基于电力系统暂态稳定分析风电场

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1、基于电力系统暂态稳定分析的风电场穿透功率极限计算申 洪，梁 军，戴慧珠 (中国电力科学研究院，北京100085)   摘 要：提出了基于电力系统暂态稳定性分析的风电场穿透功率极限计算方法。计算中采用的风电场数学模型考虑了风电机组的叶片、轮毂、齿轮箱和连轴器以及异步发电机的特性。应用该方法分析计算了一含有风电场的实际电力系统的穿透功率极限，并揭示了影响风电场并网运行的主要因素是频率波动。   关键词：风力发电场；电力系统稳定性；穿透功率极限1 引言   风力发电是近一二十年来逐步发展起来的一种新型环保发电方式。它没有燃

2、料的加热过程，不会向大气层排放任何有害气体，对减弱温室效应和减少环境污染能起到积极的作用。同时它还具有安装方便、操作简单、启停速度快和运行维护费用低等优点。因此，风力发电已成为可再生能源中发展最快的一种发电方式，目前已经形成商业化运营的规模。到2000年底，我国已建成并网风力发电场26座，总装机容量超过340MW。预计到2005年将达到全国电力总装机容量的0.3%，即1200MW左右。在未来的几十年中，风力发电还将有更大的发展。   然而，风力发电会对电力系统的运行产生一定影响。如：   1）风力发电机是以风作为动力

3、的，其输出特性会直接受风的影响。风的随机波动性和间歇性决定了风力发电机的有功功率也是波动的和间歇的。   2）风力发电机是一种异步发电机，在其发出有功功率的同时还要从系统中吸收无功功率。   当风电场的容量较小时，这些特性对电力系统的影响并不明显。随着风电场容量在系统中所占比例的增加，风力发电对系统的影响就会越来越明显。大风速扰动会使系统的电压和频率产生很大的变化，严重时将可能使系统失去稳定。另外，风电机组的运行受致于系统的运行条件，当系统运行条件比较恶劣，如电压水平比较低时，风电机组就很容易在系统扰动或风速波动下停

4、机，从而使系统造成有功缺额，不仅给风电场带来经济损失，也可能使系统失去稳定。为了描述某一电力系统中能够承受的风电场容量，因而引入了风电场穿透功率极限的概念。   风电场穿透功率是指风电场装机容量占系统总负荷的比例。风电场穿透功率极限定义为接入系统的最大风电场装机容量与系统最大负荷的百分比[1]。即   风电场并网容量的增加会引起系统的电压和频率产生偏差、电压发生波动和闪变，以及电压稳定性受到影响等问题，而且系统为减小风电场发电间歇性对系统的影响而必须增加旋转备用容量，从而使系统的可靠性和经济性下降。因此计算风电场穿透

5、功率极限非常重要。但由于涉及的因素较多，范围较广，至今还没有统一的算法和公式。一些欧洲国家在计算风电场穿透功率极限方面进行了许多工作，积累了不少经验，但由于这些国家的电网结构紧密，因而在计算过程中都不考虑电力系统暂态稳定问题。文献[2]～[4]分别从系统频率偏差、稳态电压水平、总谐波畸变率等方面对风电场穿透功率极限进行了计算。文献[5]分析了风电场可靠性对风电场穿透功率极限的影响。文献[6]在优化计算风电场穿透功率极限中考虑了系统的静态安全约束。   我国电网结构薄弱，风电场的地理位置一般距负荷中心较远，所以在计算风

6、电场穿透功率极限时必须考虑风电场的暂态稳定性。本文提出了基于系统暂态稳定性分析的风电场穿透功率极限的计算方法，应用中国电力科学研究院的电力系统综合分析程序(PSASP)中的用户接口程序(UPI)对风电场并网运行进行了动态仿真，并用实例计算了在一定条件和判据下的风电场穿透功率极限。2 风力发电机组动态数学模型   风力发电机组动态数学模型由动力系统和异步发电机构成，其能量流程如图1所示。风电机组通过动力系统将风能转换为机械能，进而由异步发电机转化为电能。风电机的动力系统可用代数和微分方程来描述[7]，异步发电机可采用3

7、阶微分方程表示[8]。2.1风电机组动力系统数学模型   风力发电机动力系统的数学模型可表示为式中 Mw为风力机叶片转矩；ρ为空气密度；Cp为叶片风能转换效率系数；R为叶片扫风半径；λ为叶尖速率比；Ω为叶片机械角速度；ΩN为叶片额定机械角速度；PN为风力发电机组输出的额定功率；vw为作用于风力机的风速；Mh为轮毂侧转矩；Mw为叶片侧转矩；Th为轮毂惯性时间常数；Mt为联轴器齿轮箱侧转矩；Mmg为联轴器发电机侧转矩；Tt为齿轮箱和联轴器的惯性时间常数。 2.2 异步发电机数学模型式中和r1分别为异步发电机定子的电压、电

8、流和电阻；x1、x2和xm分别为异步发电机定子漏抗、转子漏抗和激磁电抗；为异步发电机暂态电势；为定子绕组开路时转子绕组的时间常数；s为异步发电机滑差；Mm和Ms分别为异步发电机机械转矩和电磁转矩；Tj为异步发电机惯性时间常数；Re(·)为取实部；的共轭。3 风电场穿透功率极限计算方法   通过分析系统暂态稳定性来计算风电场穿透功率极限时要综合考