CN105098842B - 一种考虑电压约束的风电场并网容量确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种考虑电压约束的风电场并网容量确定方法，包括根据风电场中不同的风机类型来建立相应的风电场并网模型，在风电场并网模型中选定的风电场并网点位置，计算风电场并网点处的短路容量；根据风电场的额定容量与风电场并网点处的短路容量的比值，分别得到在若干个不同电压约束条件下的风电场在并网点处的最大短路容量比；根据不同电压约束条件下的风电场在并网点处的最大短路容量比中的最小值，获得风机在综合不同电压约束条件下的风电场并网点处的最大短路容量比；根据风电场并网点处的短路容量和在综合不同电压约束条件下的风电场并网点处的最大短路容量比的乘积，得到并网风电场的最大接入容量。
Description
技术领域
本发明属于电力系统领域，尤其涉及一种考虑电压约束的风电场并网容量确定方法。
背景技术
随着社会经济的发展，人们对全球变暖和大气环境污染问题的关注，新能源发电越来越成为被人们广泛接受的发电形式。其中，随着风力发电和并网技术的不断进步，并网风电装机容量逐年增加，到目前国家已批建九个千万千瓦级风电基地。但随着风电大规模、集中化开发，风电的并网和消纳问题显现出来。我国绝大部分风能资源丰富的地区远离负荷中心，位于电网末端，电网薄弱，电网结构和强度成为制约风电并网规模的因素。风电因其具有随机性和间歇性，给电网带来电压水平降低、暂态稳定性降低等问题。
随着风电接入规模的不断增大，风电场对电力系统的影响也越来越显著。对于影响风电可接入容量的因素主要包括风力发电机组的类型、风电机组的控制方式、风电场的无功控制以及接入系统强度等。因此，合理地评估电网强度，正确计算风电场并网容量成为风电场规划建设必须考虑的问题。
目前往往对区域内多个风电场进行稳定性分析，缺乏对单个风电场容量的分析，而在实际电网规划和工程实践中，单个风电场容量的确定具有更强的实际意义。且现有资料多从含风电电力系统调频、调峰角度进行分析，或者通过单一潮流计算结果进行分析。而实际电力系统中风电场多处于系统末端，电网结构薄弱，风电并网导致的电压稳定问题更为突出，因而需要从多个角度充分分析风电并网容量与电压稳定的关系。基于风电场短路容量比的方法准确反映风电场并网对电压稳定的影响。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出了一种通过静态电压稳定裕度约束、稳态电压偏差约束、相角差约束和低电压穿越约束来确定风电场并网点的最大短路容量比，进而确定并网点处风电场的并网容量的方法。本发明从电力系统电压稳定的角度提出一种考虑电压约束的风电场并网容量确定方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种考虑电压约束的风电场并网容量确定方法，包括：
步骤一：选定风电场并网点位置，计算风电场并网点处的短路容量；
步骤二：根据风电场中不同的风机类型来建立相应的风电场并网模型，分别计算在若干个不同电压约束条件下的风电场在并网点处的最大短路容量比；
步骤三：根据不同电压约束条件下的风电场在并网点处的最大短路容量比中的最小值，获得风机在综合不同电压约束条件下的风电场并网点处的最大短路容量比；
步骤四：根据风电场并网点处的短路容量和综合不同电压约束条件的风电场并网点处的最大短路容量比的乘积，得到并网风电场的最大接入容量。
所述步骤一中，风电场并网点处的短路容量为：该并网点发生三相短路时短路电流与额定电压的乘积：
其中，Un为风电场并网点处的额定电压，Ik为风电场并网点处三相短路时系统短路电流。
