張炳達(dá)，楊俊鵬，孫杰，趙丹

(天津大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院，天津 300072)

考慮過渡電阻的風(fēng)機(jī)并網(wǎng)對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

張炳達(dá)，楊俊鵬，孫杰，趙丹

(天津大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院，天津 300072)

大規(guī)模雙饋風(fēng)電集中接入對電網(wǎng)中傳統(tǒng)同步機(jī)組暫態(tài)功角穩(wěn)定有重要影響。將雙饋風(fēng)電機(jī)組近似等效為恒功率源，基于等面積定則分析了不同故障時段雙饋風(fēng)機(jī)等容量替代同步機(jī)組時同步機(jī)組暫態(tài)功角的變化，考慮了不同三相接地故障過渡電阻對同步機(jī)組功率特性的影響，據(jù)此分析了風(fēng)電場并網(wǎng)運行時對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定影響的機(jī)理。理論分析表明，當(dāng)過渡電阻值較小時，雙饋風(fēng)機(jī)接入增強(qiáng)了系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定性，當(dāng)過渡電阻值較大時，可能降低了系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定性，對風(fēng)機(jī)并網(wǎng)產(chǎn)生不利影響。通過PSCAD/EMTDC仿真驗證了所提觀點的正確性。

雙饋風(fēng)機(jī)；風(fēng)電機(jī)組；暫態(tài)功角穩(wěn)定；功率特性；過渡電阻

0 引 言

在高滲透率風(fēng)電的電力系統(tǒng)中，風(fēng)機(jī)的接入對整個系統(tǒng)功角穩(wěn)定性有著很大的影響，這直接關(guān)系到風(fēng)能外送與消納能力。

由于雙饋感應(yīng)電機(jī)(doubly fed induction generator，DFIG)所需變流器容量小，能夠?qū)崿F(xiàn)有功功率、無功功率的解耦控制，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。文獻(xiàn)[1-2]將風(fēng)電場的電磁功率等值到同步發(fā)電機(jī)內(nèi)節(jié)點，研究表明DFIG能夠有效地參與系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，減少系統(tǒng)的加速面積，增加減速面積，有利于系統(tǒng)穩(wěn)定。文獻(xiàn)[3-4]著重關(guān)注了DFIG接入后的搖擺角度，指出DFIG與傳統(tǒng)同步機(jī)的功角搖擺曲線可能存在兩類交越點，并分析了DFIG功角快變特性對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。文獻(xiàn)[5]分析了不同類型風(fēng)電場在故障期間和故障切除后的動態(tài)特性。文獻(xiàn)[6]分析了不同的風(fēng)電滲透率對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響。文獻(xiàn)[7-9]利用DFIG模型不同的等效方法分析其暫態(tài)期間響應(yīng)特性，指出 DFIG的影響既可能是正面也可能是負(fù)面的。文獻(xiàn)[10]3406提出DFIG等容量替代同步機(jī)能改善功角穩(wěn)定水平,但未考慮過渡電阻的影響。文獻(xiàn)[11]研究了不同的風(fēng)電接入模式對暫態(tài)穩(wěn)定的影響，風(fēng)電直接接入時,同步機(jī)暫態(tài)功角穩(wěn)定性降低;等容量替換同步機(jī)時,同步機(jī)暫態(tài)功角穩(wěn)定性提高。文獻(xiàn)[12]進(jìn)一步揭示了風(fēng)機(jī)接入功率以及慣量在系統(tǒng)中的比重會對系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，當(dāng)DFIG以等容替代同步發(fā)電機(jī)組的方式接入系統(tǒng)時，DFIG的暫態(tài)功率響應(yīng)情況和被替代同步發(fā)電機(jī)組的功率和慣量在原系統(tǒng)中的比重大小將共同決定系統(tǒng)慣性中心功角加速度的暫態(tài)變化。

由于接地故障中的過渡電阻參與系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化的過程，它將影響風(fēng)機(jī)接入系統(tǒng)后的暫態(tài)過程。本文將DFIG等效為恒功率源，將故障過渡電阻的能量消耗考慮到電力系統(tǒng)功率平衡之中，以不同工況下同步機(jī)搖擺角度為指標(biāo)，研究DFIG等容量替代同步機(jī)組對電力系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定的影響。

