CN110198047B - 一种考虑风电场同调等值的电力系统功角稳定分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种考虑风电场同调等值的电力系统功角稳定分析方法,首先根据风电场中各风电机组动态特性的差异对其进行分群和等值,得到降阶聚合模型后,基于此模型的等效外特性推导出其对应的阻抗模型,进而利用该阻抗模型分析风电接入对系统功角稳定的影响机理。本发明将风电场中多风机组的同调等值方法和单台风机的阻抗等值方法结合在一起综合考虑,能够通过理论推导来分析实际大规模风电接入系统对功角稳定性的影响,对于电网稳定具有重要的指导意义。
Description
技术领域
本发明属于电力系统技术领域,涉及电力系统暂态稳定性分析技术,具体涉及一种考虑风电场同调等值的电力系统功角稳定分析方法。
背景技术
随着能源危机和环境污染的问题日益加剧,人们对新能源发电的需求日益增加,而风力发电作为新能源发电中技术最成熟,发展前景最好的发电方式之一,成为了国内外学者的研究热点。
随着我国风电装机行业的快速发展,截至2017年底,我国风电总装机容量达到188,392MW,位居世界第一。大规模风电接入电网,对电网的稳定运行带来了巨大挑战。国内外许多专家关于风电接入对系统功角稳定性的影响已经展开了广泛而深入的研究:一方面研究基于多台风电机组动态特性差异分群的等效降阶聚合模型,另一方面研究单台双馈风机组接入系统的等效外特性和等值阻抗模型。
但事实上,一方面,多台风电机组的降阶聚合模型只能用于仿真验证,不能用于理论推导;另一方面,单台风电机组的等值阻抗模型虽然可以用于理论推导,但不能用于实际情况下多台风电机组接入对系统功角影响的研究。
发明内容
为解决上述问题,本发明提出了一种考虑风电场同调等值的电力系统功角稳定分析方法,首先根据风电场中各风电机组动态特性的差异对其进行分群和等值,得到降阶聚合模型后,基于此模型的等效外特性推导出其对应的阻抗模型,进而利用该阻抗模型分析风电接入对系统功角稳定的影响机理。
为了达到上述目的,本发明提供如下技术方案:
一种考虑风电场同调等值的电力系统功角稳定分析方法,包括如下步骤:
(1)根据风电场中各风电机组动态特性的差异对其进行分群和等值,得到降阶聚合模型,具体包括:
a)获得各风电机组的初始风速,以桨距角是否动作作为分群判据首次分群;
b)根据各风电机组的有功功率和无功功率受扰轨线是否同调二次分群;
c)对被分为同群的风机的风速和等值机参数进行等值,得到降阶聚合模型;
(2)基于风电场的降阶聚合模型的等效外特性推导出其对应的阻抗模型;利用降阶聚合模型中各台等值双馈风机对应的等效外特性,推导得出各台等值机对应的阻抗模型,基于各台等值机对应的阻抗模型,计算得到风电场总阻抗模型;
(3)利用风电场的阻抗模型分析风电接入对系统功角稳定的影响机理。
基于风电场总阻抗模型,将风电场阻抗模型代入推导系统的功率特性方程,研究风电接入对系统功率特性曲线的影响,比较稳态功角,加速面积,减速面积,或其他替换量的变化,从而判断系统功角稳定性的变化。
进一步的,各等值机等效风速的求解步骤如下:
1)桨距角不动作时:根据等值机械功率表达式
采用非线性优化方法获得等值风速veq,其中ρ表示空气密度;Cp表示风能利用系数;βeq为等值桨距角;
2)桨距角动作时,将各风机的风速平均值作为其等效风速;
各等值机等值参数的求解步骤如下:
1)对于容量和转矩参数:等值有名值等于各台机组有名值叠加,例如等值容量为
等值输出机械转矩为
i为第i台机组,n为需要聚合等值的风机数量;
2)对于机组参数,在等值过程中需以容量比作为加权系数求出等值机参数:
X为需要等值的物理量。
进一步的,所述机组参数包括以下参数中的至少一项:定子组抗,转子阻抗,励磁电抗,发电机惯性时间常数。
进一步的,故障发生期间,整个双馈风机场能够等效为负电阻并联负电抗;故障发生前和故障清除后,整个双馈风机场能够等效为负电阻并联正电抗。
与现有技术相比,本发明具有如下优点和有益效果:
本发明将风电场中多风机组的同调等值方法和单台风机的阻抗等值方法结合在一起综合考虑,能够通过理论推导来分析实际大规模风电接入系统对功角稳定性的影响,不再局限于分析单台风机接入对系统的影响,对于电网稳定具有重要的指导意义。
附图说明
图1为本发明方法的总流程图。
图2为风电场等值总过程(包括降阶聚合模型和等值阻抗模型)。
图3为风电场接线图。
图4为风电场风速坐标图。
图5为风电场各风电机组功率受扰轨线图,其中(a)为有功功率受扰轨线,(b)为无功功率受扰轨线。
图6风电场各风电机组分群图。
图7为风电场降阶聚合模型。
图8为风电场总阻抗模型,其中(a)为故障发生期间风电场总阻抗模型,(b)故障发生前和故障清除后风电场总阻抗模型。
图9为风机接入前后系统功角曲线。
