CN106844911A - 一种大规模风电汇集系统静态电压稳定分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种大规模风电汇集系统静态电压稳定分析方法，针对不同拓扑结构风电汇集系统汇集点处等效阻抗不同，得到对应于各种汇集拓扑的Q‑V曲线和电压稳定裕度，进而评判不同汇集拓扑静态电压稳定性的优劣。本发明考虑大规模风电汇集系统的拓扑规划设计，从机理上分析出不同拓扑汇集系统具有不同等效阻抗时会得到不同的无功电压特性，提出了利用节点电压稳定裕度M指标进行静态电压稳定评估，具有计算简单、易于实现的优点，可为大规模风电场的实际工程设计提供参考。

Description

一种大规模风电汇集系统静态电压稳定分析方法

技术领域

本发明涉及电气信息技术领域，具体为一种大规模风电汇集系统静态电压稳定分析方法。

背景技术

我国经济发展受能源和环境的制约已日趋严重，而风电是一种取之不尽、用之不竭的清洁可再生能源，因而加快发展风电已成为我国经济可持续发展的必然趋势。中国风电虽起步较晚，但装机容量却增长迅速，随着大规模风电基地越来越多地建成并接入电网，截止2015年底中国风电总装机容量已达到145.1GW，位居世界第一。但由于我国风力资源的分布特点，这些风电场大多分布在电网薄弱，负荷稀少的边远地区，必须采用先就地汇集再集中外送的并网模式。大规模风电基地作为弱送端系统，其电压支撑能力较弱，且无功问题突出，特别是当风机接近满发时，容易导致风电汇集系统电压稳定性降低。

随着风电输送功率的增大，汇集系统在整个并网过程中的作用至关重要。汇集站是一个地区的电压支撑，能协调当地各风电场群无功输出，从而提高整个分区电网的电压水平。近年来国内外学者加深了对大规模风电汇集系统的研究，但现有的成果或是单独研究汇集系统电压稳定性，或只考虑汇集系统在不同拓扑下的经济性与可靠性问题，并未将汇集系统不同拓扑与电压稳定性相结合。然而大规模风电基地中，不同拓扑结构的汇集系统由于传输线上的损耗和充电功率分布不同，将对并网后的潮流分析产生较大影响，导致并网关键点具有不同的无功电压特性。大规模风电汇集系统不同拓扑结构下的电压稳定性问题仍然没有得到解决。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提出一种大规模风电汇集系统静态电压稳定分析方法，以弥补已有方法的不足，针对大容量风电汇集系统静态建模时不考虑其电气接线不具合理性的问题，详细计及风电汇集系统各种不同拓扑结构下的电气接线，根据高电压等级下电压与无功功率的强相关性，利用Q-V曲线法分析各拓扑并网关键点的无功电压特性，并给出电压稳定裕度来评价各风电汇集拓扑在稳定性方面的优劣。技术方案如下：

一种大规模风电汇集系统静态电压稳定分析方法，包括以下步骤：

步骤1：将大规模风电汇集系统等效为单机无穷大系统模型，根据单机无穷大系统模型得到等值风电汇集系统的无功电压特性曲线；

步骤2：根据上述无功电压特性曲线分析风电汇集系统并网点的无功电压特性；

步骤3：分析不同拓扑结构对应的不同等效阻抗X下无功电压的稳定性，而得到风电汇集系统无功电压灵敏度随等效阻抗X变化的曲线；

步骤4：根据步骤3中的曲线计算不同拓扑结构的节点电压稳定裕度M。

进一步的，所述步骤1中得到等值风电汇集系统的无功电压特性曲线的方法包括：

在单机无穷大系统模型中，视作等值风电场通过纯电抗传输线连接到无限大容量母线上，根据功率传输方程得到：

其中，X为汇集系统接入电网的等效阻抗；E_S为主网电压；E_W为风电场汇集母线电压；汇集点实际有功功率P＝P_L-P_W，汇集点实际无功功率Q＝Q_L-Q_W，P_L和Q_L分别为连接到汇集母线上的单一负荷的有功功率和无功功率，P_W和Q_W分别为风电场在汇集母线处注入的有功功率和无功功率；θ为汇集母线电压E_W与主网电压E_S间的功角差；