1 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率特性

雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)接入背靠背換流器，可靈活控制勵磁電流，進(jìn)而實現(xiàn)輸出功率的控制，同時DFIG的機(jī)械系統(tǒng)與電氣系統(tǒng)之間柔性連接，本身不存在功角失穩(wěn)的問題。在正常運行方式下，雙饋風(fēng)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)最大功率跟蹤。當(dāng)采用定電壓控制的DFIG能夠滿足低電壓穿越要求。

圖1 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2為DFIG低電壓穿越試驗功率實測曲線，故障發(fā)生前，定子電壓恒定，DFIG視為恒功率源。故障期間，DFIG有功迅速跌落，在故障清除后0.2 s即可恢復(fù)到原有有功功率。圖2中：P為風(fēng)電機(jī)組的實測功率與風(fēng)電機(jī)組額定功率的比值。鑒于DFIG的快速恢復(fù)特性，其故障前和故障清除后的功率基本恒定，可近似等效為恒功率源[10]3402。

圖2 雙饋機(jī)組低電壓穿越試驗功率曲線(實測)

2 考慮過渡電阻的穩(wěn)定水平影響分析

2.1 暫態(tài)穩(wěn)定分析

系統(tǒng)功角失穩(wěn)的本質(zhì)在于擾動產(chǎn)生的不平衡能量。對于同步機(jī)組而言，故障期間原動機(jī)注入功率與輸出電磁功率的差值定義為加速功率，加速功率在故障期間對時間的積分會轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子動能。當(dāng)故障清除后，將電磁功率與原動機(jī)輸入機(jī)械功率的差值定義為減速功率，減速功率對時間的積分則是故障清除后發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速降低而釋放的動能轉(zhuǎn)化為的電磁能。當(dāng)故障前后每段積分時間確定時，系統(tǒng)的穩(wěn)定性取決于加速功率以及減速功率的大小關(guān)系。

2.2 基于兩區(qū)域系統(tǒng)的三相接地故障

圖3 兩區(qū)域系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

考慮兩種工況，工況1送端兩臺同步機(jī)組完全相同，并列運行；工況2將G3替換為同容量的DFIG。圖3中開關(guān)K表示兩種工況的切換關(guān)系。系統(tǒng)的穩(wěn)定性可比較送端機(jī)組G2加速功率和減速功率大小關(guān)系來判定。

1)故障期間同步機(jī)加速功率。有工況1、2下送端G2機(jī)組的加速功率:

(1)

同樣，受端G1機(jī)組在兩種工況下的加速功率有:

(2)

(3)

整理后有:

(4)

由式(4)知故障期間受端母線電壓與送端母線電壓的關(guān)系滿足一元二次函數(shù)，其中對稱軸為K2R。一旦系統(tǒng)確定，K2即為常數(shù)。

(5)

故障清除后工況1的傳輸功率方程為:

(6)

(7)

(8)

故障清除后，風(fēng)機(jī)可視作恒功率源，故工況2的傳輸功率方程為:

PL=P″1+P″21

(9)

(10)

(11)

3)穩(wěn)定性水平綜合分析

系統(tǒng)功角穩(wěn)定水平的變化可通過比較G2加速功率與故障清除后G2減速功率大小關(guān)系來判定。由于短路故障期間同步機(jī)轉(zhuǎn)子的加速過程產(chǎn)生的動能轉(zhuǎn)化為電磁能，較穩(wěn)態(tài)時出力變大，則：

(12)

(13)

(14)

3 算例分析

本文基于PSCAD/EMTDC仿真平臺搭建兩區(qū)域系統(tǒng)，如圖3所示。算例系統(tǒng)中同步機(jī)組采用經(jīng)典模型，工況1送端為600 MW火電機(jī)組和600 MW火電機(jī)組并列運行；工況2為600 MW火電機(jī)組和600 MW風(fēng)電機(jī)組并列運行。搭建可以忽略線路電阻的高壓輸電系統(tǒng)，分別在送端母線出口設(shè)置三相金屬性接地故障和經(jīng)過渡電阻R的三相接地故障，其中分別設(shè)置R=0 Ω，5 Ω，80 Ω，1 s時刻系統(tǒng)發(fā)生故障，1.2 s故障清除。風(fēng)機(jī)等容量接入前后同步機(jī)組有功出力以及機(jī)間功角搖擺曲線如圖4-9所示。

圖4 擾動后送端同步機(jī)組電磁功率曲線(R為0 Ω)

