含大规模风电接入的电力系统动态特性模拟与分析

邱道尹, 胡荷娟, 顾 波

(华北水利水电大学 电力学院,河南 郑州 450011)

含大规模风电接入的电力系统动态特性模拟与分析

邱道尹, 胡荷娟, 顾 波

(华北水利水电大学 电力学院,河南 郑州 450011)

大规模风力发电接入对电力系统稳定运行有较大影响,研究含大规模风电接入的电力系统动态特性具有重要意义。论文分析了风力发电机组、水力发电机组和汽轮发电机组的工作原理并建立了对应的数学模型。在此基础上,构建了含风力发电机组、水力发电机组和汽轮发电机组的多源混合电力系统模型,在风速波动条件下,对该系统模型进行了仿真分析。仿真结果表明:当风电机组输出功率发生变化时,本文所提出的混合模型能够准确描述电力系统主要参数的动态特性。

风力发电机组; 水力发电机组; 汽轮发电机组; 混合电力系统; 系统动态特性

1 引 言

化石能源发电所引起的环境污染问题已经成为制约国家能源可持续发展战略的一大障碍,利用无污染、可再生的新能源代替化石能源发电,是未来电力发展趋势之一[1-4]。风电作为新能源发电中的一种,具有清洁、储存量大和易于开发等优点,被广泛开发和利用。由于风电的随机不确定性,大规模风电的接入,给电力系统稳定运行带来了一定的挑战。因此,含大规模风电接入的电力系统动态特性研究,对提高风电的开发利用具有重要意义。

目前,关于多源混合发电系统,国内外学者进行了大量的研究,取得了一定的研究成果。Baghdadi 等人建立了含光伏发电、风力发电和柴油发电的混合发电系统,并对系统的配比进行了优化,进一步提高了清洁能源的利用效率。研究分析表明:系统约70%的能源能够由可再生能源能提供[5]。Brandoni等人建立了由光伏发电和燃气轮机发电构成的热电冷联供系统(CCHP),并提出了相应的能源优化控制策略。仿真结果表明,该系统比单独的天然气热电冷联供(CCHP)系统每年可减少20%～30%的天然气消耗量[6]。为了提高光伏发电效率,减少二氧化碳排放量和克服光伏发电的间歇性,Shah建立了含光伏发电系统和储能系统的热电联产混合动力系统,用于给住户提供电能和热能,通过实践应用验证了该系统的可行性[7]。由于可再生能源的不可靠性,Khare,et al.结合含风电和太阳能的混合发电系统讨论了含两种或两种以上能源的混合发电系统的可行性分析、优化设计、建模、控制方面和可靠性的问题[8]。

文献[9]构建了含风-光-沼气的分布式发电系统,并利用改进的自适应遗传算法对此系统进行优化控制,提高系统的稳定性和经济性。文献[10]提出了一种风-光-水混合发电系统,仿真结果表明:风力发电、光伏发电和水力发电的互补性显著,可解决电能生产与消费在时间上的不平衡问题。文献[11]提出一种风-光-蓄混合发电系统,并利用遗传算法对该独立风-光-蓄混合发电系统进行优化设计,仿真结果表明:独立风-光-蓄混合发电作为一种新型发电方式,可以 减少有害气体的排放。文献[12]以风电机组、燃料电池和超级电容组成的混合发电系统为研究对象,研究了分布式电源的运行特性,并设计了对应的系统控制器和能量管理策略。仿真结果表明:该混合发电系统不仅能够有效利用风能,而且能够跟踪负荷变化。

以上文献对多源混合的分布式发电系统结构、运行特性及优化控制进行了深入研究,并取得了一定的研究成果。但是,由于多源混合发电系统的复杂性和结构的多样性,仍然有大量的技术问题没有得到解决,特别是对于大规模风电接入对电力系统运行稳定性影响的研究相对较少,影响了风电的进一步开发利用。为此,本文提出的含大规模风电接入的电力系统动态特性研究具有重要意义。在风速变化的条件下,对该电力系统模型的动态特性进行了仿真分析。

2 风力发电原理

风力发电就是将风能转化为机械能,进而转化为电能的过程。风力机是风力发电系统中能量转化的首要环节,用来截获流动空气所携带的动能,并将其中的一部分动能转化为机械能。因此,风力机不仅决定了整个风力发电系统的输出功率,而且直接影响风力发电系统的安全及稳定性等,是风力发电系统中的关键部件。

根据空气动力学知识,风力机的输入功率Pv可由式(1)表示:

(1)

式(1)中,v为进入风力机扫掠面之前的空气流速;ρ为空气密度;Sw为叶片扫掠面积。

由于通过风轮旋转面的风能仅有部分被吸收,故可定义风能利用系数Cp来表征风力机捕获风能的能力。Cp的表达式如式(2)所示:

(2)

这样风力机的输出机械功率为

(3)

式中,DW为风轮直径。

风能利用系数Cp是表征风力机运行效率的重要参数,它可由叶尖速比λ和桨距角β决定,其中叶尖速比λ的计算过程如式(4)所示:

