風電場并網后對系統暫態穩定性影響分析

馮銘矞 張浩然 張 羿 崔 鵬 張思楠

（國網北京城區供電公司）

0 引言

某些農民愿意將自己的獨有土地出租出去，為清潔能源發電設備，比如風電機組，的部署提供支持。每年的租金將使他們獲得巨大的經濟利益。在澳大利亞，為了提倡風電機組的使用，每年大約要花費1.64 千萬澳元用來支付租賃土地的租金［1］。事實上，新能源的合理利用可以一定程度上降低澳大利亞甚至是其他國家的電費水平。據澳大利亞國家售電零售網站（NEM）網站的統計數據顯示，在2011 至2013 年，風力發電的應用確實降低了電費水平5%-8%［2］。如果我們想要降低傳統能源的碳排放量，需要應用碳元素的捕捉及貯存技術。在這種情況下，電費水平將遠遠高于單獨使用新能源供電的方法。

1 電力系統的穩定性

電力系統穩定性的概念被定義了很多種類型，至少多達50 余種。通常情況下，電力系統的擾動原因主要分為事件擾動和負載擾動。根據定義，事件擾動指的是變電站或者是輸電系統因為未預期的錯誤導致的退運。這些擾動通常會導致電力系統中某些部分的重新配置，因為電力系統中有各式各樣的保護設備，比如，差動繼電器、過流繼電器，斷路器等。另一方面，負荷擾動則被視為用戶側發生擾動的結果，因此，不需要重組電力系統的任何部分。為了承受上述兩種擾動，電力系統的設計、配置，分析必須正確［3］。

通常，電力系統的配置及規劃的目的是觀察、分析其受到擾動后的影響程度，而電力系統的穩定性分析是關于評估系統在發生擾動后維持或者恢復到正常運行狀態的能力。

2 設計

2.1 模型介紹

2.1.1 電網構建

為了將此電網模型盡可能的按照真實數據搭建起來，根據該區域（北部、中部、南部）具體的連接圖示及系統參數，各部分電網被分別配置在DIgSILENT 之上。系統建模成功后，可以在軟件中為各個電氣元件所必須的參數進行填充，使該模型更加接近真實的電力系統，為之后的研究作鋪墊。

2.2 風電場的構建

根據真實數據，一定數量的風電場需要被添加進所構建的模型中，為之后的分析做準備。實際上，數據顯示有六座風電場位于南部電網。在此模型中，每個風電場由若干發電機組成，與此同時，各個發電機被設定輸出同樣的功率。風電場內的所有發電機均選自DIgSILENT 中的通用模型，各個電場的種類相同，并且，相應的母線種類被設定成PQ 節點，因為其無功功率可以被控制［4］。此外，各個風電機組被直接連接在一個公共耦合點，其電壓水平為19kV。然后，將此連接點與一個具有同樣電壓水平的單母線相連。最后，此母線的另一側，通過一段特殊輸電線與一個PV節點相連或者通過變壓器與一個電壓為330kV 的輸電母線相連。在此模型中，所有與風電場有關的輸電線及變壓器被設定具有相同的種類。此類型選自軟件中自帶的全局類型選項，其中，線路長度默認為20km，變壓器的電壓等級為330kV，容量為225MVA。同時，對風電場站內控制器的cosphi （P）特性中的過勵磁及欠勵磁功率因數進行配置。當風電場輸出的有功功率低于過勵磁設定的值時，其功率因數將被鎖定在1；當風電場輸出的有功功率高于欠勵磁設定的值時，其功率因數將被鎖定在0.93。

至此，進行暫態分析所需的模型搭建完成。

3 系統暫態穩定性分析

在世界范圍內，電力系統中風能的普及率與日俱增，那么，系統的暫態穩定性分析就變得尤為重要。暫態穩定性分析在電力系統穩定性分析中占有重要地位，因此本文重點關注。那么，在暫態穩定性分析中，通常需要關注臨界切除時間，因為其被視為必不可少的測量參數［7］。根據定義，臨界切除時間是系統在發生故障后，在確保不會發生功角不穩定的情況下，切除故障所需的最大時間［7］。臨界切除時間在電力系統繼電保護設計中是必不可少的。事實上，在DIgSILENT PowerFactory 中，具有判斷電機是否失去同步率的功能。在軟件的用戶手冊中，參考失步檢測或者‘pole-slip’來調用此功能［7］。因此，本文用此方法來評估不同情形下臨界切除時間的值。對于開展暫態穩定性分析，發生在輸電線上的短路故障被視為最普遍的大擾動［7］。本文將在不同情形下觀察分析當三相短路發生在輸電線上時的影響。

3.1 短路點的選擇

為了確保臨界切除時間的準確性，同時考慮到對同步發電機暫態穩定性的最大影響，理論上，三相短路故障應該發生在距離發電廠最近的與發電機組相連的母線附近。在這種情況下得到的臨界切除時間一定短于發生在電力系統更遠區域的其他短路故障對同步電動機暫態穩定性分析所得到的臨界切除時間［5］。具體來說，如果斷路器的動作時間比電力系統中發電機的最小臨界切除時間短，那么系統任何部分發生的短路故障都不會對發電機的暫態穩定性產生消極影響。因此，基于上述理論，三相短路故障被施加在輸電線2201-2202 上，為不同情境下評估臨界切除時間做準備