由式(1)和式(2)消除给定的θ后推出：

从式(3)解得电压与风电场端功率的关系为：

当取不同值时，得到一系列曲线，即等值风电汇集系统的无功电压特性曲线。

更进一步的，所述步骤2中得到风电汇集系统无功电压灵敏度随等效阻抗X变化的曲线方法包括：

由于无功功率传输方向与潮流参考方向相反，由所述式(3)分离Q后反向得：

式(5)两边对E_W求导，得：

对上式(6)两边取倒数，得静态电压灵敏度：

取E_W、E_S和P具体的标幺值，且E_W＝E_S，由式(7)得到风电汇集系统无功电压灵敏度随等效阻抗X变化的曲线。

更进一步的，所述不同拓扑结构的节点电压稳定裕度M的计算方法为：

由所述式(4)得无功电压特性曲线最低点为：

此时稳定运行的临界电压是：

由已知的汇集母线处的P_D和P_W，得汇集点实际有功功率P，带入式(9)，计算出并网点的临界稳定电压E_Wcr，则对应不同拓扑的节点电压稳定裕度M为：

一种大规模风电汇集系统静态电压稳定分析系统，包括无功电压特性分析模块、无功电压灵敏度分析模块和电压稳定裕度计算模块；

所述无功电压特性分析模块根据大规模风电汇集系统的拓扑规划计算生成等值风电汇集系统的无功电压特性曲线，并分析风电汇集系统并网点的无功电压特性；

无功电压灵敏度分析模块根据不同拓扑结构对应的不同等效阻抗X，计算生成风电汇集系统无功电压灵敏度随等效阻抗X变化的曲线；

电压稳定裕度计算模块根据风电汇集系统无功电压灵敏度随等效阻抗X变化的曲线计算不同拓扑结构的节点电压稳定裕度M。

本发明的有益效果是：本发明考虑大规模风电汇集系统的拓扑规划设计，从机理上分析出不同拓扑汇集系统具有不同等效阻抗时会得到不同的无功电压特性，提出了利用节点电压稳定裕度M指标进行静态电压稳定评估，具有计算简单、易于实现的优点，可为大规模风电场的实际工程设计提供参考。

附图说明

图1为风电汇集系统简化等效电路。

图2为风电汇集系统电压灵敏度曲线图。

图3为链形拓扑结构仿真系统示意图。

图4为混连形拓扑结构仿真系统示意图。

图5为辐射形拓扑结构仿真系统示意图。

图6为不同汇集拓扑并网点Q-V曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。大规模风电基地接入主网的电气结构和稳定特性与单机无穷大系统相似，故以单机无穷大系统模型来定性分析大规模风电汇集系统的并网问题。如图1所示，考虑等值风电场通过纯电抗传输线连接到无限大容量母线上。P_W和Q_W为风电场在母线1(即汇集母线)处注入的有功功率和无功功率。当风电机组以单位功率因数cosδ＝1运行时，机组不具备无功自主调节能力。为了支撑电网和汇集系统接入点电压，需进行就地无功补偿。近似认为风电厂发出的无功等于无功补偿装置提供的无功，即Q_W＝Q_B。连接到母线1上的单一负荷需有功功率P_L和无功功率Q_L。X为汇集系统接入电网的等效阻抗，E_S∠0和E_W∠θ分别为主网和汇集母线电压，θ为汇集母线电压E_W与主网电压E_S间的功角差，为联络线上流过的电流。

图1中根据功率传输方程可得：

其中汇集点实际有功功率P＝P_L-P_W，汇集点实际无功功率Q＝Q_L-Q_W。

由式(1)和式(2)消除给定的θ后可推出：

并从式(3)解得电压与风电场端功率的关系为：

当取不同值时，可得一系列曲线，即等值风电汇集系统的无功电压特性曲线。根据等值风电汇集系统的无功电压特性曲线分析风电汇集系统并网点的无功电压特性，其底部dQ/dV＝0，为电压崩溃点，即式(4)对应的电压唯一解；风电并网点从正常运行到临界崩溃时的无功裕度可由曲线直接得到，将该裕度作为静态电压稳定的实用指标。

考虑汇集系统具有不同拓扑结构时，从汇集点看入主网的等效阻抗X会由于不同连接方式对应不同潮流分布而有所改变，进而得到不同的Q-V曲线。同时可由X对电压灵敏度的直接影响说明不同拓扑具有不同电压稳定性。

