基于動模實驗的風電穿透功率極限研究

秦磊 姜天斌

摘要：利用動模實驗模擬含風電場的地區(qū)電網(wǎng)，驗證系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線從500kV主網(wǎng)吸收功率時情況下發(fā)生三相短路故障時的風電穿透功率極限值，并得出頻率是制約該地區(qū)電網(wǎng)風電穿透功率極限值的主要因素。

關(guān)鍵詞：動模實驗；風電穿透功率極限；頻率

風電功率波動或由于其他原因，可能致使整個風電場與大電網(wǎng)解列，這種情況發(fā)生時會導致電網(wǎng)有功出力與負荷消耗之間的瞬時不平衡，如果系統(tǒng)內(nèi)常規(guī)機組不能夠快速響應風電波動，這將危及電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。另外，風電機組輸出功率的波動也會導致系統(tǒng)電壓頻率的不穩(wěn)定甚至會超出允許范圍，嚴重時可能會使系統(tǒng)失去穩(wěn)定。因此，為確保風電并網(wǎng)后系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，求解滿足安全穩(wěn)定運行條件下系統(tǒng)可以接受的最大風電裝機容量，進而計算系統(tǒng)的穿透功率極限，是當前十分緊迫和有意義的研究課題。

1 動模實驗及實驗方案

1.1 動模實驗

模擬研究通常采用兩種模型：數(shù)學模型和物理模型。電力系統(tǒng)動態(tài)模擬就是一種研究電力系統(tǒng)動態(tài)特性的物理模擬，其實質(zhì)是在實驗室中建立電力系統(tǒng)的特性。電力系統(tǒng)物理模擬的內(nèi)容主要有：①同步發(fā)電機、同步調(diào)相機；②原動機和調(diào)速系統(tǒng)的模擬；③輸電線路的模擬；④電力變壓器；⑤負荷的模擬；⑥系統(tǒng)中其他元件的模擬。

1.2 實驗方案

1.2.1暫態(tài)穩(wěn)定判據(jù)

a、系統(tǒng)中最低節(jié)點電壓低于0.75p.u且持續(xù)1s。

b、系統(tǒng)頻率波動范圍±0.2Hz且持續(xù)1s。

1.2.2實驗方案

在動模實驗室中以上述某地區(qū)電網(wǎng)為原型，計算了三相短路發(fā)生在地區(qū)電網(wǎng)通過聯(lián)絡(luò)線從500KV主網(wǎng)吸收功率時的風電穿透功率極限值。

1.2.3分析步驟

a、先假設(shè)一個較小的風電穿透功率極限值，按照此值設(shè)置負荷大小及風力發(fā)電機組出力情況，然后按照工況要求設(shè)置常規(guī)機組出力情況，檢驗此時當系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線上發(fā)生三相短路故障時，系統(tǒng)頻率、電壓是否符合暫態(tài)穩(wěn)定要求。

b、若系統(tǒng)頻率、電壓滿足暫態(tài)穩(wěn)定要求，則增大風電出力統(tǒng)負荷的比例。由于考慮到模擬風電機組容量的限制，在增大風電出力與系統(tǒng)負荷的比值過程中，系統(tǒng)的負荷也需變化。

c、若系統(tǒng)頻率、電壓依然滿足要求，則繼續(xù)增大風電容量占系統(tǒng)負荷的比例，繼續(xù)如上實驗工作。直到系統(tǒng)電壓、頻率將近達到臨界失穩(wěn)時，那么近似認為此次無失穩(wěn)情況下的風電出力與系統(tǒng)總負荷的比值即為該種工況下的風電穿透功率極限值。

2 基于動模實驗的風電穿透功率極限研究

按照上節(jié)所述實驗方案和分析步驟，漸增大風電出力與系統(tǒng)負荷的比例。每次試驗的波形通過實驗室中的示波器記錄下來，觀察電壓、頻率波形，找到臨界失穩(wěn)時的風電出力與系統(tǒng)負荷的比值，即近似認此值為該工況下的風電穿透功率極限值。課題分別列出了風電出力與系統(tǒng)負荷的比例小于風電穿透功率極限值的情況、等于風電穿透功率值的情況、大于風電穿透功率值情況下的波形，直觀形象的顯示了風電所占比例大小對系統(tǒng)的影響。

2.1 風電出力與系統(tǒng)負荷的比例小于風電穿透功率極限的情況

當系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線上發(fā)生三相短路故障時，故障后系統(tǒng)頻率經(jīng)過一段時間的波動后，在規(guī)定時間內(nèi)恢復到故障前的值50Hz；三相短路發(fā)生時，系統(tǒng)電壓瞬時降低，波動過程很短，經(jīng)過極短的時間電壓最終穩(wěn)定1.00pu。系統(tǒng)中常規(guī)機組通過增加有功出力來調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率，最終使系統(tǒng)的頻率恢復到規(guī)定值，通過對比發(fā)電機組的有功出力可知，當系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障時，不同節(jié)點的常規(guī)機組，有功出力波動程度不同，對維持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定所做的貢獻是不同的。

2.2 風電出力與系統(tǒng)負荷的比例等于風電穿透功率極限的情況

系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障時，系統(tǒng)頻率和電壓均下降，最低時分別為49.5Hz和0.56pu，但很快恢復穩(wěn)定。頻率能在1s內(nèi)從49.8Hz恢復到50Hz，系統(tǒng)電壓持續(xù)低于0.75pu的時間也未超過1s。火電機組出力變化時可知常規(guī)機組可通過調(diào)整有功出力來調(diào)整系統(tǒng)頻率的變化。

2.3 風電出力與系統(tǒng)負荷的比例大于風電穿透功率極限的情況

隨著風電所占比例的不斷增加，在發(fā)生三相短路故障時，系統(tǒng)頻率、電壓的波動程度加劇。經(jīng)過大量實驗發(fā)現(xiàn)，在地區(qū)電網(wǎng)向主網(wǎng)吸收功率的情況下，以三相短路為擾動情況時計算所得的風電穿透功率極限為9.2%。

3 結(jié)論

利用動模實驗室模擬了風電場的地區(qū)電網(wǎng)，計算發(fā)生三相短路故障時的風電穿透功率極限值。通過觀察不同風電出力與負荷比例時，系統(tǒng)電壓、頻率、常規(guī)機組出力的變化情況得出（1）頻率約束是制約該系統(tǒng)風電穿透功率極限值的主要因素。（2）當系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障時，系統(tǒng)電壓的恢復速度比系統(tǒng)頻率恢復速度快。

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