所述步骤一中风电场中不同的风机类型，包括鼠笼式异步风机、绕线式异步风机、双馈异步风机和永磁直驱异步风机；对于鼠笼式异步风机和绕线式异步风机，根据风力发电机参数获得风力发电机的功率因数；对于双馈异步风机和永磁直驱风机，分别考虑恒功率因数控制和恒压控制这两种控制方式；风电场并网模型中接入系统用系统等值节点和系统等值阻抗表示。
所述步骤一中的风电场在并网点处的短路容量比SCR的定义为：风电场的额定容量Pn与风电场并网点处的短路容量Ssc的比值：
所述步骤二中的电压约束条件包括：静态电压稳定裕度约束条件、稳态电压偏差约束条件及相角差约束条件和低电压穿越约束条件。
其中，静态电压稳定裕度为：
其中Pn为风电场额定容量，Pmax为电压崩溃点处对应的风电场输出的有功功率，选取静态电压稳定裕度约束为λ≥1。
稳态电压偏差约束条件为：考虑风电场在并网点处电压允许波动范围为Vwmin≤Vw≤Vwmax，其中，Vw为风电场并网点处电压，Vwmin为风电场并网点处允许的最低电压，Vwmax为风电场并网点处允许的最高电压。
相角差约束条件为：约束风电场并网点处节点电压与系统等值节点电压之间的相角差所允许的变化范围。
获取在低电压穿越约束条件下的风电场并网点处最大短路容量比的过程为：
首先建立风电场动态模型，风电场接入电力系统用系统等值节点和系统等值阻抗表示，系统节点电压为恒定值，系统等值阻抗为R+jX；
系统等值阻抗比值X/R表征不同接入点电压等级，高压线路网络的等值阻抗比值X/R大，低压线路网络的等值阻抗比值X/R小；
在确定比值X/R不变的情况下，保持风电场模型不变的同时按固定步长不断增加系统等值阻抗R+jX，直至并网点电压不再满足低电压穿越要求，从而得到低电压穿越约束下的最小的系统短路容量，进而求得风电场最大短路容量比。
所述风电场动态模型，包括空气动力学简化模型、机械转动系统模型和感应发电机模型。
所述步骤三中，在系统等值阻抗比值X/R确定的情况下，获取若干个不同电压约束下的风电场在并网点处的最大短路容量比中的最小值，从而得到满足若干个不同电压约束条件的最大短路容量比SCRmin：
SCRmin＝min{SCR1,SCR2,SCR3,SCR4}
其中，SCR1为在静态电压稳定裕度约束下的风电场在并网点处的最大短路容量比；SCR2为在稳态电压偏差约束下的风电场在并网点处的最大短路容量比；SCR3为在相角差约束下的风电场在并网点处的最大短路容量比；SCR4为在低电压穿越约束下的风电场在并网点处的最大短路容量比。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
(1)本发明提出的方法具有较强的通用性和适用性，有效利用了风电场并网点处短路容量这一电网参数，简化了分析思路，克服了不同风电接入点在计算并网风电最大接入容量因电网电压等级和电网结构不同时而带来的分析方法的不同，适用于不同电压等级和不同电网结构下风电场并网容量的分析。
(2)现有的风电场并网容量分析常从调频、调峰约束进行分析，而对电压约束并未做详细分析，本发明从多种电压约束的角度分析风电场接入容量，分析了并网风电场在并网点处的电压稳定性，给出了风电场并网容量上限；对于电网结构相对薄弱、处于电网末端的风电场具有更强的实用性和指导意义。
附图说明
图1是风电场并网的等效模型示意图；
图2是风电场并网点处P-V曲线示意图；
图3是静态电压稳定裕度约束下风电场在并网点处的最大短路容量比结果图；
图4是稳态电压偏差约束下风电场在并网点处的最大短路容量比结果图；
图5是相角差约束下风电场在并网点处的最大短路容量比结果图；
图6是风电场低电压穿越要求；
图7是风机类型为鼠笼式异步风机风电场并网模型；
图8是风机类型为鼠笼式异步风机在低电压穿越约束下风电场并网点处的最大短路容量比结果图；
图9是风机类型为某种鼠笼式异步风机在静态电压稳定裕度约束、稳态电压偏差约束、相角差约束和低电压穿越约束下风电场并网点处的最大短路容量比结果图；
