风电并网系统的暂态稳定研究

智　李　张鑫蕊　邓　烨　何博雅

(1. 三峡大学 电气与新能源学院， 湖北 宜昌　443002； 2. 国网湖北省电力公司 宜昌供电公司， 湖北 宜昌　443002； 3. 三峡大学 国际文化交流学院， 湖北 宜昌　443002)



风电并网系统的暂态稳定研究

智李1张鑫蕊1邓烨2何博雅3

(1. 三峡大学 电气与新能源学院， 湖北 宜昌443002； 2. 国网湖北省电力公司 宜昌供电公司， 湖北 宜昌443002； 3. 三峡大学 国际文化交流学院， 湖北 宜昌443002)

摘要：风电是间歇性电源且常和电力电子装置一起接入电力系统.因此，风电场的接入有可能影响原系统的可靠性、稳定性和电能质量．随着风电机组单机容量和风电场规模的增大，风能的随机性、间歇性和不可调度性的缺点使其并网后对电力系统的影响也越来越明显．风电功率的注入将改变当地电网的潮流分布，引起局部电网的节点电压产生波动，而且大规模风电的接入会对系统的功角暂态稳定性产生影响．利用Matlab/Simulink软件进行仿真，将定风速风电机组接入三机九节点的经典模型，仿真分析风电并网后对系统暂态稳定性的影响．

关键词：电力系统；风电机；暂态稳定；Matlab/Simulink

本文对风电并网后电力系统暂态稳定和运行控制问题进行研究，通过仿真分析研究大规模风电接入对电力系统暂态稳定性的影响，在此基础上提出相关暂态预防措施，为风电场的规划设计及运行和大规模风电场顺利并网提供理论准备和技术支撑[1-3]．

1风电并网系统的模型

1.1定速风电机组模型及风速模型

基于普通感应发电机的定风速风电机组，一般由风轮，轴系(包括低速轴LS、高速轴HS和齿轮箱组成)、感应发电机等组成，如图1所示．发电机转子通过轴系与风电机组风轮连接，而发电机定子回路与电网用交流线路连接．这种类型的风电机组一旦启动，其风轮转速是不变的，它取决于电网的系统频率，与风速无关．在电力系统正常运行情况下，风轮转速随感应发电机的滑差变化．风电机组在额定功率运行状态下，发电机的滑差变化为1%～2%，因此正常运行时的风轮转速仅在很小范围内变化[4]．

图1　基于普通感应点击的定速风电机组

定速风电机组工作原理：风电机组通过三叶片风轮将风能转换成机械能，风轮输出的机械功率为

式中，ρ表示空气密度；v表示通过风力机叶片的风速；λ，R，ω分别为叶尖速比、叶片旋转半径、叶片旋转角度；A表示叶片扫风面积；CP与叶尖速比λ以及叶片桨距角β有关[5]．

定速风电机组的风轮从风中获取机械能，然后通过齿轮轴系传递给感应发电机，感应发电机再把机械能转换成电能，输送到电网中．感应发电机无法控制无功功率，同时从电网吸收无功功率用来励磁．因为这种类型的感应发电机无法控制无功功率，所以利用无功补偿器来改善风电机组的功率因数，降低机组从电网中吸收的总的无功功率[6-7]．现代定速风电机组的风轮转速为15～20 r/min，发电机转子的同步转速与电网频率相对应．定速风电机组可以采用定桨距控制，也可以采用叶片角控制．

本文中风力发电机的风速模型采用了用随机发生模块器(uniform random number)来模拟实际中的随机风[8]，如图2所示．

图2　定速风电机组子系统结构图

1.2风电并网系统模型

一台额定功率为1.5 MW的定速风电机组接入三机九节点的模型中，该三机九节点系统如图3所示，该风力发电机在变压器T3的高压侧靠近母线B3的地方并入风电场，通过一个变压器接入电网，同时在附近系统增加了一个2 MW的负荷．

图3　三机九节点系统图

该系统参数如下所示.

发电机参数：

变压器参数：

T1：16.5/230 kV，XT=0.057 6；

T2：18/230 kV，XT=0.062 5；

T3：13.8/230 kV，XT=0.058 6．

线路参数：

Line1：Z=0.01+j0.085，B/2=j0.088；

Line2：Z=0.032+j0.161，B/2=j0.153；

Line3：Z=0.017+j0.092，B/2=j0.079；

Line4：Z=0.039+j0.17，B/2=j0.179；

Line5：Z=0.008 5+j0.072，B/2=j0.074 5；

Line6：Z=0.011 9+j0.100 8，B/2=j0.104 5．

负荷

LumpA：125+j50 MV·A，

LumpB：90+j30 MV·A，

LumpC：100+j35 MV·A．

利用Simulink搭建的模型如图4所示．

图4　风电并网系统模型

2风电并网对系统的影响

2.1风电并网系统的潮流计算

风电并网后的潮流计算是进一步分析其对系统稳定性、可靠性等方面影响的基础．系统中发电机组有3台，定速风电机组1台，系统中视为PQ节点，G1设为平衡节点，发电机相连母线潮流计算结果见表1．

表1　发电机相连母线潮流计算结果

系统中其余节点设为PQ节点，潮流计算结果见表2．

表2　负荷节点潮流计算结果

2.2风电并网对电压稳定性的影响

分析风电场接入对系统电压的影响，在母线B3附近发生三相短路故障，故障在1 s时发生，1.1 s切除．母线B1，B2，B3的电压如图5～6所示，图5是风电场未接入时母线电压变化情况，图6是风电场接入后母线电压变化情况．

