风电场并网后对系统暂态稳定性影响分析

冯铭矞 张浩然 张 羿 崔 鹏 张思楠

（国网北京城区供电公司）

0 引言

某些农民愿意将自己的独有土地出租出去，为清洁能源发电设备，比如风电机组，的部署提供支持。每年的租金将使他们获得巨大的经济利益。在澳大利亚，为了提倡风电机组的使用，每年大约要花费1.64 千万澳元用来支付租赁土地的租金［1］。事实上，新能源的合理利用可以一定程度上降低澳大利亚甚至是其他国家的电费水平。据澳大利亚国家售电零售网站（NEM）网站的统计数据显示，在2011 至2013 年，风力发电的应用确实降低了电费水平5%-8%［2］。如果我们想要降低传统能源的碳排放量，需要应用碳元素的捕捉及贮存技术。在这种情况下，电费水平将远远高于单独使用新能源供电的方法。

1 电力系统的稳定性

电力系统稳定性的概念被定义了很多种类型，至少多达50 余种。通常情况下，电力系统的扰动原因主要分为事件扰动和负载扰动。根据定义，事件扰动指的是变电站或者是输电系统因为未预期的错误导致的退运。这些扰动通常会导致电力系统中某些部分的重新配置，因为电力系统中有各式各样的保护设备，比如，差动继电器、过流继电器，断路器等。另一方面，负荷扰动则被视为用户侧发生扰动的结果，因此，不需要重组电力系统的任何部分。为了承受上述两种扰动，电力系统的设计、配置，分析必须正确［3］。

通常，电力系统的配置及规划的目的是观察、分析其受到扰动后的影响程度，而电力系统的稳定性分析是关于评估系统在发生扰动后维持或者恢复到正常运行状态的能力。

2 设计

2.1 模型介绍

2.1.1 电网构建

为了将此电网模型尽可能的按照真实数据搭建起来，根据该区域（北部、中部、南部）具体的连接图示及系统参数，各部分电网被分别配置在DIgSILENT 之上。系统建模成功后，可以在软件中为各个电气元件所必须的参数进行填充，使该模型更加接近真实的电力系统，为之后的研究作铺垫。

2.2 风电场的构建

根据真实数据，一定数量的风电场需要被添加进所构建的模型中，为之后的分析做准备。实际上，数据显示有六座风电场位于南部电网。在此模型中，每个风电场由若干发电机组成，与此同时，各个发电机被设定输出同样的功率。风电场内的所有发电机均选自DIgSILENT 中的通用模型，各个电场的种类相同，并且，相应的母线种类被设定成PQ 节点，因为其无功功率可以被控制［4］。此外，各个风电机组被直接连接在一个公共耦合点，其电压水平为19kV。然后，将此连接点与一个具有同样电压水平的单母线相连。最后，此母线的另一侧，通过一段特殊输电线与一个PV节点相连或者通过变压器与一个电压为330kV 的输电母线相连。在此模型中，所有与风电场有关的输电线及变压器被设定具有相同的种类。此类型选自软件中自带的全局类型选项，其中，线路长度默认为20km，变压器的电压等级为330kV，容量为225MVA。同时，对风电场站内控制器的cosphi （P）特性中的过励磁及欠励磁功率因数进行配置。当风电场输出的有功功率低于过励磁设定的值时，其功率因数将被锁定在1；当风电场输出的有功功率高于欠励磁设定的值时，其功率因数将被锁定在0.93。

至此，进行暂态分析所需的模型搭建完成。

3 系统暂态稳定性分析

在世界范围内，电力系统中风能的普及率与日俱增，那么，系统的暂态稳定性分析就变得尤为重要。暂态稳定性分析在电力系统稳定性分析中占有重要地位，因此本文重点关注。那么，在暂态稳定性分析中，通常需要关注临界切除时间，因为其被视为必不可少的测量参数［7］。根据定义，临界切除时间是系统在发生故障后，在确保不会发生功角不稳定的情况下，切除故障所需的最大时间［7］。临界切除时间在电力系统继电保护设计中是必不可少的。事实上，在DIgSILENT PowerFactory 中，具有判断电机是否失去同步率的功能。在软件的用户手册中，参考失步检测或者‘pole-slip’来调用此功能［7］。因此，本文用此方法来评估不同情形下临界切除时间的值。对于开展暂态稳定性分析，发生在输电线上的短路故障被视为最普遍的大扰动［7］。本文将在不同情形下观察分析当三相短路发生在输电线上时的影响。

3.1 短路点的选择

为了确保临界切除时间的准确性，同时考虑到对同步发电机暂态稳定性的最大影响，理论上，三相短路故障应该发生在距离发电厂最近的与发电机组相连的母线附近。在这种情况下得到的临界切除时间一定短于发生在电力系统更远区域的其他短路故障对同步电动机暂态稳定性分析所得到的临界切除时间［5］。具体来说，如果断路器的动作时间比电力系统中发电机的最小临界切除时间短，那么系统任何部分发生的短路故障都不会对发电机的暂态稳定性产生消极影响。因此，基于上述理论，三相短路故障被施加在输电线2201-2202 上，为不同情境下评估临界切除时间做准备

