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(1. 三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院， 湖北 宜昌　443002； 2. 國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司 宜昌供電公司， 湖北 宜昌　443002； 3. 三峽大學(xué) 國(guó)際文化交流學(xué)院， 湖北 宜昌　443002)

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風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定研究

智李1張?chǎng)稳?鄧燁2何博雅3

(1. 三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院， 湖北 宜昌443002； 2. 國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司 宜昌供電公司， 湖北 宜昌443002； 3. 三峽大學(xué) 國(guó)際文化交流學(xué)院， 湖北 宜昌443002)

摘要：風(fēng)電是間歇性電源且常和電力電子裝置一起接入電力系統(tǒng).因此，風(fēng)電場(chǎng)的接入有可能影響原系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和電能質(zhì)量．隨著風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量和風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模的增大，風(fēng)能的隨機(jī)性、間歇性和不可調(diào)度性的缺點(diǎn)使其并網(wǎng)后對(duì)電力系統(tǒng)的影響也越來(lái)越明顯．風(fēng)電功率的注入將改變當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的潮流分布，引起局部電網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)電壓產(chǎn)生波動(dòng)，而且大規(guī)模風(fēng)電的接入會(huì)對(duì)系統(tǒng)的功角暫態(tài)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響．利用Matlab/Simulink軟件進(jìn)行仿真，將定風(fēng)速風(fēng)電機(jī)組接入三機(jī)九節(jié)點(diǎn)的經(jīng)典模型，仿真分析風(fēng)電并網(wǎng)后對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響．

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；風(fēng)電機(jī)；暫態(tài)穩(wěn)定；Matlab/Simulink

本文對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)后電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定和運(yùn)行控制問(wèn)題進(jìn)行研究，通過(guò)仿真分析研究大規(guī)模風(fēng)電接入對(duì)電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響，在此基礎(chǔ)上提出相關(guān)暫態(tài)預(yù)防措施，為風(fēng)電場(chǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)及運(yùn)行和大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)順利并網(wǎng)提供理論準(zhǔn)備和技術(shù)支撐[1-3]．

1風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的模型

1.1定速風(fēng)電機(jī)組模型及風(fēng)速模型

基于普通感應(yīng)發(fā)電機(jī)的定風(fēng)速風(fēng)電機(jī)組，一般由風(fēng)輪，軸系(包括低速軸LS、高速軸HS和齒輪箱組成)、感應(yīng)發(fā)電機(jī)等組成，如圖1所示．發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通過(guò)軸系與風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪連接，而發(fā)電機(jī)定子回路與電網(wǎng)用交流線路連接．這種類型的風(fēng)電機(jī)組一旦啟動(dòng)，其風(fēng)輪轉(zhuǎn)速是不變的，它取決于電網(wǎng)的系統(tǒng)頻率，與風(fēng)速無(wú)關(guān)．在電力系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速隨感應(yīng)發(fā)電機(jī)的滑差變化．風(fēng)電機(jī)組在額定功率運(yùn)行狀態(tài)下，發(fā)電機(jī)的滑差變化為1%～2%，因此正常運(yùn)行時(shí)的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速僅在很小范圍內(nèi)變化[4]．

圖1　基于普通感應(yīng)點(diǎn)擊的定速風(fēng)電機(jī)組

定速風(fēng)電機(jī)組工作原理：風(fēng)電機(jī)組通過(guò)三葉片風(fēng)輪將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，風(fēng)輪輸出的機(jī)械功率為

式中，ρ表示空氣密度；v表示通過(guò)風(fēng)力機(jī)葉片的風(fēng)速；λ，R，ω分別為葉尖速比、葉片旋轉(zhuǎn)半徑、葉片旋轉(zhuǎn)角度；A表示葉片掃風(fēng)面積；CP與葉尖速比λ以及葉片槳距角β有關(guān)[5]．

定速風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)輪從風(fēng)中獲取機(jī)械能，然后通過(guò)齒輪軸系傳遞給感應(yīng)發(fā)電機(jī)，感應(yīng)發(fā)電機(jī)再把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，輸送到電網(wǎng)中．感應(yīng)發(fā)電機(jī)無(wú)法控制無(wú)功功率，同時(shí)從電網(wǎng)吸收無(wú)功功率用來(lái)勵(lì)磁．因?yàn)檫@種類型的感應(yīng)發(fā)電機(jī)無(wú)法控制無(wú)功功率，所以利用無(wú)功補(bǔ)償器來(lái)改善風(fēng)電機(jī)組的功率因數(shù)，降低機(jī)組從電網(wǎng)中吸收的總的無(wú)功功率[6-7]．現(xiàn)代定速風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速為15～20 r/min，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的同步轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率相對(duì)應(yīng)．定速風(fēng)電機(jī)組可以采用定槳距控制，也可以采用葉片角控制．