由于无功功率传输方向与潮流参考方向相反，由式(3)分离Q后反向得：

式(5)两边对E_W求导，得：

对上式(6)两边取倒数，得静态电压灵敏度：

为了便于绘制风电汇集系统无功电压灵敏度随等效阻抗X变化的曲线图，取E_W、E_S和P具体的标幺值，且E_W＝E_S，由式(7)可得到风电汇集系统无功电压灵敏度随等效阻抗X变化的曲线。且此处即使取值不同的标幺值，曲线的趋势也相同，如当取E_W＝E_S＝1且P＝3时，曲线如图2所示。

从图2中可看出在有功功率不变的情况下，汇集系统等效阻抗越大其并网点的电压灵敏度越高，电压稳定性越差，当X靠近X_cr时，已接近无穷大，此时无功Q的极小变化也会导致电压崩溃。其中，X_cr表示当取E_W＝E_S＝1且P＝3时对应的临界等效阻抗。

上述过程从机理上分析出不同汇集系统拓扑具有不同等效阻抗时会具有不同的无功电压特性，并且等效阻抗越小，风电场群与主网的电气联系越紧密，并网点静态电压稳定性越优。进一步以图1所示的汇集系统简化模型推导得到适用于大规模风电汇集系统在不同拓扑结构下的静态电压稳定判据。

由式(4)得Q-V曲线最低点为：

此时稳定运行的临界电压是：

当已知汇集母线处的P_L和P_W时，可得汇集点实际有功功率P，代入上式(9)，由式(9)知，为任一常数，把这个常数带入等式右边，即可算出此处E_S为无穷大系数对应电压，可取其标幺值为1，即可得到并网点的临界稳定电压E_Wcr。对于辐射状、链状或混联状等风电汇集系统的各种典型拓扑结构，由于其等效阻抗X不同，电压关键点处会得到对应不同拓扑的节点电压稳定裕度M：

式中，E_W为风电场汇集站正常运行时的汇集母线电压。

应用实例：根据某实际风电汇集系统相关参数建立仿真模型。该汇集系统总装机容量为500MW，10个风电场各出力50MW。由于同一风电场内风机运行情况基本相同，运用容量加权原则对风电场进行等值。为满足并网点电压要求，每个风电场110kV母线上各投入6Mvar的无功补偿装置。将主网等值为一台最大有功出力700MW，无功出力不受限制的平衡机(E_S＝1∠0°)。为比较不同汇集拓扑特性，风电场分别呈辐射状、链状和混联状经110kV线路汇集到共和变电站，该中心变电站再经330kV线路接入主电网，送出线路长达50km，且测得并网点短路比为R_SC＝S_SC/P_N＝2.7＜＜20，属于典型的弱联接送端系统。风电场和汇集站间的详细电气接线方式见图3、图4和图5。

中心汇集站为整个风电汇集系统的电压中枢点，为得到该点的Q-V曲线，分别在链形、辐射形和混联形拓扑的110kV母线处施加负荷，当负荷试图吸收超出电力传输线或风电系统传送能力的功率时就会导致电压不稳定。图6为施加P_L1＝800MW负荷时不同拓扑对应的Q-V曲线，可从曲线中看出辐射形拓扑的静态电压稳定性更好。

以上对本发明所提供的大规模风电汇集系统静态电压稳定分析方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种大规模风电汇集系统静态电压稳定分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将大规模风电汇集系统等效为单机无穷大系统模型，根据单机无穷大系统模型得到等值风电汇集系统的无功电压特性曲线；

步骤2：根据上述无功电压特性曲线分析风电汇集系统并网点的无功电压特性；

步骤3：分析不同拓扑结构对应的不同等效阻抗X下无功电压的稳定性，而得到风电汇集系统无功电压灵敏度随等效阻抗X变化的曲线；

步骤4：根据步骤3中的曲线计算不同拓扑结构的节点电压稳定裕度M。

2.根据权利要求1所述的大规模风电汇集系统静态电压稳定分析方法，其特征在于，所述步骤1中得到等值风电汇集系统的无功电压特性曲线的方法包括：

在单机无穷大系统模型中，视作等值风电场通过纯电抗传输线连接到无限大容量母线上，根据功率传输方程得到：

$\frac{PX}{{E_S}^2}=\frac{E_{W}sin\mathrm{\θ}}{E_S}---\left(1\right)$

$\frac{QX}{{E_W}^2}=\frac{E_{W}cos\mathrm{\θ}}{E_S}-\frac{{E_W}^2}{{E_S}^2}---\left(2\right)$

