含雙饋風機接入的電力系統送端暫態穩定性研究

劉洪波, 于漢清

〔現代電力系統仿真控制與綠色電能新技術教育部重點實驗室(東北電力大學),吉林 吉林 132012〕

0 引 言

隨著“碳達峰”“碳中和”目標的提出,高比例新能源并網對電網功角穩定產生了深遠影響[1]。

文獻[2]總結了風電機組建模和含風場的系統暫穩特性等相關技術研究成果。文獻[3]通過仿真計算得出系統臨界清除時間隨非同步機電源比例、同步機制、并網位置、故障類型和故障位置5個影響因素的變化趨勢。文獻[4]依據等面積定則性分析了雙饋風機(doubly fed induction generator,DFIG)接入方式、接入比例對系統暫態功角穩定性的影響。文獻[5]利用暫態能量函數法識別不穩定平衡點和動能函數以及勢能邊界面函數來分析不同風電滲透率、故障位置和系統運行條件對暫態穩定的影響。文獻[6]基于擴展等面積理論分析了當送受端機組慣量不同情況下風電接入比例對系統功角暫態穩定性的影響機理。文獻[7]在此基礎上,研究了風電接入多機系統時系統暫態穩定性的變化。文獻[8]指出同步機初始功角隨風電比例的增加呈一定線性比例減小,DFIG的有功慢恢復特性和故障后的無功功率支撐提高了系統暫態穩定性。以上文獻主要研究了風電不同接入方式、接入比例及接入位置對系統暫態穩定性的影響,未考慮風電接入點電壓問題。

文獻[9]提出了抑制系統暫態過電壓的措施來保證風機正常并網運行。文獻[10]提出了用無功補償裝置實現風機的高壓穿越策略。文獻[11]針對幾種典型的穩態電壓主動支撐技術,從機組性能、控制能力、運行差異及協調配合等方面進行綜述。文獻[12]分析了適用于光伏/風電場站暫態電壓支撐的聚合建模方法和多無功源協調控制的思路。以上文獻沒有考慮風電接入方式、接入比例及接入位置對系統暫態穩定性的影響。

綜上所述,本文基于穩壓設備-靜止無功補償器作用的風機等值阻抗模型,采用并聯靜止無功補償器的方法可維持風機接入點的電壓在合理范圍內,并將其簡化為電容器模型視為風機等效外特性的一部分,以此研究風電接入單機系統后對同步機功率特性的影響。本文推導了單端送電系統同步機電磁功率公式,分析了風電接入后對同步機功角曲線的影響,根據等面積定則得出DFIG接入系統后對于加/減速面積的影響。由此分析不同風機接入方式、接入比例以及接入位置對系統暫態穩定性的影響,最后通過仿真對研究結果進行驗證。

1 雙饋風電機組的等效外特性

1.1 單端送電系統傳輸功率

圖1為DFIG接入單機無窮大系統結構示意圖。

圖1 DFIG接入單機無窮大系統結構示意圖

接入風機前同步機的傳輸電磁功率P為:

(1)

接入風機后單端送電系統輸出電磁功率Pe為:

(2)

式中:Z11、Z12分別為送端同步機的自阻抗和互阻抗;α11、α12分別為自阻抗和互阻抗對應阻抗角的余角。

1.2 風機等效模型

目前,大多數研究都將風電機組看作一個不具慣性的功率源,其等效外特性為一個負電阻和負電抗。系統穩定時,雙饋風機在恒功率因數控制下只輸出有功功率而不輸出無功功率,此時DFIG等效為一個負電阻。當系統發生故障后,系統母線電壓下降,此時雙饋風機會在其控制系統的調節下,向系統發出一定比例的無功,此時將其等效為一個負電阻和負電抗并聯的模型,如式(3)所示。

(3)

式中:upcc為風機接入點電壓;k為風電接入比例;Pf、Qf分別為風機輸出有功和無功。

此時正常運行時等值電路如圖2所示。

圖2 傳統阻抗模型正常運行時等值電路圖

等值電路的自阻抗和互阻抗為:

(4)

式中:λ為風機距離負荷的位置;xL1為第一段線路電抗;xL2為第二段線路電抗。

為使在不同滲透率時風機接入點電壓能保持在合理范圍內,提出含靜止無功補償器的風機等效模型:

(5)

式中:QC為補償無功容量。

在系統正常運行時將DFIG等效為一個可變的負電阻和靜止無功補償器并聯的模型;在系統發生故障時,將DFIG等效為一個可變的負電阻、一個可變的負電抗和靜止無功補償器并聯的模型。