本文中風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)速模型采用了用隨機(jī)發(fā)生模塊器(uniform random number)來(lái)模擬實(shí)際中的隨機(jī)風(fēng)[8]，如圖2所示．

圖2　定速風(fēng)電機(jī)組子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)模型

一臺(tái)額定功率為1.5 MW的定速風(fēng)電機(jī)組接入三機(jī)九節(jié)點(diǎn)的模型中，該三機(jī)九節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)如圖3所示，該風(fēng)力發(fā)電機(jī)在變壓器T3的高壓側(cè)靠近母線B3的地方并入風(fēng)電場(chǎng)，通過(guò)一個(gè)變壓器接入電網(wǎng)，同時(shí)在附近系統(tǒng)增加了一個(gè)2 MW的負(fù)荷．

圖3　三機(jī)九節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)圖

該系統(tǒng)參數(shù)如下所示.

發(fā)電機(jī)參數(shù)：

變壓器參數(shù)：

T1：16.5/230 kV，XT=0.057 6；

T2：18/230 kV，XT=0.062 5；

T3：13.8/230 kV，XT=0.058 6．

線路參數(shù)：

Line1：Z=0.01+j0.085，B/2=j0.088；

Line2：Z=0.032+j0.161，B/2=j0.153；

Line3：Z=0.017+j0.092，B/2=j0.079；

Line4：Z=0.039+j0.17，B/2=j0.179；

Line5：Z=0.008 5+j0.072，B/2=j0.074 5；

Line6：Z=0.011 9+j0.100 8，B/2=j0.104 5．

負(fù)荷

LumpA：125+j50 MV·A，

LumpB：90+j30 MV·A，

LumpC：100+j35 MV·A．

利用Simulink搭建的模型如圖4所示．

圖4　風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)模型

2風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)的影響

2.1風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的潮流計(jì)算

風(fēng)電并網(wǎng)后的潮流計(jì)算是進(jìn)一步分析其對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性等方面影響的基礎(chǔ)．系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)組有3臺(tái)，定速風(fēng)電機(jī)組1臺(tái)，系統(tǒng)中視為PQ節(jié)點(diǎn)，G1設(shè)為平衡節(jié)點(diǎn)，發(fā)電機(jī)相連母線潮流計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1．

表1　發(fā)電機(jī)相連母線潮流計(jì)算結(jié)果

系統(tǒng)中其余節(jié)點(diǎn)設(shè)為PQ節(jié)點(diǎn)，潮流計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2．

表2　負(fù)荷節(jié)點(diǎn)潮流計(jì)算結(jié)果

2.2風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電壓穩(wěn)定性的影響

分析風(fēng)電場(chǎng)接入對(duì)系統(tǒng)電壓的影響，在母線B3附近發(fā)生三相短路故障，故障在1 s時(shí)發(fā)生，1.1 s切除．母線B1，B2，B3的電壓如圖5～6所示，圖5是風(fēng)電場(chǎng)未接入時(shí)母線電壓變化情況，圖6是風(fēng)電場(chǎng)接入后母線電壓變化情況．

圖5　風(fēng)電場(chǎng)未接入，母線B1、B2、B3的電壓幅值變化

圖6　風(fēng)電場(chǎng)接入后，母線B1、B2、B3的電壓幅值變化

由圖5～6可知風(fēng)電場(chǎng)未接入時(shí)，離故障點(diǎn)最近的B3處母線電壓最低值降至0.2 p.u.，電壓大約在1.8 s恢復(fù)至穩(wěn)定值，較快恢復(fù)至正常值；風(fēng)電場(chǎng)接入后，離故障點(diǎn)最近的B3處母線電壓在故障后降為0，在切除故障后，電壓經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的波動(dòng)才恢復(fù)至穩(wěn)定值，大約在3 s電壓恢復(fù)到穩(wěn)定值．

2.3故障點(diǎn)位置對(duì)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響

當(dāng)短路故障位置靠近大系統(tǒng)側(cè)時(shí)，由于大系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)電壓的影響就較小；當(dāng)短路故障位置靠近風(fēng)電場(chǎng)側(cè)時(shí)，由于風(fēng)電場(chǎng)位于電網(wǎng)末端，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱，再加上風(fēng)速的隨機(jī)性和間歇性，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的影響就較大．

系統(tǒng)在1 s發(fā)生三相短路故障，在1.1 s切除，選擇兩處不同故障點(diǎn)，故障點(diǎn)一個(gè)在母線B4附近，離風(fēng)電場(chǎng)較遠(yuǎn)；一個(gè)在母線B3附近，離風(fēng)電場(chǎng)較近．發(fā)生故障時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，有功，無(wú)功，電壓變化如圖7～8所示．