圖5 擾動后G1-G2機(jī)組功角曲線(R為0 Ω)

圖6 擾動后送端同步機(jī)組電磁功率曲線(R為5 Ω)

圖7 擾動后G1-G2機(jī)組功角曲線(R為5 Ω)

圖8 擾動后送端同步機(jī)組電磁功率曲線(R為80 Ω)

圖9 擾動后G1-G2機(jī)組功角曲線(R為80 Ω)

由仿真結(jié)果明顯可以看出，當(dāng)過渡電阻R=0 Ω(即送端母線發(fā)生三相金屬性接地故障)時，工況2下同步發(fā)電機(jī)功角小，故障清除瞬間同步機(jī)輸出電磁功率大，系統(tǒng)穩(wěn)定水平較高；當(dāng)R=5 Ω(即過渡電阻值較小)時，工況2下同步發(fā)電機(jī)組的功角幅值逐漸減小且衰減加快，同步機(jī)清除瞬間能輸出較大電磁功率，系統(tǒng)穩(wěn)定水平較高；當(dāng)R=80 Ω(即過渡電阻值較大)時，工況2下同步發(fā)電機(jī)組功角搖擺角度低于工況1，此時系統(tǒng)工況2輸出電磁功率小，說明了減速功率小，系統(tǒng)穩(wěn)定水平較差?？傮w來講當(dāng)過渡電阻值較小時，系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定性較強(qiáng)，當(dāng)過渡電阻值較大時，雙饋風(fēng)機(jī)接入可能降低了系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定性，仿真結(jié)果與之前分析一致。

4 結(jié)束語

本文對雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用恒功率注入模型，研究了在不同過渡電阻下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組等容量替換同步發(fā)電機(jī)組接入對電力系統(tǒng)功角穩(wěn)定性的影響，結(jié)論如下：

雙饋風(fēng)電接入對系統(tǒng)功角的影響與接地故障的過渡電阻大小相關(guān)，近似可以認(rèn)為：在三相金屬性接地故障以及經(jīng)小過渡電阻的三相接地故障發(fā)生概率高的系統(tǒng)中，雙饋風(fēng)電接入增強(qiáng)了系統(tǒng)的功角穩(wěn)定性；在經(jīng)高過渡電阻的三相接地故障發(fā)生概率高的系統(tǒng)中，雙饋風(fēng)電接入可能降低系統(tǒng)的功角穩(wěn)定性，在電網(wǎng)規(guī)劃期間應(yīng)盡量避免在過渡電阻較大的區(qū)域接入風(fēng)電場，本文為風(fēng)電場選址規(guī)劃提供了理論指導(dǎo)。

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Impact of Wind Power Integration upon Stability of Power Systems in View of Transition Resistance

Zhang Bingda, Yang Junpeng, Sun Jie, Zhao Dan

(College of Electrical and Automation Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

Large scale integration of doubly-fed induction generators (DFIG) has important influence upon stability of transient power angle of traditional synchronous generators in the power grid. In this paper, DFIG is made approximately equivalent to a constant power source. Based on the equal-area criterion, it analyzes changes of transient power angle of the synchronous generator replaced by the doubly-fed induction generator with equal volume in different fault periods, and takes into account influence of different three-phase grounding fault transition resistances upon power characteristics of the synchronous generator. On that basis, it further analyzes the mechanism of the impact upon stability of the system's transient stability during grid-connected operation of the wind farm. Theoretical analysis shows that the system's transient power angle stability is enhanced through integration of the doubly-fed induction generator when transition resistance remains low, and may possibly be reduced while the resistance is high, thus producing negative influence upon grind connection of wind turbines. The correctness of the proposed view is verified through PSCAD / EMTDC simulation.

doubly-fed induction generator (DFIG); wind turbine; transient power angle stability; power characteristics; transition resistance

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.02.017

TM712

A

1000-3886(2017)02-0056-04

張炳達(dá)(1959-)，男，江蘇人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向電能質(zhì)量監(jiān)測與控制、變電站培訓(xùn)仿真、配電網(wǎng)絡(luò)等。 楊俊鵬(1991-)，男，河北人，碩士生，研究方向為風(fēng)力發(fā)電。 孫杰(1991-)，男，江蘇人，碩士生，研究方向為微電網(wǎng)能量管理。 趙丹(1992-)，女，河北人，碩士生，研究方向為電力系統(tǒng)并行計算。

定稿日期: 2016-11-12