基于动模实验的风电穿透功率极限研究

秦磊 姜天斌

摘要：利用动模实验模拟含风电场的地区电网，验证系统联络线从500kV主网吸收功率时情况下发生三相短路故障时的风电穿透功率极限值，并得出频率是制约该地区电网风电穿透功率极限值的主要因素。

关键词：动模实验；风电穿透功率极限；频率

风电功率波动或由于其他原因，可能致使整个风电场与大电网解列，这种情况发生时会导致电网有功出力与负荷消耗之间的瞬时不平衡，如果系统内常规机组不能够快速响应风电波动，这将危及电网安全稳定运行。另外，风电机组输出功率的波动也会导致系统电压频率的不稳定甚至会超出允许范围，严重时可能会使系统失去稳定。因此，为确保风电并网后系统安全稳定运行，求解满足安全稳定运行条件下系统可以接受的最大风电装机容量，进而计算系统的穿透功率极限，是当前十分紧迫和有意义的研究课题。

1 动模实验及实验方案

1.1 动模实验

模拟研究通常采用两种模型：数学模型和物理模型。电力系统动态模拟就是一种研究电力系统动态特性的物理模拟，其实质是在实验室中建立电力系统的特性。电力系统物理模拟的内容主要有：①同步发电机、同步调相机；②原动机和调速系统的模拟；③输电线路的模拟；④电力变压器；⑤负荷的模拟；⑥系统中其他元件的模拟。

1.2 实验方案

1.2.1暂态稳定判据

a、系统中最低节点电压低于0.75p.u且持续1s。

b、系统频率波动范围±0.2Hz且持续1s。

1.2.2实验方案

在动模实验室中以上述某地区电网为原型，计算了三相短路发生在地区电网通过联络线从500KV主网吸收功率时的风电穿透功率极限值。

1.2.3分析步骤

a、先假设一个较小的风电穿透功率极限值，按照此值设置负荷大小及风力发电机组出力情况，然后按照工况要求设置常规机组出力情况，检验此时当系统联络线上发生三相短路故障时，系统频率、电压是否符合暂态稳定要求。

b、若系统频率、电压满足暂态稳定要求，则增大风电出力统负荷的比例。由于考虑到模拟风电机组容量的限制，在增大风电出力与系统负荷的比值过程中，系统的负荷也需变化。

c、若系统频率、电压依然满足要求，则继续增大风电容量占系统负荷的比例，继续如上实验工作。直到系统电压、频率将近达到临界失稳时，那么近似认为此次无失稳情况下的风电出力与系统总负荷的比值即为该种工况下的风电穿透功率极限值。

2 基于动模实验的风电穿透功率極限研究

按照上节所述实验方案和分析步骤，渐增大风电出力与系统负荷的比例。每次试验的波形通过实验室中的示波器记录下来，观察电压、频率波形，找到临界失稳时的风电出力与系统负荷的比值，即近似认此值为该工况下的风电穿透功率极限值。课题分别列出了风电出力与系统负荷的比例小于风电穿透功率极限值的情况、等于风电穿透功率值的情况、大于风电穿透功率值情况下的波形，直观形象的显示了风电所占比例大小对系统的影响。

2.1 风电出力与系统负荷的比例小于风电穿透功率极限的情况

当系统联络线上发生三相短路故障时，故障后系统频率经过一段时间的波动后，在规定时间内恢复到故障前的值50Hz；三相短路发生时，系统电压瞬时降低，波动过程很短，经过极短的时间电压最终稳定1.00pu。系统中常规机组通过增加有功出力来调节系统频率，最终使系统的频率恢复到规定值，通过对比发电机组的有功出力可知，当系统发生三相短路故障时，不同节点的常规机组，有功出力波动程度不同，对维持系统频率稳定所做的贡献是不同的。

2.2 风电出力与系统负荷的比例等于风电穿透功率极限的情况

系统发生三相短路故障时，系统频率和电压均下降，最低时分别为49.5Hz和0.56pu，但很快恢复稳定。频率能在1s内从49.8Hz恢复到50Hz，系统电压持续低于0.75pu的时间也未超过1s。火电机组出力变化时可知常规机组可通过调整有功出力来调整系统频率的变化。

2.3 风电出力与系统负荷的比例大于风电穿透功率极限的情况

随着风电所占比例的不断增加，在发生三相短路故障时，系统频率、电压的波动程度加剧。经过大量实验发现，在地区电网向主网吸收功率的情况下，以三相短路为扰动情况时计算所得的风电穿透功率极限为9.2%。

3 结论

利用动模实验室模拟了风电场的地区电网，计算发生三相短路故障时的风电穿透功率极限值。通过观察不同风电出力与负荷比例时，系统电压、频率、常规机组出力的变化情况得出（1）频率约束是制约该系统风电穿透功率极限值的主要因素。（2）当系统发生三相短路故障时，系统电压的恢复速度比系统频率恢复速度快。

参考文献：

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[3]张俊，晁勤，段晓田，等.动态约束下的风电场最大可接入容量研究[J].电力系统保护与控制，2011，02.Vol.39（3）：6267.