(4)

式中,λ为叶尖速比;R为风轮半径;ω为叶片旋转的角速度。

目前,常用的风力机为变桨距风力机。变桨距风力机特性通常由一簇风能利用系数Cp的曲线来表示,如图1所示。风能利用系数Cp可由叶尖速比λ、桨距角β进行表示,即Cp(β,λ)。Cp与β和λ之间关系可由式(5)和(6)进行计算。

(5)

(6)

图1描述了Cp与λ和β之间的耦合关系。

图1 Cp与β和λ之间的关系Fig.1 Coupling relationship between Cp,β and λ

风电机组在实际运行过程中,主要运行于额定风速以下,在此条件下桨距角为0度,此时,Cp的大小只与λ有关,如图2所示。

图2 Cp与λ之间的关系Fig.2 Coupling relationship between Cp and λ

3 水轮机工作原理

水轮机是将水能转化为机械能、进而转化为电能的设备。水流从高处进入水轮机,通过与水轮机转轮的相互作用,把自身的动能转化为旋转机械能。水轮机与发电机相连,水轮机带动发电机一起旋转,将自身的旋转机械能转化为电能。水流的势能转化为动能的功率P0可用式(7)表示:

(7)

式(7)中,ρ为水密度,v是水流速度,A为水轮机叶轮的迎流面积。

水轮机叶尖速比为:

(8)

式(8)中,R为水轮半径,ω为水轮旋转的角速度。

水流的能量利用效率Cp可由式(9)进行计算:

(9)

式中,Cp是叶尖速比λ和桨距角β的函数。在桨距角和水流流速一定的情况下,叶尖速比与转速成正比,故水轮机所获得的功率只取决于水轮机旋转速度ω。水轮机的输出功率可由式(10)进行计算:

(10)

水轮机功率-转速曲线如图3所示。v1、v2、v3表示不同的水流速度,Pv为速度v对应的功率.从图3可知,不同流速下转速-功率曲线相似,在某一流速下,存在一确定的转速与最大功率点,如流速为v1时,最大功率点的转速为ω1。

图3 输出功率与转速关系曲线Fig.3 Relationship curve of power output and rotation speed

4 汽轮机工作原理

汽轮机是将蒸汽的热能转变成动能,再将动能转变成机械能的设备。汽轮机的转子与发电机转子相连,汽轮机转子带动发电机转子转动,将机械能转化为电能。为了提高汽轮机的利用效率,根据压力变化将汽轮机的内部进行分级控制。

汽轮机的级内功率Pi可由式(11)进行计算:

(11)

其中,qm0为进气量,ΔHi为有效内焓降,ηri为内效率,ηri是级的有效内焓降ΔHi与理想焓降ΔHt之比,即

(12)

汽轮机的级有效功率Pefi等于内功率转换的机械功率,可由式(13)进行计算:

(13)

式(13)中,ηm为机械效率。

汽轮机的级发电功率Pei等于级有效功率转换的电功率,可由式(14)计算:

(14)

式(14)中,ηg为发电效率。

汽轮机一般由若干个级构成,汽轮机的总功率Pe可由式(15)计算:

(15)

式(15)中,n为汽轮机的级数。

5 多源混合模型建立

为研究大规模风电接入对电力系统稳定特性的影响,根据上述数学模型,建立了含风力发电机组、水力发电机组和汽轮发电机组多的源混合电力系统模型,如图4所示。图中G1为水力发电机组,机组容量为247.5 MWA,输出电压16.5 KV,功率因数为1;G2为汽轮发电机组,机组容量为192 MWA,输出电压18 KV,功率因数为0.85;G3为风力发电机组,机组容量136.5 MWA,输出电压13.8 KV。风力发电机组容量约占系统容量的24%,满足大规模风电接入的电力系统条件。

在计算过程中,选择水力发电机组G1为平衡节点,设置其电压幅值为1.04 pu,电压参考相角为零度;风力发电机组G2和汽轮发电机组G3为PV型节点,节点有功出力分别为1.63 pu和0.85 pu,节点电压为1.025 pu。整个系统的参数如表1所示。

图4 多源混合发电系统结构Fig.4 Structure of multi-source hybrid power generation system

线路编号线路长度(Km)阻抗RX导纳GB输电线路1500．01000．08501．3652-11．60412500．1700．9201．9422-10．510731000．03200．16101．1876-5．975141000．03900．17001．2820-5．58825500．00850．07201．6171-13．698061000．01190．10081．1551-9．7843发电机100．11840-8．4459200．18230-5．4855300．23990-4．1684负荷A1．2610-0．2634B0．8777-0．0346C0．9690-0．1601