其中，X为汇集系统接入电网的等效阻抗；E_S为主网电压；E_W为风电场汇集母线电压；汇集点实际有功功率P＝P_L-P_W，汇集点实际无功功率Q＝Q_L-Q_W，P_L和Q_L分别为连接到汇集母线上的单一负荷的有功功率和无功功率，P_W和Q_W分别为风电场在汇集母线处注入的有功功率和无功功率；θ为汇集母线电压E_W与主网电压E_S间的功角差；

由式(1)和式(2)消除给定的θ后推出：

${\left(\frac{PX}{{E_S}^2}\right)}^2+{(\frac{QX}{{E_S}^2}-{\left(\frac{E_W}{E_S}\right)}^2)}^2={\left(\frac{E_W}{E_S}\right)}^2---\left(3\right)$

从式(3)解得电压与风电场端功率的关系为：

${\left(\frac{E_W}{E_S}\right)}^2=\frac{1}{2}\[1-\frac{2QX}{{E_S}^2}\±\sqrt{1-\frac{4QX}{{E_S}^2}-4{\left(\frac{PX}{{E_S}^2}\right)}^2}\]---\left(4\right)$

当取不同值时，得到一系列曲线，即等值风电汇集系统的无功电压特性曲线。

3.根据权利要求2所述的大规模风电汇集系统静态电压稳定分析方法，其特征在于，所述步骤2中得到风电汇集系统无功电压灵敏度随等效阻抗X变化的曲线方法包括：

由于无功功率传输方向与潮流参考方向相反，由所述式(3)分离Q后反向得：

$Q=\frac{{E_W}^2-\sqrt{{\left(E_W{E}_S\right)}^2-{\left(PX\right)}^2}}{X}---\left(5\right)$

式(5)两边对E_W求导，得：

$\frac{dQ}{{\mathrm{dE}}_W}=\frac{E_W(2\sqrt{{\left(E_W{E}_S\right)}^2-{\left(PX\right)}^2}-{E_S}^2)}{X\sqrt{{\left(E_W{E}_S\right)}^2-{\left(PX\right)}^2}}---\left(6\right)$

对上式(6)两边取倒数，得静态电压灵敏度：

$\frac{{\mathrm{dE}}_W}{dQ}=\frac{X\sqrt{{\left(E_W{E}_S\right)}^2-{\left(PX\right)}^2}}{E_W(2\sqrt{{\left(E_W{E}_S\right)}^2-{\left(PX\right)}^2}-{E_S}^2)}---\left(7\right)$

取E_W、E_S和P具体的标幺值，且E_W＝E_S，由式(7)得到风电汇集系统无功电压灵敏度随等效阻抗X变化的曲线。

4.根据权利要求3所述的大规模风电汇集系统静态电压稳定分析方法，其特征在于，所述不同拓扑结构的节点电压稳定裕度M的计算方法为：

由所述式(4)得无功电压特性曲线最低点为：

$\sqrt{1+\frac{4QX}{{E_S}^2}-4{\left(\frac{PX}{{E_S}^2}\right)}^2}=0---\left(8\right)$

此时稳定运行的临界电压是：

${\left(\frac{E_W}{E_S}\right)}_{\min |\frac{PX}{{E_S}^2}=const}=\sqrt{0.25+{\left(\frac{PX}{{E_S}^2}\right)}^2}---\left(9\right)$

由已知的汇集母线处的P_L和P_W，得汇集点实际有功功率P，带入式(9)，计算出并网点的临界稳定电压E_Wcr，则对应不同拓扑的节点电压稳定裕度M为：

$M=\frac{E_W-E_{Wcr}}{E_{Wcr}}\×100\%---\left(10\right).$

5.一种大规模风电汇集系统静态电压稳定分析系统，其特征在于，包括无功电压特性分析模块、无功电压灵敏度分析模块和电压稳定裕度计算模块；

所述无功电压特性分析模块根据大规模风电汇集系统的拓扑规划计算生成等值风电汇集系统的无功电压特性曲线，并分析风电汇集系统并网点的无功电压特性；无功电压灵敏度分析模块根据不同拓扑结构对应的不同等效阻抗X，计算生成风电汇集系统无功电压灵敏度随等效阻抗X变化的曲线；

电压稳定裕度计算模块根据风电汇集系统无功电压灵敏度随等效阻抗X变化的曲线计算不同拓扑结构的节点电压稳定裕度M。