图5　风电场未接入，母线B1、B2、B3的电压幅值变化

图6　风电场接入后，母线B1、B2、B3的电压幅值变化

由图5～6可知风电场未接入时，离故障点最近的B3处母线电压最低值降至0.2 p.u.，电压大约在1.8 s恢复至稳定值，较快恢复至正常值；风电场接入后，离故障点最近的B3处母线电压在故障后降为0，在切除故障后，电压经过一段时间的波动才恢复至稳定值，大约在3 s电压恢复到稳定值．

2.3故障点位置对暂态稳定性的影响

当短路故障位置靠近大系统侧时，由于大系统调节能力强，对风电场电压的影响就较小；当短路故障位置靠近风电场侧时，由于风电场位于电网末端，网架结构薄弱，再加上风速的随机性和间歇性，对风电场的影响就较大．

系统在1 s发生三相短路故障，在1.1 s切除，选择两处不同故障点，故障点一个在母线B4附近，离风电场较远；一个在母线B3附近，离风电场较近．发生故障时，风力发电机的转速，有功，无功，电压变化如图7～8所示．

图7　B4处故障，风力发电机转速，有功，无功，电压变化

图8　B3处故障，风力发电机转速，有功，无功，电压变化

从图7～8可以看出，在较远处B4发生三相短路故障时：1)电压降落至0.7 p.u.左右，恢复时瞬间电压高达1.8 p.u.，风电场输出有功功率：波动时最大值达到2 p.u.，风电场输出无功功率：波动时最大值达0.5 p.u.．2)较近处B3发生三相短路故障时，电压降落至0，恢复时电压瞬间高达2.9 p.u.，风电场输出有功功率：波动时最大值达到7 p.u.，风电场输出无功功率：波动时最大值达2.5 p.u.．

由以上分析可见，在离风力发电机较近处发生故障时，系统的电压降落较为严重，为了维持极端电压，吸收的无功功率是在较近处发生故障吸收无功功率的5倍．在离风电机越近的地方发生故障，电压，有功功率，无功功率波动越严重．

3切负荷提高系统的暂态稳定性

提高暂态稳定的措施有多种，本文仅从切负荷角度分析切负荷对暂态稳定的影响．系统在0.2 s发生故障，在0.3 s切除，系统稳定，如图9所示．从上到下依次为发电机12，发电机13，发电机23之间的系统功角图．而在0.31 s切故障后，系统暂态不稳定，功角图如图10所示．故障后0.1 s切除母线4上的负荷A 20%，仍然0.31 s切除故障，系统功角图如图11所示．由此可见，在同一故障切除时间，切除一部分负荷后，系统由暂态不稳定变为暂态稳定．所以，切负荷可以提高风机并网系统暂态稳定性．

图9　0.3 s切除故障系统功角图

图10　0.31 s切除故障系统功角图

图11　0.31 s切故障、切负荷系统功角图

4结语

本文对风电并网系统的暂态稳定性进行了研究，建立了风电并网系统的模型，从潮流计算、系统功角、电压的变化及暂态稳定几个方面进行了分析，得出了风电并网对系统的潮流、电压、暂稳的影响，在此基础上提出了提高暂稳的措施，并进行了验证分析．

参考文献：

[1]王林，杨佳俊．含风电场的潮流计算[J]．电力电容器与无功补偿，2015，36(1)：79-83．

[2]杨伟，易成星．风电大规模并网对系统暂态稳定性的影响[J]．电力学报，2013，28(4)：276-280．

[3]和萍，文福栓．不同类型风电机对小干扰和暂态稳定性的影响[J]．电力系统自动化，2013，37(17)：23-28．

[4]朱星阳，张建华．风电并网引起电网波动的评价方法及应用[J]．电工技术学报，2013，28(5)：88-94．

[5]李全林．新能源与可再生能源[M]．南京：东南大学出版社，2009．

[6]迟永宁．大型风电场接入电网的稳定性问题研究[D]．北京：中国电力科学研究院，2006．

[7]张乐丰，王增平．风电并网对电力系统的影响[J]．江苏电机工程，2011，30(2)：81-84．

[8]吴俊玲．大型风电场并网运行的若干技术问题研究[D]．北京：清华大学，2004．

[责任编辑张莉]

收稿日期：2015-10-08

基金项目：国家863高技术研究发展计划(2012AA050207)；三峡大学人才科研启动项目(KJ2014B011)；三峡大学科研项目(SDHZ2015258，SDHZ2015195)；湖北省微电网工程技术研究中心开放基金(2015KDW10)

通信作者：智李(1983-)，女，助教，硕士，主要研究方向为电力系统运行与控制．E-mail：zhiwanzhili@126.com

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.02.011

中图分类号：TM743

文献标识码：A

文章编号：1672-948X(2016)02-0047-04

Studies of Transient Stability of Wind Power Access Grid System

Zhi Li1Zhang Xinrui1Deng Ye2He Boya3

(1. College of Electrical Engineering & Renewable Energy, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China；2. Yichang Electric Company of State Grid Hubei Electric Power Company, Yichang 443002, China； 3. College of International Communications, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China)

AbstractThe wind power is intermittent, and often with power electronic devices connected to the system. Therefore, wind farm access has an impact on the operation of the power system, is likely to affect the original system reliability, stability, and power quality.As the wind unit capacity and the increasing scale of wind farm, wind power randomness, the disadvantages of intermittent and scheduling sex makes it after the interconnection influence on power system is becoming more and more obvious. Injection of wind power will change the tide of the local power grid distribution, cause local grid node voltage fluctuations; and large scale wind power access will affect the power-angle transient stability of the system. Using Matlab/Simulink software simulation, with wind turbines in the three-machine nine nodes classical model, the simulation analysis of wind power access grid after effect on system transient stability, is made.

Keywordspower system;wind speed;transient stability;Matlab/Simulink