图10是风机类型为双馈异步风机在静态电压稳定裕度约束、稳态电压偏差约束和相角差约束风电场并网点处的最大短路容量比结果图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：
如图1所示，一种考虑电压约束的风电场并网容量确定方法，包括：
步骤一：选定风电场并网点位置，计算风电场并网点处的短路容量；
步骤二：根据风电场中不同的风机类型来建立相应的风电场并网模型，分别计算在若干个不同电压约束条件下的风电场在并网点处的最大短路容量比；
步骤三：根据不同电压约束条件下的风电场在并网点处的最大短路容量比中的最小值，获得风机在综合不同电压约束条件下的风电场并网点处的最大短路容量比；
步骤四：根据风电场并网点处的短路容量和综合不同电压约束条件的风电场并网点处的最大短路容量比的乘积，得到并网风电场的最大接入容量。
在风电场接入点处通过电力系统仿真软件或者实地短路实验的方式获得该点处的短路容量。风电场并网点处系统短路容量为该并网点发生三相短路时短路电流与额定电压的乘积：
其中，Un为风电场并网点处的额定电压，Ik为风电场并网点处三相短路时系统短路电流。
风电场并网点处的短路容量比SCR的定义为风电场的额定容量Pn与风电场并网点处的短路容量Ssc的比值：
步骤二中的电压约束条件包括静态电压稳定裕度约束条件、稳态电压偏差约束条件及相角差约束条件和低电压穿越约束条件。
针对图1中的风电场并网建立模型，将其接入电力系统，并用不同的系统等值阻抗来表征系统的不同短路容量，对于风电场模型的等效根据风电场风机类型和控制方式、补偿方式的不同进行不同等效。
风电场中风机类型分别考虑鼠笼式异步风机、绕线式异步风机、双馈异步风机和永磁直驱异步风机；对于鼠笼式异步风机和绕线式异步风机，根据风力发电机参数获得风力发电机的功率因数；对于双馈异步风机和永磁直驱风机，分别考虑恒功率因数控制和恒压控制这两种控制方式；风电场并网模型用系统等值节点和系统等值阻抗表示。
当风电场模型的处理为当风电场风机类型为鼠笼式异步风机时，根据风机额定容量的不同按不同比例进行无功补偿，其中风电场的无功功率是关于有功功率的函数；当风电场风机类型为双馈异步风机和永磁直驱风机时，由于两种变速恒频风机可以运行于恒功率因数和恒电压两种控制方式下，因此风电场分别考虑恒功率因数控制和恒压控制这两种控制方式可以等效为功率因数恒定的PQ节点或PV节点。风电场视在功率表示为P+jQ，其中，P为风电场输出有功功率，Q为风电场输出无功功率。
对于计算在静态电压稳定裕度约束下风电场在并网点处的最大短路容量比SCR1，风电场的静态电压稳定裕度定义为：
其中，Pn为风电场额定容量，Pmax为风电场容量增长至电压崩溃点处对应的风电场有功功率。选取静态电压稳定裕度约束为λ≥1。风电场P-V曲线如图2所示，其中电压崩溃点处对应的风电场有功功率Pmax可以表示为：
式中，Ssc为风电场并网点处系统短路容量；P为风电场有功功率，Q为风电场无功功率，X、R为系统的系统等值阻抗参数。
图3为风机类型为双馈异步风机单位功率因数控制和功率因数为-0.95时的风电场在并网点处的最大短路容量比。
如图4所示，对于计算在稳态电压偏差约束下风电场在并网点处的最大短路容量比SCR2，稳态电压偏差约束中并网点处电压允许波动的电压范围Vwmin≤Vw≤Vwmax，其中Vw为风电场并网点处电压，Vwmin为风电场并网点处允许的最低电压，Vwmax为风电场并网点处允许的最高电压；具体的电压波动范围可参考《风电场接入电力系统技术规定(GB/T 19963-2011)》中风电场电压控制中对风电场并网点电压的要求。
对于稳态电压偏差约束下的风电场最大功率可以表示为：
式中，Ssc为风电场并网点处系统短路容量；P为风电场有功功率，Q为风电场无功功率，X、R分别为系统的系统等值阻抗。
其中，Vw为风电场并网点电压，Vw范围可取0.97≤Vw≤1.07，Vo为风电场并网模型中系统等值节点电压，取1pu。
