风电系统的电压稳定性分析
2024-07-28
来源:世旅网
第22卷第3期 2010年6月 电力系统及其自动化学报 Proceedings of the CSU—EPSA Vo1.22 No.3 Jun. 2o10 风电系统的电压稳定性分析 马幼捷,杨海珊,周雪松,李 季,问虎龙 (天津理工大学自动化学院,天津300384) 摘要:风力发电是一种特殊的电力,由于风力的波动性,使电压稳定性成为风电系统面临的一个重要研究问 题。为此,分析了国内外有关风电系统电压稳定性的研究现状和主要问题,阐明了风电与常规能源的区别,及 其对电力系统电压稳定性的影响,主要从对电压稳定性影响的因素、含风电场的电力系统电压静、暂态电压稳 定性的等值模型与分析方法、指标进行分析,并且提出改善风电系统电压稳定性的一些措施,最后指出分析中 不足之处及以后需改善的方面。 关键词:风电系统;静态电压稳定;暂态电压稳定;改善措施 中图分类号:TM614 文献标志码:A 文章编号:1003—8930(2010)03 0022一O5 Voltage Stability Analysis of Wind Power System MA You—jie,YANG Hai—shan,ZHOU Xue—song,LI Ji,WEN Hu—long (School of Automation Engineering,Tianjin University of Technology, Tia njin 300384,China) Abstract:Wind power generation is a special kind of power,due to the volatility of wind,voltage stability of wind power system becomes an important research issue.This paper focus on the present development status and major issues of voltage stability research in wind power systems both at home and aboard,clarifies the dis— tinction between wind power and conventional energy and its impacts on power system voltage stability.This paper implements the research mainly from the influence factors of voltage stability,the equivalent models in— cluding the static and transient voltage stability of wind power system,analysis methods and indicators.Then some measures to improve the voltage stability for wind power system are offered,and the deficient aspects in the analysis and areas of improvement needed are pointed out. Key words:wind power system;static voltage stability;transient voltage stability;improvement measures 风能是清洁能源,在技术方面,风力发电日趋 成熟;在经济方面,成本不断降低。随着风电在电网 中所占比例的增大,且由于风能具有随机性、有限 可预测性的特点和风电场目前大多采用异步发电 1 研究现状 1.1 风电并网运行特点 风电场大多在电网的边缘联网,风力机组出口 母线大部分是0.69 kV。风力发电具有许多不同于 机的一些特性,使得风电的并网运行给电网的安 全、稳定运行带来重大的影响口 ]。 电力系统电压稳定性是一个很复杂的问题,也 常规能源发电的特点 ]: (1)常规能源的有功和无功输出可以准确预 测,而风电场的有功输出具有随机性; (2)风电场采用异步发电机,需要从电网吸收 无功,这是导致风电系统电压波动的主要因素; 是风电并网必须面对的问题,所以研究电压稳定性 对于风电大规模的应用有很大的意义。本文围绕风 电对电力系统电压稳定性的影响,如影响因素;静、 暂态电压稳定性等方面展开研究。 (3)风电场单机容量小,一般是1~2 Mw,需 收稿日期:2009—04—07;修回日期:2009 06—25 基金项目:国家自然科学基金项目(50877053) ・ 24 ・ 电力系统及其自动化学报 第22卷 意义。 并考虑加入具有快速响应元件的动态特性,进行暂 1.4暂态电压稳定 暂态电压稳定是指在系统发生故障或其他类 型的大扰动后,某些负荷母线电压发生不可逆转的 突然下降。在风电系统的暂态电压稳定性分析中, 主要考虑暂态建模、其分析方法。 1.4.1 暂态电压稳定的建模 进行风电场接入系统动态特性研究的基本内 态电压稳定分析_l 。文献[18]中Matlab/Simulink 仿真环境分别构建了含普通异步机风电场和双馈 异步机风电场的电力系统进行暂态电压稳定性 分析。 文献[6]通过在电力系统分析综合程序 (PSASP)的用户程序接口(UPI)增加风电场计算 模块,完成系统暂态电压稳定的时域仿真。还有用 容之一就是发电机组的动态模型研究。