3.2 仿真系統的暫態穩定性分析

根據某地區的新能源發電廠在2017/4/18 日18：20：07 的數據，大部分電廠的地理位置及能源種類可以被確定。本文主要分析風電場的影響，所以重點關注該區域內的六座風電廠。基于各個電廠的地理位置，可以確定，六座電廠均位于南部電網。因此，從南部電網開始進行暫態穩定性分析。沒有將風電場并入的原始模型作為基礎案例，通過DlgSlLENT 中自帶的‘Pole-slip’功能得到其臨界切除時間。隨后，對基礎案例進行修改，使得不同情境下對臨界切除時間的影響可以被觀測、對比。本文主要進行三種案例的分析，其結果將被一一列舉在下文。

3.3 基礎案例

基于該區域電網數據搭建的模型被視為原始案例，意味著系統內所有的同步電機承擔著電源供給任務。在DlgSlLENT 中運行電力潮流功能，輸電線2201-2202 是距離發電廠母線最近的輸電線，與此同時，與南部電網中其他的數電線相比，其有功功率的流動是最高的。因此，此線路被設為暫態穩定性分析的測試點。接著，為了完成軟件內RMS 仿真所需的設定，三相短路以及開關分合動作需要被布置。具體來說，因為大部分的研究是關于控制策略及電能質量的研究，所以基于電機暫態模型的RMS 仿真是非常適合長時間的無瞬態模擬的［6］。隨后，通過DlgSlLENT 自帶的‘Pole-Slip’功能，此系統的臨界切除時間為685.9ms。

3.4 第一案例

增加南部電網發電機功率的輸出，與此同時降低中部電網相應的輸出。那么，增加減少的電能量是根據該區域內六座風電場的輸出決定的，其值為110MW。這意味著，在此案例中，各個部分電網的功率變化只發生在原始的同步電機上，與新能源發電機無關。此案例下的臨界切除時間減小至516.5ms。施加一個700ms 的三相故障，其結果請參考圖1。顯然，三部分電網內的電機轉速均有所提升，尤其是位于南部電網的電機，其轉子轉速隨著時間有顯著的提升。這是因為在發電機的功率曲線圖中，他們的加速面積大于其減速面積。與基礎案例相比，臨界切除時間有所減少，這意味著系統的暫態穩定性有所下降。

圖1 發電機內部轉速（故障持續時間700ms）

3.5 第二案例

在這一案例中，為了分析風電場并入后對系統暫態穩定性的影響，單一的減小南部電網內一些同步電機的輸出功率，同時使預先搭建好的風電場投入使用。風電場的輸出功率均需以該區域的新能源發電廠的數據為準，其值與同步電機減小的輸出值相匹配。值得注意，此時風電場是通過容量為255MVA的變壓器與具有輸電電壓的母線相連的。

在這種情形下，臨界切除時間增加至621ms，這意味著系統的暫態穩定性同以上案例相比有所提升。因此，如果這些風電場被部署在該區域，對該區域電網的穩定性有積極作用。為了分析將風電場部署在南部電網而不是傳統電機的影響，將時長為550ms的短路故障施加在輸電線2201-2202 之上。與此同時，觀察母線2201 以及2202 在發生故障時的壓降，案例二的壓降略大于案例一。這是因為在雙饋感應發電機運行的情況下，故障發生時所支持的無功電流將被限制在近乎額定電流大小［7］。然而，傳統同步電機具有強大的熱過載承受能力，并且其所支持的無功電流是系統額定電流的三至四倍［7］。系統壓降增大，意味著系統將要消耗更多的時間來恢復電壓崩潰，這可能會使保護設備誤動作或者損害電氣設備。事實上，上述電壓恢復能力的減弱也是風電場中功率因數控制的結果。

3.6 第三案例

為了更明確地分析風電場的涌入對系統的影響，六座風電場被直接連接在19kV 母線側。由于輸電系統內存在無功損耗，那么風電場的無功功率的貢獻相對來說是非常少的，這意味著傳統的同步電機將在更低的功率因數下運行。然而，上述情況可以通過無功補償措施來彌補，比如，電容器組和靜態補償器等。在現實情況下，如果風電場并網后產生巨大的功率補給，傳統的同步電機很可能會在更低的功率因數下運行。

在這種案例下，臨界切除時間降低至583ms，這與第一案例很接近。同樣地，減少的臨界切除時間意味著該系統的暫態穩定性減弱了，與上一案例相比，更加容易受到故障的影響

4 結束語

本文研究了風電場的滲入對真實電網靜態穩定性的影響。為了實現該目的，在DlgSlLENT Powerfac‐tory 中，根據某區域真實的電網數據搭建模型并進行分析。基本上，對于系統的暫態穩定性研究，本文進行了三種案例分析，它們是：

① 改變系統內同步電機的位置。

② 風電場并入輸電電壓水平。

③ 風電場并入19kV電壓水平。

根據上述仿真結果，改變發電廠的位置為系統的暫態穩定性帶來不利影響。然而，如果用風電場替換傳統發電廠，并將其并入系統內輸電電壓水平的母線上，電網的暫態穩定性將有所提升。另一方面，將風電場與19kV 母線連接后，由于風電機組較低水平的無功貢獻，系統的暫態穩定性將下降。實際上，有不同種類的發電機可以被定義為風力發電機，比如，雙饋感應發電機、異步電機，靜電發生器等。在此研究中，風電機組均由靜電發生器指代，這意味著本文對暫態穩定性的研究僅限于該發電技術之下。此外，在第二第三案例之中，風電場被連接在不同電壓等級的母線上，因此，對于其他形式的連接，需要進行單獨的分析。