3.2 仿真系统的暂态稳定性分析

根据某地区的新能源发电厂在2017/4/18 日18：20：07 的数据，大部分电厂的地理位置及能源种类可以被确定。本文主要分析风电场的影响，所以重点关注该区域内的六座风电厂。基于各个电厂的地理位置，可以确定，六座电厂均位于南部电网。因此，从南部电网开始进行暂态稳定性分析。没有将风电场并入的原始模型作为基础案例，通过DlgSlLENT 中自带的‘Pole-slip’功能得到其临界切除时间。随后，对基础案例进行修改，使得不同情境下对临界切除时间的影响可以被观测、对比。本文主要进行三种案例的分析，其结果将被一一列举在下文。

3.3 基础案例

基于该区域电网数据搭建的模型被视为原始案例，意味着系统内所有的同步电机承担着电源供给任务。在DlgSlLENT 中运行电力潮流功能，输电线2201-2202 是距离发电厂母线最近的输电线，与此同时，与南部电网中其他的数电线相比，其有功功率的流动是最高的。因此，此线路被设为暂态稳定性分析的测试点。接着，为了完成软件内RMS 仿真所需的设定，三相短路以及开关分合动作需要被布置。具体来说，因为大部分的研究是关于控制策略及电能质量的研究，所以基于电机暂态模型的RMS 仿真是非常适合长时间的无瞬态模拟的［6］。随后，通过DlgSlLENT 自带的‘Pole-Slip’功能，此系统的临界切除时间为685.9ms。

3.4 第一案例

增加南部电网发电机功率的输出，与此同时降低中部电网相应的输出。那么，增加减少的电能量是根据该区域内六座风电场的输出决定的，其值为110MW。这意味着，在此案例中，各个部分电网的功率变化只发生在原始的同步电机上，与新能源发电机无关。此案例下的临界切除时间减小至516.5ms。施加一个700ms 的三相故障，其结果请参考图1。显然，三部分电网内的电机转速均有所提升，尤其是位于南部电网的电机，其转子转速随着时间有显著的提升。这是因为在发电机的功率曲线图中，他们的加速面积大于其减速面积。与基础案例相比，临界切除时间有所减少，这意味着系统的暂态稳定性有所下降。

图1 发电机内部转速（故障持续时间700ms）

3.5 第二案例

在这一案例中，为了分析风电场并入后对系统暂态稳定性的影响，单一的减小南部电网内一些同步电机的输出功率，同时使预先搭建好的风电场投入使用。风电场的输出功率均需以该区域的新能源发电厂的数据为准，其值与同步电机减小的输出值相匹配。值得注意，此时风电场是通过容量为255MVA的变压器与具有输电电压的母线相连的。

在这种情形下，临界切除时间增加至621ms，这意味着系统的暂态稳定性同以上案例相比有所提升。因此，如果这些风电场被部署在该区域，对该区域电网的稳定性有积极作用。为了分析将风电场部署在南部电网而不是传统电机的影响，将时长为550ms的短路故障施加在输电线2201-2202 之上。与此同时，观察母线2201 以及2202 在发生故障时的压降，案例二的压降略大于案例一。这是因为在双馈感应发电机运行的情况下，故障发生时所支持的无功电流将被限制在近乎额定电流大小［7］。然而，传统同步电机具有强大的热过载承受能力，并且其所支持的无功电流是系统额定电流的三至四倍［7］。系统压降增大，意味着系统将要消耗更多的时间来恢复电压崩溃，这可能会使保护设备误动作或者损害电气设备。事实上，上述电压恢复能力的减弱也是风电场中功率因数控制的结果。

3.6 第三案例

为了更明确地分析风电场的涌入对系统的影响，六座风电场被直接连接在19kV 母线侧。由于输电系统内存在无功损耗，那么风电场的无功功率的贡献相对来说是非常少的，这意味着传统的同步电机将在更低的功率因数下运行。然而，上述情况可以通过无功补偿措施来弥补，比如，电容器组和静态补偿器等。在现实情况下，如果风电场并网后产生巨大的功率补给，传统的同步电机很可能会在更低的功率因数下运行。

在这种案例下，临界切除时间降低至583ms，这与第一案例很接近。同样地，减少的临界切除时间意味着该系统的暂态稳定性减弱了，与上一案例相比，更加容易受到故障的影响

4 结束语

本文研究了风电场的渗入对真实电网静态稳定性的影响。为了实现该目的，在DlgSlLENT Powerfac‐tory 中，根据某区域真实的电网数据搭建模型并进行分析。基本上，对于系统的暂态稳定性研究，本文进行了三种案例分析，它们是：

① 改变系统内同步电机的位置。

② 风电场并入输电电压水平。

③ 风电场并入19kV电压水平。

根据上述仿真结果，改变发电厂的位置为系统的暂态稳定性带来不利影响。然而，如果用风电场替换传统发电厂，并将其并入系统内输电电压水平的母线上，电网的暂态稳定性将有所提升。另一方面，将风电场与19kV 母线连接后，由于风电机组较低水平的无功贡献，系统的暂态稳定性将下降。实际上，有不同种类的发电机可以被定义为风力发电机，比如，双馈感应发电机、异步电机，静电发生器等。在此研究中，风电机组均由静电发生器指代，这意味着本文对暂态稳定性的研究仅限于该发电技术之下。此外，在第二第三案例之中，风电场被连接在不同电压等级的母线上，因此，对于其他形式的连接，需要进行单独的分析。