圖7　B4處故障，風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，有功，無(wú)功，電壓變化

圖8　B3處故障，風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，有功，無(wú)功，電壓變化

從圖7～8可以看出，在較遠(yuǎn)處B4發(fā)生三相短路故障時(shí)：1)電壓降落至0.7 p.u.左右，恢復(fù)時(shí)瞬間電壓高達(dá)1.8 p.u.，風(fēng)電場(chǎng)輸出有功功率：波動(dòng)時(shí)最大值達(dá)到2 p.u.，風(fēng)電場(chǎng)輸出無(wú)功功率：波動(dòng)時(shí)最大值達(dá)0.5 p.u.．2)較近處B3發(fā)生三相短路故障時(shí)，電壓降落至0，恢復(fù)時(shí)電壓瞬間高達(dá)2.9 p.u.，風(fēng)電場(chǎng)輸出有功功率：波動(dòng)時(shí)最大值達(dá)到7 p.u.，風(fēng)電場(chǎng)輸出無(wú)功功率：波動(dòng)時(shí)最大值達(dá)2.5 p.u.．

由以上分析可見(jiàn)，在離風(fēng)力發(fā)電機(jī)較近處發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)的電壓降落較為嚴(yán)重，為了維持極端電壓，吸收的無(wú)功功率是在較近處發(fā)生故障吸收無(wú)功功率的5倍．在離風(fēng)電機(jī)越近的地方發(fā)生故障，電壓，有功功率，無(wú)功功率波動(dòng)越嚴(yán)重．

3切負(fù)荷提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性

提高暫態(tài)穩(wěn)定的措施有多種，本文僅從切負(fù)荷角度分析切負(fù)荷對(duì)暫態(tài)穩(wěn)定的影響．系統(tǒng)在0.2 s發(fā)生故障，在0.3 s切除，系統(tǒng)穩(wěn)定，如圖9所示．從上到下依次為發(fā)電機(jī)12，發(fā)電機(jī)13，發(fā)電機(jī)23之間的系統(tǒng)功角圖．而在0.31 s切故障后，系統(tǒng)暫態(tài)不穩(wěn)定，功角圖如圖10所示．故障后0.1 s切除母線4上的負(fù)荷A 20%，仍然0.31 s切除故障，系統(tǒng)功角圖如圖11所示．由此可見(jiàn)，在同一故障切除時(shí)間，切除一部分負(fù)荷后，系統(tǒng)由暫態(tài)不穩(wěn)定變?yōu)闀簯B(tài)穩(wěn)定．所以，切負(fù)荷可以提高風(fēng)機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性．

圖9　0.3 s切除故障系統(tǒng)功角圖

圖10　0.31 s切除故障系統(tǒng)功角圖

圖11　0.31 s切故障、切負(fù)荷系統(tǒng)功角圖

4結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，建立了風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的模型，從潮流計(jì)算、系統(tǒng)功角、電壓的變化及暫態(tài)穩(wěn)定幾個(gè)方面進(jìn)行了分析，得出了風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)的潮流、電壓、暫穩(wěn)的影響，在此基礎(chǔ)上提出了提高暫穩(wěn)的措施，并進(jìn)行了驗(yàn)證分析．

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[責(zé)任編輯張莉]

收稿日期：2015-10-08

基金項(xiàng)目：國(guó)家863高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(2012AA050207)；三峽大學(xué)人才科研啟動(dòng)項(xiàng)目(KJ2014B011)；三峽大學(xué)科研項(xiàng)目(SDHZ2015258，SDHZ2015195)；湖北省微電網(wǎng)工程技術(shù)研究中心開放基金(2015KDW10)

通信作者：智李(1983-)，女，助教，碩士，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行與控制．E-mail：zhiwanzhili@126.com

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.02.011

中圖分類號(hào)：TM743

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-948X(2016)02-0047-04

Studies of Transient Stability of Wind Power Access Grid System

Zhi Li1Zhang Xinrui1Deng Ye2He Boya3

(1. College of Electrical Engineering & Renewable Energy, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China；2. Yichang Electric Company of State Grid Hubei Electric Power Company, Yichang 443002, China； 3. College of International Communications, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China)

AbstractThe wind power is intermittent, and often with power electronic devices connected to the system. Therefore, wind farm access has an impact on the operation of the power system, is likely to affect the original system reliability, stability, and power quality.As the wind unit capacity and the increasing scale of wind farm, wind power randomness, the disadvantages of intermittent and scheduling sex makes it after the interconnection influence on power system is becoming more and more obvious. Injection of wind power will change the tide of the local power grid distribution, cause local grid node voltage fluctuations; and large scale wind power access will affect the power-angle transient stability of the system. Using Matlab/Simulink software simulation, with wind turbines in the three-machine nine nodes classical model, the simulation analysis of wind power access grid after effect on system transient stability, is made.

Keywordspower system;wind speed;transient stability;Matlab/Simulink