6 仿真与分析

根据上述系统结构和参数,构建了系统模型,并对系统进行仿真分析。图5为多源混合电力系统中风力发电机组、水力发电机组及汽轮发电机组的动态过程特性图。

5 发电机组输出功率的动态特性曲Fig.5 Dynamic characteristics curve of actual power output

图5中,在0s～10s期间,风力发电机组的风速为8m/s,整个多源混合电力系统处于静态平衡状态。在10s时,输入风速由8m/s变为6m/s,风力发电机组的输出功率迅速减小,为维持系统功率平衡,水力发电机组和汽轮发电机组的输出功率开始增加。由于水力发电机组的功率爬坡速率快于汽轮发电机组的功率爬坡速率,水力发电机组输出功率的增加速率明显快于汽轮发电机组输出功率的增加速率。图5中10s～28s期间的功率变化曲线客观反映了风力发电机组、水力发电机组及汽轮发电机组输出功率的动态变化过程。

在12s时,风力发电机组、水力发电机组及汽轮发电机组的输出功率之和等于负载功率,系统处于暂态平衡。12s以后,由于汽轮发电机组的时间惯性大,汽轮发电机组的输出功率将继续增加,为维持系统稳定,风力发电机组及水力发电机组的输出功率之和应该不断减少,同时,汽轮发电机组输出功率的增加量也应该不断减小。由于风力发电机组的功率爬坡速率慢于水力发电机组的功率爬坡速率,致使风力发电机组的功率调节过程慢于水力发电机组的功率调节过程。图5中12s～28s期间的功率变化曲线真实反映了风力发电机组、水力发电机组及汽轮发电机组输出功率的动态变化过程。

在28s时,汽轮发电机组达到其输出功率的最大值。在28s之后,由于汽轮发电机组的大时间惯性,汽轮发电机组的输出功率将继续减小,为维持系统稳定,风力发电机组及水力发电机组的输出功率之和应该不断增加。风力发电机组、水力发电机组及汽轮发电机组在28s之后进入动态平衡状态,直至90s左右,整个多源混合电力系统达到静态平衡状态。

图6为风力发电机组输出的无功功率变化特性图。由图6可知,由于风力发电机组输出的有功功率减少,水力发电机组输出的有功功率增加,而水力发电机组的功率因数为1,使得系统的功率因数增加。为维持系统功率因数的稳定,风力发电机组加大无功功率的输出。

图6 风力发电机组输出的无功功率动态特性Fig.6 Reactive power output dynamic change processes of wind turbines

图7为风力发电机组输出端的电压动态变化过程图。由图7可知,随着风力发电机组输出无功功率的增加,风力发电机组的机端电压相应增加。

图8为风力发电机组输出电流的动态变化过程图。从图中可知,在10s时,由于风速从8m/s变为6m/s,风力发电机组的输出功率减小。由于风力发电机组的输出端连接到电网上,风力发电机组输出端电压稳定,使得风力发电机组的输出电流减小。

由于以上分析过程,本文所构建的含风力发电机组、水力发电机组和汽轮发电机组的多源混合电力系统模型,在风力发电机组输出功率变化时,能够准确描述系统的动态变化过程,为进一步研究含大规模风电接入的电力系统稳定运行特性提供支撑。

图7 .风力发电机组输出的电压动态特性Fig.7 Voltage output dynamic change processes of wind turbines

图8 风力发电机组输出的电流动态特性Fig.8 Current output dynamic characteristics of wind turbines

6 结 论

本文通过仿真分析了风力发电机组、水力发电机组和汽轮发电机组工作原理,建立了对应的数学模型。构建了含风力发电机组、水力发电机组和汽轮发电机组多源混合电力系统模型并进行了仿真。仿真结果表明,当风力发电机组输出功率发生变化时,本文所建的多源混合电力系统的模型能够准确描述电力系统各个组成部分的动态变化特性,为进一步研究含大规模风电接入的电力系统稳定运行提供支撑。

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邱道尹 男(1961-),江苏丹江人,教授,研究生导师,模式识别、智能检测与自动控制技术等。

胡荷娟 女(1989-),河南周口人,硕士生,从事模式识别与智能系统和风电方面的研究。

Simulation and Analysis of Dynamic Characteristic for PowerSystem with Large Scale Wind Power

QIUDaoyin,HUHejuan,GUBo

(College of Electricity,North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power,Zhengzhou 450011,China)

It is of great importance to investigate the dynamic characteristics of power system with large scale wind power.Large scale wind power accessing to power system has significant influence on stable operation of power system.The principles of the wind turbine generation unit,hydraulic turbine generation unit and steam turbine generation unit are analyzed respectively,and the corresponding mathematical model are established.On the basis of the above,the model of multi-source hybrid electric power system including wind turbine generation unit,hydraulic turbine generation unit and steam turbine generation unit is constructed.This hybrid model is analyzed by simulation under the condition of wind speed fluctuation.The simulation results show that,the proposed hybrid model can accurately describe the dynamic characteristics of the main parameters of power system when the output power of the wind turbine changes.

wind turbine generation unit; hydraulic turbine generation unit; team turbine generation unit; the hybrid power system; dynamic characteristics of system.

TK 81

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