如图5所示，对于计算在相角差约束下风电场在并网点处的最大短路容量比SCR3。将风电场并网模型中系统等值节点作为参考节点，风电场并网点电压表示为Vw∠θ。
其中，θ满足|θ|＜θmax，θmax为最大允许相角差。
对于计算风机类型为鼠笼式风机的风电场在低电压穿越约束下风电场并网点处的最大短路容量比SCR4。采用多次仿真的方式，首先利用Matlab/Simulink建立含鼠笼式风机风电场的并网模型，如图7所示，风电场动态模型用单台鼠笼式风机的动态模型表示，风机模型包括空气动力学简化模型、机械转动系统模型和感应发电机模型，如图6所示，通过参数倍乘的方式模拟整个风电场设定其额定容量为40MW。
风电场低电压穿越约束按照《风电场接入电力系统技术规定(GB/T 19963-2011)》中对于风电场低电压穿越的要求，低电压穿越约束模拟风电场并网点处存在五种低电压过程，如表1所示。
表1低电压穿越约束模拟风电场并网点处存在五种低电压过程表格
| 低电压过程 | 电压 | 持续时间 |
| 1 | 0.2pu | 625ms |
| 2 | 0.3pu | 821ms |
| 3 | 0.35pu | 920ms |
| 4 | 0.5pu | 1214ms |
| 5 | 0.65pu | 1509ms |
如图8所示，通过在风电场并网点处设置大小不同的接地阻抗的短路过程设置电压跌落深度和持续时间不同的低电压过程。在确定系统等值阻抗比值X/R的情况下不断增大系统等值阻抗，直至风电场并网点电压不再满足低电压穿越要求。根据系统等值阻抗大小，计算系统短路容量，进而计算得到满足风电场低电压穿越约束的最大短路容量比。
多种电压约束条件包括：静态电压稳定裕度约束条件、稳态电压偏差约束条件及相角差约束条件和低电压穿越约束条件，取这四种约束条件。综合这四种约束条件下的风电场短路容量比取四种约束下风电场短路容量比的最小值：
SCRmin＝min{SCR1,SCR2,SCR3,SCR4}
其中，SCR1为在静态电压稳定裕度约束下的风电场在并网点处的最大短路容量比；SCR2为在稳态电压偏差约束下的风电场在并网点处的最大短路容量比；SCR3为在相角差约束下的风电场在并网点处的最大短路容量比；SCR4为在低电压穿越约束下的风电场在并网点处的最大短路容量比。
图9和图10分别是风机类型为鼠笼式异步风机和双馈异步风机在静态电压稳定裕度约束条件、稳态电压偏差约束条件、相角差约束条件和低电压穿越约束条件下风电场并网点处的最大短路容量比结果图。由此可看出，本发明的该方法具有较强的通用性和适用性，有效利用了风电场并网点处短路容量这一电网参数，简化了分析思路，克服了不同风电场接入点，也就是风电场并网点在计算并网风电最大接入容量因电网电压等级和电网结构不同时而带来的分析方法的不同，适用于不同电压等级和不同电网结构下风电场并网容量的分析。
对于计算并网风电场的最大接入容量中，风电场的最大接入容量Pwind为所获得的风电场并网点短路容量Ssc与综合约束条件下风电场短路容量比SCRmin的乘积：
Pwind＝Ssc·SCRmin。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (5)
1.一种考虑电压约束的风电场并网容量确定方法，其特征在于，包括：
步骤一：选定风电场并网点位置，计算风电场并网点处的短路容量；
步骤二：根据风电场中不同的风机类型来建立相应的风电场并网模型，分别计算在若干个不同电压约束条件下的风电场在并网点处的最大短路容量比；
步骤三：根据不同电压约束条件下的风电场在并网点处的最大短路容量比中的最小值，获得风机在综合不同电压约束条件下的风电场并网点处的最大短路容量比；
步骤四：根据风电场并网点处的短路容量和综合不同电压约束条件的风电场并网点处的最大短路容量比的乘积，得到并网风电场的最大接入容量；