变速恒频风 力发电机组的动态数学模型的研究一直是研究的 热点,根据研究的对象不同大致可分为基于磁链电 压方程的详细数学模型和实用简化数学模型,前者 多用于对双馈风力发电机组控制器的研究,而后者 主要应用于对风电系统的暂态时域仿真的研究 中[ 。 文献[15]表明,采用考虑了异步发电机转子 电磁暂态过程的三阶模型,能准确反应风电机组并 网的暂态特性。其中,根据主设备异步发电机机组 的组成,建立了用于风电场暂态电压稳定分析的数 学模型,包括风速模型,风力机及控制系统模型和 发电机模型,有些还使用组合模型和降解模型表示 风电场,采用风电场的降阶等效模型可以研究整个 电力系统发生短路故障时风力机所承受的暂态响 应和含有大型风电场的电网电压稳定性及其动态 无功补偿。风电场的降阶变尺度等效模型因忽略一 些物理现象,会带来一定的误差_1 。 研究表明,过于简化的发电机组模型可能使研 究结果失真,过于复杂的模型会加大分析难度,并 且会降低仿真效率。如何将风电机模型集成在风电 场模型中,同时解决模型复杂化从而导致仿真时间 长的问题都将是今后研究方向。 1.4.2 暂态分析方法 到目前为止,大多是基于时域仿真的研究,对 基于能量函数的暂态安全域的研究和暂态潮流的 研究尚未见有报道。用时域仿真法进行电压暂态稳 定分析是最为精确的方法,可获得各种量随时问变 化的曲线 。但存在的问题是时域仿真积分速度 慢,特别是计算稳定极限分析量非常大,为了更精 确地分析系统暂态特性,所用的模型和参数需要进 行有效性评估。 通常风电系统暂态电压稳定分析是基于 Matlab/Simulink仿真环境下建立模型,主要针对 由快速响应元件的动态特性所引起的暂态电压失 稳过程进行仿真分析,采用己有的暂态稳定程序, PSAT软件对接有大容量风电场的电力系统进行 电网侧故障的暂态仿真u 。 1.4.3 暂态电压稳定性指标 虽然时域仿真法能够精确计及动态元件的特 性,但耗时长,且只能给出稳定或者不稳定的结论, 所以提出多种方法和判据来分析暂态电压稳定性。 文献E19]结合风电系统的特点分析不同机端 电压下的异步发电机转速一电磁转矩特性,得出 电压越低的情况下,异步发电机的稳定裕度越低; 大多数文献中 ,暂态稳定分析采用临界切除 时间CCT(critical clearing time)作为判断系统暂 态稳定性的一个标准。它是允许电网故障持续的最 长时间,即在该时间内切除故障不会引起机组的失 稳。 文献[6]首次提出风电场暂态电压稳定性用 无功备用裕度或系数的判断和预测方法。 但是,由于对风电系统暂态电压稳定性分析还 不是很深入,未能充分利用指标来判断系统的稳定 性,所以风电系统暂态电压稳定的指标,尤其是对 指标定量是以后研究的方向。 1.5 改善风电系统电压稳定性的措施 异步风力发电机主要从电网吸收无功功率来 提供其建立磁场所需的励磁电流,因此对风力发电 补偿无功是主要措施。目前,风力发电机无功补偿 可采用机端并联电容、静止型无功补偿装置 SVC(static var compensator)、静止无功发生器 (SVG)等 。 ~。 。 文献[8]指出机端并联电容使风电场无功电 压灵敏度增加,静态电压稳定性更高;机端并联电 容同样可以用在暂态电压稳定的控制中,使电压崩 溃邻近指标更小,无功备用裕度增加,风电场的暂 态电压稳定性提高 。 文献[2O]中将SVC应用于并网异步机风电 场,作为动态无功补偿措施,以提高风电场的暂态 电压稳定性;文献[19]提出了在风电场出口安装 SMES装置,充分利用SMES有功无功综合调节的 第3期 马幼捷等:风电系统的电压稳定性分析 ・ 25 ・ 能力,可以降低风电场输出功率的波动,稳定风电 场电压。 除了以上几种控制电压的方法之外,还可采用 新型的带有动态无功控制功能的风力发电机组;另 有文献[21]提出智能控制技术,它能跟踪风速的 变化,使风力涡轮机输出的功率最优。也有文献研 究了基于双馈异步电机的交流励磁控制技术及其 对电网电压稳定性的贡献,指出双馈电机的有功、 无功解耦控制使变速风电机组具有一定的无功调 节能力。 2 结语 本文通过对目前国内外风电系统电压稳定性 研究现状的总结,得出在风电系统电压稳定性研究 领域未来研究的重点将在以下几个方面: (1)就电压稳定性问题的研究现状而言,对电 压失稳的机理仍缺乏统一的认识;缺乏统一的数学 分析方法,而常规方法中个体差异大,均有严格动 静态限制的缺陷。尤其在风电系统中,有必要考虑 风力机柔性连接特点,结合新的稳定性分析方法以 求深层次地认识电压稳定机理,进一步改善系统的 电压稳定性,这将在后续工作中展开研究。 (2)机端并联电容、SVC、静止同步补偿器 STATCOM(static synchronous compensator)能 提高电压稳定性;另~方面,也会使系统变得更脆 弱,使其产生过电压,如何结合风电场特点选择容 量和特性参数是今后要关注的问题。 (3)随着对风电系统电压稳定性问题研究的 不断深入,需要提出准确的电压稳定性指标和实用 判据,尤其是定量指标。 由于风电系统的复杂性,而且电压稳定性的研 究尚未得到较深入研究,其影响大多基于预测性 的,缺乏验证性分析,有待进一步验证。 参考文献: [1]迟永宁,刘燕华,王伟胜,等(Chi Yongning,Liu Yah— hua,Wang Weisheng,et a1).风电接入对电力系统 的影响(Study on impact of wind power integration on power system)[J].电网技术(Power System Tech— nology),2007,31(3):77—81. 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