图10为风机接入前后等面积准则图。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明,应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
一种考虑风电场同调等值的电力系统功角稳定分析方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)根据风电场中各风电机组动态特性的差异对其进行分群和等值,得到降阶聚合模型;
降阶聚合建模需考虑到风电场同调等值所基于的特征保全。研究大规模双馈风机电场接入对电力系统功角稳定性的影响时,关键之一就是研究双馈风机等效模型的简化。现有的双馈风机的等效模型,主要分为功率注入模型和阻抗模型两类。其中,采用阻抗模型更有利于进行直接推导和计算。考虑到双馈风机的动态外特性(有功功率受扰轨线和无功功率受扰轨线)决定了其阻抗模型,因此,在利用阻抗模型研究双馈风机接入对功角稳定影响时,应以有功功率和无功功率动态特性为待保全特征,来判别双馈风电机组的同调性。
本方法根据风电场中各风电机组动态特性的差异对其进行分群,分群指标的确定以同调等值前后关键特征的保全为目标。而需要保全的关键特征的确定又和双馈风机的等效外特性和阻抗模型有关。一方面,由于双馈风机的动态外特性(有功功率受扰轨线和无功功率受扰轨线)决定了其阻抗模型,因此为了研究双馈风机对功角稳定影响时的关键特征保全,在判别双馈风电机组的同调性时,应选用有功功率和无功功率观测量。另一方面,为能够较准确估算风电场等值机的等效风速,应选用风速观测量。
因此,本发明采用两步分群法,第一步,首先获得各风电机组的初始风速,以桨距角是否动作作为分群判据首次分群;第二步,进一步根据各风电机组的有功功率和无功功率受扰轨线是否同调进行分群。
接着,对被分为一同群的风机进行等值。基于分群的结果分别对风电场的风速和等值机参数进行聚合。等值后系统降阶聚合模型见图2第二部分。
其中各等值机等效风速的求解步骤如下:
1)桨距角不动作时:根据等值机械功率表达式
采用非线性优化方法获得等值风速veq,其中ρ表示空气密度;Cp表示风能利用系数;λeq表示等值叶尖速比;βeq为等值桨距角。
2)桨距角动作时,将各风机的风速平均值作为其等效风速。
各等值机等值参数的求解步骤如下:
1)对于容量和转矩参数:等值有名值等于各台机组有名值叠加,例如等值容量为
等值输出机械转矩为
i为第i台机组,n为需要聚合等值的风机数量,Si表示第i台机组的容量,Tmi表示第i台机组的输出机械转矩。
2)对于定子组抗,转子阻抗,励磁电抗,发电机惯性时间常数等机组参数:在等值过程中需以容量比作为加权系数求出等值机参数
X为需要等值的物理量。
综上,如图4第一部分的风机系统经过以上步骤的分群和等值后,就能得到如图2第二部分所示的系统降阶聚合模型。
(2)基于风电场的降阶聚合模型的等效外特性推导出其对应的阻抗模型;
本步骤利用降阶聚合模型中各台等值双馈风机对应的等效外特性(有功功率和无功功率受扰轨线),推导得出各台等值机对应的阻抗模型。基于各台等值机对应的阻抗模型,计算得到风电场总阻抗模型。
本发明提到的等值阻抗模型如图2第三部分,分为故障期间和非故障期间两种情况。利用图2第二部分降阶聚合模型中各台等值双馈风机对应的等效外特性(有功功率和无功功率受扰轨线),推导得出各台等值机对应的阻抗模型。基于各台等值机对应的阻抗模型,计算得到风电场总阻抗模型。故障发生期间,整个双馈风机场可等效为负电阻并联负电抗;故障发生前和故障清除后,整个双馈风机场可等效为负电阻并联正电抗。将风电场阻抗模型代入推导系统的功率特性方程,继而可研究风电接入对系统功率特性曲线的影响。
综上,图2第二部分的系统4机降阶聚合模型可以进一步化简为图2第三部分的等值阻抗模型。将降阶聚合模型和等值阻抗模型结合在一起以后,可以更简单地分析实际情况下风电接入对系统功角稳定的影响机理。
(3)利用风电场的阻抗模型分析风电接入对系统功角稳定的影响机理。
具体的,本步骤中结合上文得到的风电场总等值阻抗模型,将风电场阻抗模型代入推导系统的功率特性方程,继而可研究风电接入对系统功率特性曲线的影响,比较稳态功角,加速面积,减速面积,或者是其他替换量的变化,从而判断系统功角稳定性的变化。
为验证本发明方法效果,建立实施例如下:
风电场的风电机组排列见图3,它由4行2列1.5MW*6的双馈风电机组通过机端变压器升压至25kV,经由集电网络连至公共母线B25,再经升压变和线路与无穷大系统相连。其中,同行机组间距为400米,同列机组间距为500米,风轮直径为70米。设风电机组WT1~WT4为定电压控制方式,WT5~WT8为定无功功率控制方式。
执行本发明方法步骤如下:
(1)根据风电场中各风电机组动态特性的差异对其进行分群和等值,得到降阶聚合模型;