采用新型等效模型的等值電路圖如圖3所示。

圖3 并聯靜止無功補償器后等值電路圖

此時等值電路的自阻抗和互阻抗的其他參數不變,式(4)中x3變為:

(6)

并聯無功補償器后x3減小,因此|Z11|和|Z12|減小,由此得出風機接入點接入靜止無功補償器前后同步機的功角曲線如圖4所示,含有靜止無功補償器的風機等效模型增加了系統在暫態過程中的減速面積,更有利于系統暫態穩定性。

圖4 接入靜止無功補償器前后同步機功角曲線變化

2 DFIG接入單機無窮大系統對系統暫態穩定性影響機理

圖5 風機接入后同步機功角曲線

設置在線路中間處發生三相短路故障,故障期間等值電路如圖6所示,此時式(4)中x2與x3發生變化,如式(7)所示。

(7)

圖6 系統故障后單端送電系統等值電路

此時自阻抗和互阻抗為Z21和Z22,阻抗角余角分別為α21和α22。Z21實部絕對值都與風電輸出的有功功率正相關,虛部與風電輸出的有功功率負相關,θ21>90°逐漸增大,因此角度α21=90°-θ21<0,且與風電有功輸出負相關。|Z22|與風電有功功率正相關,且θ22<90°逐漸減小,因此阻抗角α22=90°-θ22>0,且與風電有功輸出正相關。|Z21|的虛部與DFIG無功輸出Q正相關,實部的絕對值與Q負相關,|Z22|與DFIG無功輸出Q負相關,最終風機的無功輸出會使故障期間同步機功角曲線上移,如圖7所示。|Z21|和|Z22|隨λ增大而減小,功角曲線向上偏移,如圖8所示。

圖7 故障期間功角曲線偏移

圖8 不同接入位置對同步機功角曲線的影響

3 不同因素對加減速面積的影響

3.1 風機等容量替換同步機

風機等容量替換同步機即保持總負荷不變,逐漸增加風機出力。由圖5可知,當風電機組接入單機無窮大系統后,同步機的功角曲線會向右下偏移,進而對系統故障后加速面積和減速面積產生影響。圖9為不接入靜止無功補償器、風電接入比例30%和50%時,當系統發生故障后,對系統加速面積和減速面積的分析。由于這兩種情況下故障期間同步機功角曲線較為接近,加速面積變化不大,故忽略不計。如圖9所示,當接入比例為50%時,故障后加速面積為陰影Sbghc和陰影Sefgb,相較于接入比例30%加速面積減小了Sabcd,增加了陰影Sefgb,顯然Sabcd>Sefgb;接入比例50%時故障后系統減速面積為Sjck,相較于接入比例30%減速面積增加了陰影Sdckl,減小了Sijl,顯然Sdckl>Sijl,因此風電接入比例增大后,系統故障后的減速面積增大,加速面積減小,系統暫態穩定性提高。

圖9 等容量替換故障后加減速面積

并聯靜止無功補償器后,增大了系統暫態過程的減速面積,使得風電接入比例增大后更有利于系統暫態穩定性,但隨著風電接入比例的增大,增加的減速面積逐漸減少,如圖10所示。

圖10 有無靜止無功補償器調壓時功角曲線比較

3.2 風電直接接入

風電直接接入系統即保持同步機出力不變,隨負荷的增大逐漸增加風機的出力。圖11為不接入靜止無功補償器、風電直接接入系統30%和50%時加減速面積的分析。接入比例為30%時,加速面積為Sabfe,當接入比例增大到50%時,加速面積減小了陰影Sabcd,增大了陰影Scghf。由計算可知,Sabcd和Scghf基本相等,因此接入比例增大前后加速面積保持不變;接入比例30%時減速面積為Siek,當接入比例增大到50%時,減速面積減小了陰影Sijk,因此當風電接入比例增大時,系統的加速面積保持不變,系統暫態穩定性降低。

圖11 風電直接接入故障后加減速面積

風電直接接入降低系統的暫態穩定性,因此并聯靜止無功補償器后增大系統減速面積,改善了系統的暫態穩定性,增加的減速面積隨風電接入比例的增大而減少,如圖12所示。

圖12 有無靜止無功補償器調壓時功角曲線比較

3.3 不同接入位置

風機不同接入位置會對系統暫態穩定性產生影響。圖13為風機直接接入下接入位置不同時對功角曲線的影響,接入位置按照送端為0到受端為100%規劃,當接入位置為0時加速面積為Sbghe,接入位置為50%時加速面積為Sadfe,相較之下,加速面積減小了陰影Scghf,增大了陰影Sadcb,通過計算可知,Scghf略大于Sadcb,因此加速面積略微減小;接入位置為0時減速面積為Sjek,當接入位置為50%時,減速面積增大了陰影Sijkl,因此,當接入位置靠近負荷時,系統暫態穩定性提高。

