大规模风电接入对电力系统动态特性影响的研究

孙元存,　刘三明,　王致杰,　曹天行,　刘　剑

(上海电机学院 电气学院,上海　201306)



大规模风电接入对电力系统动态特性影响的研究

孙元存,刘三明,王致杰,曹天行,刘剑

(上海电机学院 电气学院,上海201306)

摘要：本文针对风电场并网对电力系统小干扰稳定性问题进行了研究。建立了风电场的模型,利用小干扰稳定理论,将系统线性化,根据状态矩阵的特征值,定性的分析了两区域互联系统并网前后阻尼特性的变化情况。搭建了两区域四机系统,将风电场并入,仿真结果表明:风电场并网后系统的动态特性变差并且风电场接在不同区域系统表现出的稳定性不同。

关键词：风电场; 动态特性; 电力系统; 小干扰稳定

1引言

风电具有随机性、波动性,随着风电场的装机规模越来越大,使得电网阻尼特性及电力系统小干扰稳定性问题更加突出。因此对大规模风电场接入对电力系统的阻尼特性和小干扰稳定问题的研究十分必要。文[1-4]搭建了经典的四机两区域系统,得到当风电场并入电网时,对所接相关区域的区域间振荡频率影响较大的结论。

2小干扰稳定分析下风电场接入简单互联系统前后的阻尼特性

2.1小干扰稳定下简单互联系统

选取两机互联系统,功率由区域1送到区域2,选取两阶发电机模型,转子运动方程组为

(1)

式中Δω1、Δω2,,J1、J2,D1、D2,ΔPM1、ΔPM2,ΔPE1、ΔPE2分别为两台发电机的转速增量、功角增量、惯性时间常数、阻尼系数、机械功率的增量和电磁功率的增量。现假设机械功率在短时间内不变(ΔPM1=ΔPM2=0),转化为矩阵形式。

(2)

(2) 式中矩阵A对应的特征值为

在正常情况下,K11,K22,J1,J2都为正值,D为系统的阻尼,λ为系统的特征根。如果D>0,λ为负实部的共轭根,系统受到小扰动后,Δδ,Δω作衰减振荡,系统稳定;如果D<0,λ为正实部的共轭根,系统受到小扰动后,Δδ,Δω振荡发散,系统不稳定。

2.2 小干扰稳定下含风电机组的简单互联系统阻尼特性

将风电场接在区域1,不考虑负系统中的损耗和负荷变化,则

(3)

式中:ΔPS为风电场动态有功功率

接入风机后简单互联系统中同步发电机电磁功率的增量可以表示为

(4)

式中：US为风电场接入点的电压,δS为风电场接入点的相角,X1是接入点到发电机1的电抗,X2是接入点到发电机2的电抗。将风电场动态有功功率表示为

(5)

所以当风电场接入送电侧时,互联系统的状态空间方程为

(6)

当风电场接入受电侧时,互联系统的状态空间方程为:

(7)

3仿真与分析

3.1风电场建模

以某风电场实测的风速、功率作为分类指标,将该风电场33台机组等效为4台机组,风机单机容量是1.5MW,等值为A、B、C、D 4台机组,容量分别为9、18、18、4.5MW。在Matlab/Simulink中仿真[6],变量为发电机电磁功率Pe,功角δ,线路有功、无功P、Q[7]。

图1　四机两区域系统Fig.1　Two-area four-machine system

3.2风电场并网前后系统动态特性的比较

将等值的四台风机接入到区域1,每台风机风速为9、10、11、12 m/s。

图2(a)是机组1在风电场并网前后电磁功率的比较,图2(b)是图2(a)的局部放大图。

图3(a)是机组1在风电场并网前后功角的比较,图3(b)是图3(a)的局部放大图。

图4(a)是无故障传输线路在风电场并网前后有功、无功的比较,图4(b)是图4(a)的局部放大图。

图2　风电场并网前后机组1电磁功率Fig.2　Electromagnetic power of unit 1 after wind power plants grid-connected

通过选取发电机组G1的电磁功率、功角,以及传输线上的有功、无功功率为电气变量,看出风电场并网后系统的振荡频率变快且振荡幅度变大。说明风电场并网后系统的动态特性变差,小干扰稳定性变差。

3.3风电场接不同区域系统动态特性的比较

将风电场等值成四台机组,分别接入区域1和区域2每台机组的风速为9、10、11、12 m/s。

图5(a)是机组2在风电场并网点不同时电磁功率的比较,图5(b)是图5(a)的局部放大图。

图6(a)是机组4在风电场并网点不同时电磁功率的比较,图6(b)是图6(a)的局部放大图。

图7(a)是故障传输线路在风电场并网点不同时有功和无功功率的比较,图7(b)是图7(a)的局部放大图。

图3　风电场并网前后机组1功角Fig.3　Power angle of unit 1 after wind power plants grid-connected

