(jī)組1在風(fēng)電場并網(wǎng)前后電磁功率的比較,圖2(b)是圖2(a)的局部放大圖。

圖3(a)是機(jī)組1在風(fēng)電場并網(wǎng)前后功角的比較,圖3(b)是圖3(a)的局部放大圖。

圖4(a)是無故障傳輸線路在風(fēng)電場并網(wǎng)前后有功、無功的比較,圖4(b)是圖4(a)的局部放大圖。

圖2　風(fēng)電場并網(wǎng)前后機(jī)組1電磁功率Fig.2　Electromagnetic power of unit 1 after wind power plants grid-connected

通過選取發(fā)電機(jī)組G1的電磁功率、功角,以及傳輸線上的有功、無功功率為電氣變量,看出風(fēng)電場并網(wǎng)后系統(tǒng)的振蕩頻率變快且振蕩幅度變大。說明風(fēng)電場并網(wǎng)后系統(tǒng)的動態(tài)特性變差,小干擾穩(wěn)定性變差。

3.3風(fēng)電場接不同區(qū)域系統(tǒng)動態(tài)特性的比較

將風(fēng)電場等值成四臺機(jī)組,分別接入?yún)^(qū)域1和區(qū)域2每臺機(jī)組的風(fēng)速為9、10、11、12 m/s。

圖5(a)是機(jī)組2在風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)不同時電磁功率的比較,圖5(b)是圖5(a)的局部放大圖。

圖6(a)是機(jī)組4在風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)不同時電磁功率的比較,圖6(b)是圖6(a)的局部放大圖。

圖7(a)是故障傳輸線路在風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)不同時有功和無功功率的比較,圖7(b)是圖7(a)的局部放大圖。

圖3　風(fēng)電場并網(wǎng)前后機(jī)組1功角Fig.3　Power angle of unit 1 after wind power plants grid-connected

圖4　風(fēng)電場并網(wǎng)前后無故障線路傳輸功率Fig.4　Trouble-free power transmission line after wind power plants grid-connected

通過選取發(fā)電機(jī)組G1、G4的電磁功率以及故障線路傳輸線上的有功、無功功率為電氣變量,得到風(fēng)電場并入送電側(cè)時的振蕩頻率比較快且振蕩幅度大,動態(tài)特性較差,風(fēng)電場并入受電側(cè)時的振蕩頻率比較慢且振蕩幅度小,動態(tài)特性較好。由此得到風(fēng)電場并入電力系統(tǒng)末端時,對系統(tǒng)的動態(tài)特性影響更小。

圖5　風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)不同時機(jī)組2電磁功率Fig.5　Electromagnetic power of unit 2 in different wind power plants grid-connected point

圖6　風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)不同時機(jī)組4電磁功率Fig.6　Electromagnetic power of unit 4 in different wind power plants grid-connected point

圖7　風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)不同時故障線路傳輸功率Fig.7　Trouble-free power transmission line in different wind power plants grid-connected point

4結(jié)論

本文用特征值分析法和時域仿真法來分析了大規(guī)模風(fēng)電場接入對電力系統(tǒng)動態(tài)特性的影響。采用小干擾穩(wěn)定的理論方法,在簡單互聯(lián)系統(tǒng)中對比分析了風(fēng)電場接入前后系統(tǒng)的阻尼特性。建立四機(jī)兩區(qū)域系統(tǒng)模型,仿真分析得出:

(1) 風(fēng)電場并網(wǎng)后系統(tǒng)的動態(tài)特性變差。

(2) 風(fēng)電場接入不同區(qū)域時系統(tǒng)的穩(wěn)定性不同,接送電側(cè)穩(wěn)定性較差,接受電側(cè)則較好。

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孫元存男(1993-),江蘇興化人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)轱L(fēng)電。

劉三明女(1962-),山西人,教授,博士,主要研究方向?yàn)槎嗄繕?biāo)規(guī)劃、最優(yōu)控制、電力系統(tǒng)規(guī)劃與優(yōu)化運(yùn)行、風(fēng)電場建模仿真及風(fēng)電機(jī)組故障診斷技術(shù)。

中圖分類號：TM 74

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

基金項(xiàng)目：上海市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(15ZR1417300,15ZR1417200);上海市教委創(chuàng)新基金項(xiàng)目(15ZZ106,14YZ157))上海市閔行區(qū)科技項(xiàng)目(2014MH166);國家自然科學(xué)基金(11304200)

Study of the Impact of Large-scale Wind Power Access to Dynamic Characteristics of Power System

SUN Yuancun,LIU Sanming,WANG Zhijie,CAO Tianxing,LIU Jian

(College of Electrical Engineering,Shanghai Dianji University,Shanghai 201306,China)

Abstract：Small signal stability problem of wind power plants grid-connected is studied in this paper.The system is linearized by establishing the model of wind power plants and using small signal stability theory.In addition,using the characteristic root of state matrix to analyze the two area interconnected systems qualitatively and obtain the damping characteristic is necessary.Then,the study builds and simulates the classic two-area four-machine systems.The results demonstrate that the dynamic characteristics will be worse after wind power plants connect to grid,besides the stability of different area system of wind farm is different.

Key words：wind power plants; dynamic characteristics; power grid; small signal stability