淺談大規模風電接入對系統功角穩定性的影響

呂穎利

淺談大規模風電接入對系統功角穩定性的影響

呂穎利

（濟源職業技術學院河南濟源459000）

文章從雙饋風電機組的故障期間這一角度研究不同規模大小的風電在出現不同的故障后對系統暫態功角穩定性的影響，并得出了不管是遠、近距離的故障，想要對系統功角進行改善，就需要擴大對風電裝機的規模，而風電規模越大則越能有效改善系統功角。但值得注意的是，風電裝機的規模在達到相應的規模時，系統功角的穩定性反而不會改善，并在一定情況下會出現惡化。

大規模風電接入；雙饋風電機組；系統功角暫態穩定

社會對于資源的利用不僅加快了社會發展的步伐，同時也帶來了眾多的問題，其中比較嚴重的是，對于能源資源的消耗過多出現了能源危機問題，并且在對能源資源使用過程中加劇了環境問題。其中風力發電是當前可在生能源中應用最廣泛的一種新能源發電技術，具有一定的應用前景。但是隨著社會發展對電網需求的增加，我國的電網規模越來越大，對于電網和電力系統的安全穩定運行存在一定的挑戰。就目前實際情況而言，在我國現階段使用廣泛性最高且更具代表性的則是雙饋風機，基于此，本文主要以雙饋風電機組為主，分析其集中接入系統后對系統功角穩定的影響。

1 大規模風電接入對系統功角穩定性影響分析的必要性

當前社會的發展在一定程度上加強了對風電的要求，因此為了滿足多方對風電的需求對大容量的風電進行了并網運行，但由于此種情況容易出現風電系統穩定性不高，加上電網自身在運行過程中具有十分復雜的特點，容易威脅電網的安全運行，且與傳統的電力系統存在較大的區別。而研究大規模風電接入對系統功角穩定性的影響能夠為相關電網調度部門在安排制定相應的輸電計劃以及針對風電場常規同步機組進行適當的調整提供有效的依據，并且能夠使電力系統在安全水平下提高對輸電線路的利用率，因此為了保證電力系統的安全穩定運行，滿足正常的社會需求，需要大力研究大規模風電接入對系統功角穩定性的影響。

2 雙饋風機接入后同步發電機功角穩定性

在接入風電機組之前首先要對不適應風電機組接入后的部分常規機組進行合理的替換，一般替換方式有兩種，主要是通過同等容量的風電機組替換常規同步發電機，另外一種是利用各同步發電機組減出力運行來滿足系統對風電機組出力的需求。

2.1 等容量雙饋風電機組對同步電機替換的功角穩定特性

雙饋風電機組的機端電壓出現跌落現象主要是電力系統發生故障，并導致其內部產生多種變化，分析雙饋風電機組的動態響應過程的關鍵問題則是釘子磁鏈的變化過程。一般來說，雙饋風電機組中具有較大換流器電流內環帶寬，則磁鏈的動態過程會明顯小于電流環的實際響應速度。由下式可了解，雙饋風電機組的大小直接影響著雙饋風電機組的等效負電阻。另外，由定子和轉子磁鏈相關方程可以看出其兩者之間的空間矢量是由定子和轉子中的點流量決定的，但實際上，由于定、轉子空間矢量的角度差異不大，則說明在暫態情況下，雙饋風電機組的功角變化保持在一定的范圍內，同時其絕對值隨著雙饋風電機組的逐漸變大而變小，兩者呈反比例的關系。雙饋風電機組的功角擺開之后，其等效負電阻模值則會變小，同樣也說明了雙饋風電機組在能夠增加同步發電機的功率，同時對功率極限角的變小也有重要的影響作用。這說明功角在暫態過程中擺開后，電磁功率在接入之前相應有所增加，另外對于同步發電機的加速能量能夠在暫態過程中有一定的減少，對于功能的穩定有積極意義。

2.2 常規機組減出力運行條件下的功角穩定特性

雙饋風電機組在并網之后能夠分攤系統部分的有功出力，因此其機械功率在一定程度上也會同步發電機組出力的減小而減小，而當電力系統發生故障時，相較于風機并網前，各同步發電機的不平衡加速功率則會變小，而當電力系統故障恢復之后，減速功率相較于并網前則會變大，因此系統的加速面積則會變小，對于功角的恢復穩定有一定的改善作用。

3 暫態穩定分析方法研究

3.1 時域仿真法

暫態穩定分析方法主要分為兩方面，一是時域仿真法，二是利用直接法進行分析，但通過對國內外文獻的研究了解發現，在對暫態穩定分析時主要是通過對時域仿真法與定性分析法兩者結合進行分析的。如部分相關文獻采用時域仿真法進行分析發現，如果風電機組接入點存在障礙，則會影響本地區的風機甚至是影響其他地區的風機進行過電壓的保護動作，會使系統暫態穩定性變高，另外系統暫態穩定性提高的另一原因則是同步機附近出現了故障，而接入風機能夠對暫態穩定性加強。

3.2 直接法研究

利用直接法對暫態穩定性進行分析，主要包含兩方面，一是根據暫態能量函數法對暫態穩定性進行研究，但實際上由于多種因素的影響，這一方法實際研究文獻比較少，而使用擴展等面積定則法對大規模風電接入系統暫態穩定性的研究則越來越多。而對相關文獻進行研究發現，若是在功率等效為臨界群的機械功率中注入雙饋風機，如果雙饋發電機的變速發生改變，即其變速的范圍變寬，并且處在故障過程中，滿足這兩個條件則說明有利于暫態穩定。但如果風電場在故障期間退出了運行，對于系統暫態穩定還存在一定的影響，對于這種影響進行分析時，還需要綜合考量對比。