设风由风电场左下方吹入,风向为与x轴夹角35度,WT4号风机处风速为14m/s,推力系数为0.8,粗糙常数为0.075。根据风向对风电场进行坐标变换,如图4。估算出各风电机组风速分类如下表1。
表1风速估算结果
按桨距角是否动作分群如下:群1为{WT1,WT2,WT3,WT4,WT8},群2为{WT5,WT6,WT7}。
在风机总出口B25母线处设置三相短路故障,故障设置为在1s时,持续时间为0.15秒。故障结束后各机组功率受扰轨线见图5。可看出,WT1~WT4的功率受扰轨线基本同调,WT5~WT8的功率受扰轨线基本同调。按照双馈风电机组的功率受扰轨线进行分群如下:群1为{WT1,WT2,WT3,WT4},群2为{WT5,WT6,WT7,WT8}。
综合一次风速分群和二次受扰轨线分群结果,分群如下:群1为{WT1,WT2,WT3,WT4},群2为{WT8},群3为{WT5,WT6,WT7}。见图6。其中,群1聚合为等值机1,群2聚合为等值机2,群3聚合为等值机3。计算出各等值机的等效风速分别为:Veq1=14m/s,Veq2=14m/s,Veq3=12.6m/s。降阶聚合模型结果如图7。
(2)基于风电场的降阶聚合模型的等效外特性推导出其对应的阻抗模型;
基于步骤(1)得到三机等值模型中各机组对应的等效外特性,得到各机等值电阻和电抗如下表2。
表2各等值机阻抗模型
忽略集电网络等值,得到风电场总阻抗模型如图8。由模型可知,故障发生期间,整个双馈风机场可等效为负电阻并联负电抗;故障发生前和故障清除后,整个双馈风机场可等效为负电阻并联正电抗。
(3)基于降阶聚合模型和阻抗模型得到的风电场总阻抗模型,可研究DFIG接入单端送电系统对其功率特性的影响。
可推导出风机接入前后系统功角曲线如图9,相对于风电接入前,风电接入后系统功率特性向右向下移动,由图像可明显推得,风电接入后,故障发生前发电机初始功角增大;功率极限降低,不利于功角稳定。
风电接入前后比较图如图10,风电接入后,故障清除后曲线向右向下移动,P1>P2,又由于风电接入前后减速面积相等,因此,风电接入后功角第一摆摆幅δe′-δc′明显大于风电接入前功角第一摆摆幅δe-δc,风电接入后功角摆动幅度增大,稳定裕度减小,不利于功角稳定。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段,还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种考虑风电场同调等值的电力系统功角稳定分析方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)根据风电场中各风电机组动态特性的差异对其进行分群和等值,得到降阶聚合模型,具体包括:
a)获得各风电机组的初始风速,以桨距角是否动作作为分群判据首次分群;
b)根据各风电机组的有功功率和无功功率受扰轨线是否同调二次分群;
c)对被分为同群的风机的风速和等值机参数进行等值,得到降阶聚合模型;
(2)基于风电场的降阶聚合模型的等效外特性推导出其对应的阻抗模型;
利用降阶聚合模型中各台等值双馈风机对应的等效外特性,推导得出各台等值机对应的阻抗模型,基于各台等值机对应的阻抗模型,计算得到风电场总阻抗模型;
所述模型分为故障期间和非故障期间两种情况;故障发生期间,整个双馈风机场等效为负电阻并联负电抗;故障发生前和故障清除后,整个双馈风机场等效为负电阻并联正电抗;
各等值机等效风速的求解步骤如下:
1)桨距角不动作时:根据等值机械功率表达式
采用非线性优化方法获得等值风速veq,其中ρ表示空气密度;Pmi为第i台风机的有功功率;n为需要聚合等值的风机数量;Cp表示风能利用系数;λeq为等值叶尖速比;βeq为等值桨距角;
2)桨距角动作时,将各风机的风速平均值作为其等效风速;
各等值机等值参数的求解步骤如下:
1)对于容量和转矩参数:等值有名值等于各台机组有名值叠加,等值容量为
等值输出机械转矩为
i为第i台机组;Si为第i台机组容量;Tmi为第i台机组输出机械转矩;
2)对于机组参数,在等值过程中需以容量比作为加权系数求出等值机参数:
X为需要等值的物理量;
(3)利用风电场的阻抗模型分析风电接入对系统功角稳定的影响机理;
基于风电场总阻抗模型,将风电场阻抗模型代入推导系统的功率特性方程,研究风电接入对系统功率特性曲线的影响,比较初始功角、功率极限、功角摆动幅度,从而判断系统功角稳定性的变化。
2.根据权利要求1所述的考虑风电场同调等值的电力系统功角稳定分析方法,其特征在于,所述机组参数包括以下参数中的至少一项:定子组抗,转子阻抗,励磁电抗,发电机惯性时间常数。
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