图4　风电场并网前后无故障线路传输功率Fig.4　Trouble-free power transmission line after wind power plants grid-connected

通过选取发电机组G1、G4的电磁功率以及故障线路传输线上的有功、无功功率为电气变量,得到风电场并入送电侧时的振荡频率比较快且振荡幅度大,动态特性较差,风电场并入受电侧时的振荡频率比较慢且振荡幅度小,动态特性较好。由此得到风电场并入电力系统末端时,对系统的动态特性影响更小。

图5　风电场并网点不同时机组2电磁功率Fig.5　Electromagnetic power of unit 2 in different wind power plants grid-connected point

图6　风电场并网点不同时机组4电磁功率Fig.6　Electromagnetic power of unit 4 in different wind power plants grid-connected point

图7　风电场并网点不同时故障线路传输功率Fig.7　Trouble-free power transmission line in different wind power plants grid-connected point

4结论

本文用特征值分析法和时域仿真法来分析了大规模风电场接入对电力系统动态特性的影响。采用小干扰稳定的理论方法,在简单互联系统中对比分析了风电场接入前后系统的阻尼特性。建立四机两区域系统模型,仿真分析得出:

(1) 风电场并网后系统的动态特性变差。

(2) 风电场接入不同区域时系统的稳定性不同,接送电侧稳定性较差,接受电侧则较好。

参考文献:

[1]张红光.大容量风电并网对电力系统安全稳定的影响研究[D].华北电力大学博士学位论文,2008.

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[2]张红光,张粒子,陈树勇,等.大容量风电场对电力系统小干扰稳定和阻尼性的影响[J].电网技术,2007,31(13):75-80.

ZHANG Hongguang,ZHANG Lizi,CHEN Shuyong,et al.Influence of large scale wind farms on power system small signal stability and damping characteristic[J].Power System Technology,2007,31(13):75-80.

[3]张亚廷.大规模风电接入对系统动态稳定影响机理分析研究[D].山东大学硕士学位论文,2012. ZHANG Yating.Analysis of the impact of large wind power integration on power system dynamic stability[D].Shan Dong University Thesis for the Master Degree,2012.

[4]李扬.大规模风电集中接入对电网小干扰稳定性的影响研究[D].华北电力大学硕士学位论文,2013. LI Yang.The study of the influence of the large-scale integration of wind power generation on the small distur-bance stability of power system[D].North China Electric Power University Thesis for the Master Degree,2013.

[5]和萍,文福拴等.风电场并网对互联系统小干扰稳定及低频振荡特性的影响[J].电力系统自动化,2014,38(22):1-10. HE Ping,WEN Fuxuan.Impacts of wind power integration on small signal stability and low frequency oscillation characteristics of interconnected power systems[J].Autom-ation of Electric Power Systems,2014,38(22):1-10.

[6]PRABHA KUNDUR,电力系统稳定与控制[M].中国电力出版社,2001.

PRABHA KUNDUR,Power system stability and control[M].China Electric Power Press,2001.

[7]Mohd.Hasan Ali.Wind energy systems:solutions for power quality and stabilization[M].China Machine Press,2013.

孙元存男(1993-),江苏兴化人,硕士研究生,主要研究方向为风电。

刘三明女(1962-),山西人,教授,博士,主要研究方向为多目标规划、最优控制、电力系统规划与优化运行、风电场建模仿真及风电机组故障诊断技术。

中图分类号：TM 74

文献标识码：A

基金项目：上海市自然科学基金项目(15ZR1417300,15ZR1417200);上海市教委创新基金项目(15ZZ106,14YZ157))上海市闵行区科技项目(2014MH166);国家自然科学基金(11304200)

Study of the Impact of Large-scale Wind Power Access to Dynamic Characteristics of Power System

SUN Yuancun,LIU Sanming,WANG Zhijie,CAO Tianxing,LIU Jian

(College of Electrical Engineering,Shanghai Dianji University,Shanghai 201306,China)

Abstract：Small signal stability problem of wind power plants grid-connected is studied in this paper.The system is linearized by establishing the model of wind power plants and using small signal stability theory.In addition,using the characteristic root of state matrix to analyze the two area interconnected systems qualitatively and obtain the damping characteristic is necessary.Then,the study builds and simulates the classic two-area four-machine systems.The results demonstrate that the dynamic characteristics will be worse after wind power plants connect to grid,besides the stability of different area system of wind farm is different.

Key words：wind power plants; dynamic characteristics; power grid; small signal stability