4 暫態穩定影響分析

風電如果接入后，前后功角的搖擺方向會發生一定的變化，但實際上很難判斷風電在接入前后對系統功角穩定性的實際變化情況，因此有必要研究在風電接入后不會改變功角搖擺方向的情況。基于此，文章對雙饋風機接入兩臺同步機互聯簡單系統的暫態穩定性進行分析，而該分析方式可以應用到多機系統中。另外結合相關文獻的研究首先對Pe1和Pe2進行假設，分別假設其為0，因此可以得到以下表達式：

而對上式進行分析，若是m不小于0，則有m2與2之比小于m1與1之比，因此在故障期間，當G2的加速度明顯小于1時，且0小于與0之差，則同步機功角差的搖擺方向為正向。相反，當同步機功角差的搖擺方向為反向時需要滿足m小于0，而Pm2與2之比大于m1與1之比這一等式成立并在故障期間且0大于與0之差。因此可以通過m與之比研究分析功角在故障后的搖擺方向。其中各項數值代表的含義如下表所示：

表1　各項數值代表的意義

5 擴展等面積定則分析

通過擴展等面積定則可以分析出，同步發電機的加速面積與減速面積與故障持續的時間存在一定的關系，并且故障持續時間能夠使同步發電機的這兩方面的面積處于相等時，則故障持續時間便可轉換為故障極限切除時間。而假設在系統接入風電前故障極限切除時間為Tcc，而當系統接入風電后，系統暫態穩定水平降低的原因主要是因為同步機的加速功率明顯增大且減速功率減小時，而Tcc持續時，其中同步機的減速面積明顯小于加速面積。相反，在接入風電后系統暫態穩定水平有一定的提高則是因為同步機的減速功率明顯增加大于其加速功率減小的影響。基于此，文章將展開對同步機的穩定功角、加速功率以及減速功率在接入風電后的變化進行討論分析，同時研究風電接入后系統暫態穩定性增加時β的范圍區間。

5.1 當β小于αM且β小于1-KWP

當出現此種情況時，則說明同步機的1承擔的不平衡功率的比例比較小，且小于1自身的慣量與所占系統總慣量之比。另外1同樣不會大于接入風機的位置到受端的距離與送受端總距離之間的比例。根據以下兩個公式可以分析出Δ大于0在故障發生后恒成立，另外w等于與Δδ之和大于0。根據等面積定則進行分析，則說明，當系統接入雙反饋風電機組后，加速面積會隨著穩態功角的增大而增大，減速面積則與穩態功角呈反比例變化，因此當穩態功角越大，減速面積越小，因此對于系統的暫態穩定性存在一定不利影響。

5.2 當β同時大于αM、1-KWP

出現這種情況則是同步機的1承擔不平衡功率的比例相對比較大，而自身的慣量與系統總慣量之間的比例小于其承擔的不平衡功率，另外，接入風機的位置到受端的距離與送受端總距離之比同樣也小于1。而在故障發生后存在Δ小于0，因此如果功角在系統接入風電之后仍能正向搖擺，則大于w等于與Δ之和大于0是成立的，進而說明在接入風電之后對于系統暫態穩定是有利的。

5.3 若β小于αM而小于1-KWP

出現這種情況則說明1自身的慣量與系統總慣量的比例明顯大于1承擔的不平衡功率比例，而風機接入的位置到受端的距離與送受端總距離的比例小于1。而在雙饋風機接入后，穩態功角相對會減小，加速面積與穩態功角呈反比例，因此加速面積會增加，但根據相關研究分析發現，若是對故障進行切除，則減速面積相應也會增加，因此不能確定雙饋風機在接入后對系統暫態穩定性的影響效果。

5.4 當β同時大于αM且小于1-KWP

此種情況與上述第三種情況相反，但實際上仍然不能確定雙饋風機在接入后對系統暫態穩定性的影響效果。

6 小結

本文主要是對雙饋風機接入兩臺同步機互聯簡單系統的暫態穩定性進行分析，在分析過程中主要采用兩種分析方式，一種是直流潮流，另一種是擴展等面積定則，具體研究結論包含兩方面的內容。一是采用直流潮流對系統暫態穩定性進行分析首先是要在故障前以及對故障有效清除后的階段，再進行分析，在分析過程中還需要雙饋風機滿足電壓控制的方式以及雙饋風機的低電壓穿越特性良好。二是在雙機系統中接入雙饋風機后，系統暫態穩定性的變化受多種因素的影響，如同步機功角的搖擺方向，地理位置以及風電的實際滲透效果等。

[1]吳雪蓮,劉福鎖,李兆偉,等.基于聯絡線功率軌跡特征的暫態功角穩定性分析[J].中國電機工程學報,2019,39(11):3194-3200.

[2]傅旭,趙娟,張更賀,等.風電場接入對送端電網暫態特性的影響研究[J].分布式能源,2019,4(1):17-21.

[3]王爽,王毅,張祥宇.高風電滲透互聯系統的功角暫態穩定分析與慣性綜合控制[J].電測與儀表,2018,55(12):74-81.

呂穎利(1982- )，女，漢族，陜西西安人，碩士，講師，研究方向：電氣自動化技術、通信與信息系統。

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10.3969/j.issn.2095-1205.2020.01.20