圖13 接入位置不同時故障后加減速面積

4 算例分析

圖14為單端送電系統拓撲結構。

圖14 單端送電系統拓撲結構

為了驗證本文的推導和分析過程的準確性,在ADPSS中搭建單端送電系統,G1為送端同步機,G2為受端同步機,G3為風機。如圖15所示,保持風機出力不變,通過改變同步機出力得到對應同步機功角,描點得到同步機實際功角仿真曲線。對比結果表明采用新型等效模型提高了理論推導的精度。

圖15 等效外特性誤差分析

發生三相短路后電壓跌落,故障清除后電壓恢復過程中風機輸出的無功不足以支撐接入點電壓,導致高壓穿越失敗,進而將風機切除,并聯靜止無功補償器后,提升了風機在故障時電壓支撐能力,如圖16所示。

圖16 并聯靜止無功補償器前后DFIG端電壓

設置在線路中間發生三相短路故障,0.15 s后切除故障。當風機等容量替換同步機時,設總負荷為12 MW,依照不同風電滲透率調整風機和同步機的出力;當風電直接接入系統時,選定同步機出力6 MW,隨負荷增大,調整風機出力。本文以故障極限切除時間和功角首擺作為衡量系統暫態功角穩定性的指標。

風電等容量替換同步機情況下,隨風電接入比例增大功角第一擺逐漸減小,如圖17所示,即提高了系統暫態功角穩定性。

圖17 0.15 s故障下等容量替換同步機功角

并聯靜止無功補償器后,

由表1和表2可知,極限故障時間隨風電接入比例的增大而增大,增強了系統的暫態穩定性。

表1 原等效模型風機等容量替換數據

表2 新等效模型風機等容量替換數據

當風電滲透率過高時,風機接入點母線電壓過低,系統無法正常運行,此時接入有無靜止無功補償器調壓時功角曲線比較后能夠提高系統的風電接入比例,如圖18所示。

圖18 靜止無功補償器接入前后風機接入點電壓

風電直接接入情況下,隨風電接入比例增大功角第一擺分別逐漸增大,如圖19所示,即降低了系統暫態功角穩定性。

圖19 0.15 s故障下風電直接接入同步機功角

由表3和表4可知,并聯靜止無功補償器后極限故障時間隨風電接入比例增大而增大,提高了系統的暫態穩定性。

表3 原等效模型風電直接接入數據

表4 新等效模型風電直接接入數據

設置同步機出力6 MW,風機出力6 MW,得出風機不同接入位置時,同步機功角隨風電接入比例功角第一擺分別為63.56°和47.45°,即提高了系統暫態功角穩定性。圖20為λ=0和λ=50%時同步機功角,表5為其極限故障時間。

圖20 不同風電接入位置同步機功角

表5 不同接入位置數據

5 結束語

本文分析了雙饋風機接入單端送電系統對系統暫態功角穩定性的影響,研究了考慮風機接入點并聯靜止無功補償器的單端送電系統的功率特性,得出以下結論。

(1) 考慮風機接入點并聯靜止無功補償器的穩壓措施的雙饋風機等效外特性計算時誤差更小。在系統正常運行時,風機接入點電壓在允許范圍內,將DFIG等效為一個負電阻;在風機接入點電壓過低時,將DFIG等效為負電阻和靜止無功補償器并聯;在故障期間時,將DFIG等效為負電阻、負電抗和靜止無功補償器并聯。表明新等效模型能夠提升系統的風電接入比例,增大系統的極限切除時間,降低風電機組高電壓脫網風險,有利于系統暫態穩定性。

(2) 風機等容量替換同步機時,隨風電接入比例的增大,極限故障時間逐漸增大,功角第一擺逐漸降低,系統的暫態穩定性逐漸提高。風電直接接入系統時,隨風電接入比例的增大,極限故障時間逐漸降低,功角第一擺逐漸增大,系統的暫態穩定性逐漸減弱。

(3) 當雙饋風機并網位置越遠離送端同步機時,極限故障時間增大,功角第一擺減小,系統暫態穩定性越好。