所述步骤一中，风电场并网点处的短路容量为该并网点发生三相短路时短路电流与额定电压的乘积：
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其中，Un为风电场并网点处的额定电压，Ik为风电场并网点处三相短路时系统短路电流；
所述步骤二中的短路容量比为风电场的额定容量Pn与风电场并网点处系统短路容量Ssc的比值：
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所述步骤二中的电压约束条件包括：静态电压稳定裕度约束条件、稳态电压偏差约束条件及相角差约束条件和低电压穿越约束条件；
在静态电压稳定约束下，求取风电场并网点处最大短路容量比的公式为：
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式中，λ为静态电压稳定裕度，Pn为风电场额定容量，Pmax为风电场容量增长至电压崩溃点处对应的风电场有功功率，P为风电场有功功率，Q为风电场无功功率，X、R为系统的系统等值阻抗参数；
在稳态电压偏差约束下，求取风电场并网点处最大短路容量比P1的公式为：
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稳态电压偏差约束条件为：考虑风电场在并网点处电压允许波动范围为Vwmin≤Vw≤Vwmax，其中，Vw为风电场并网点处电压，Vwmin为风电场并网点处允许的最低电压，Vwmax为风电场并网点处允许的最高电压；其中，稳态电压偏差约束中并网点处电压允许波动范围Vwmin≤Vw≤Vwmax；在相角差约束下，将风电场并网模型中系统等值节点作为参考节点，风电场并网点电压表示为Vw∠θ，求取风电场并网点处最大短路容量比P2的公式为：
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在低电压穿越约束条件下，求取风电场并网点处最大短路容量比的过程为：
首先，建立风电场动态模型，风电场接入电力系统后，风电场采用系统等值节点和系统等值阻抗表示，系统节点电压设为Vo，系统等值阻抗设为R+jX；
然后，在确定系统等值阻抗比值X/R不变的情况下，保持风电场模型不变的同时按固定步长不断增加系统等值阻抗R+jX，直至并网点电压不再满足低电压穿越要求，从而得到低电压穿越约束下的最小的系统短路容量，进而求得风电场最大短路容量比。
2.如权利要求1所述的一种考虑电压约束的风电场并网容量确定方法，其特征在于，所述步骤一中风电场中的风机类型，包括鼠笼式异步风机、绕线式异步风机、双馈异步风机和永磁直驱异步风机。
3.如权利要求1所述的一种考虑电压约束的风电场并网容量确定方法，其特征在于，所述相角差约束条件为：约束风电场并网点处节点电压与系统等值节点电压之间的相角差所允许的变化范围。
4.如权利要求1所述的一种考虑电压约束的风电场并网容量确定方法，其特征在于，所述风电场动态模型，包括空气动力学简化模型、机械转动系统模型和感应发电机模型。
5.如权利要求1所述的一种考虑电压约束的风电场并网容量确定方法，其特征在于，所述步骤三中，在系统等值阻抗比值确定的情况下，获取若干个不同电压约束下的风电场在并网点处的最大短路容量比中的最小值，从而得到满足若干个不同电压约束条件的最大短路容量比SCRmin：
SCRmin＝min{SCR1,SCR2,SCR3,SCR4}
其中，SCR1为在静态电压稳定裕度约束下的风电场在并网点处的最大短路容量比；SCR2为在稳态电压偏差约束下的风电场在并网点处的最大短路容量比；SCR3为在相角差约束下的风电场在并网点处的最大短路容量比；SCR4为在低电压穿越约束下的风电场在并网点处的最大短路容量比。
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