CN113507115A - 含风电与抽水蓄能电站电力系统暂态稳定分析方法 - Google Patents

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李鑫明
陈秀华
王宇航
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关明
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Abstract

本发明是一种含风电与抽水蓄能电站电力系统暂态稳定分析方法，其特点是，包括建立含风电与抽水蓄能电站的能量函数和建立水泵水轮机系统数学模型的内容，能够利用支路势能进行脆弱割集选取，分析出抽水蓄能机组工作在发电和电动两种不同状态对系统暂态稳定性的影响，并通过仿真验证分析结果，所提出的含风电与抽水蓄能电站的能量函数，可用于分析系统的暂态稳定性。具有方法科学合理，适用性强，分析准确，效果佳的优点。

Description

含风电与抽水蓄能电站电力系统暂态稳定分析方法
技术领域
本发明涉及风电与抽水蓄能电站暂态稳定分析技术领域，是一种含风电与抽水蓄能电站电力系统暂态稳定分析方法。
背景技术
电力系统中风电的装机容量不断增加，风电的波动性和随机性将会加剧系统有功功率的不平衡，风电多使用双馈感应电机接入电网，相比传统发电机将降低系统整体的惯性，对电力系统稳定带来诸多问题。抽水蓄能机组具有反应迅速，运行灵活等优势，能够有效平衡风电等新能源发电波动。
现有对于电力系统暂态稳定问题分析方法包括：数值仿真法、直接法和能量函数法。数值仿真法不能对系统稳定性做出定量评价且计算速度较慢；直接法对系统模型的适应性很差；现有的能量函数法做出的定量分析偏差大，分析准确率低。迄今尚未见有关含风电与抽水蓄能电站电力系统暂态稳定分析方法的文献报道和实际应用。
发明内容
本发明的目的是，克服现有技术的不足，提供一种科学合理，适用性强，分析准确，效果佳的含风电与抽水蓄能电站电力系统暂态稳定分析方法。
实现本发明目的采用的技术方案是，一种含风电与抽水蓄能电站电力系统暂态稳定分析方法，其特征是，它包括以下内容：
1)建立含风电与抽水蓄能电站系统的能量函数
单机无穷大系统的暂态能量函数，表达式为式(1)：
Figure BDA0003153134190000011
其中，V为事故后任意时刻t系统的暂态能量，VKE为暂态动能，VPE为暂态势能，Mi为第i台发电机的转动惯量，ωi表示第i台发电机的角速度，ωN表示为系统参考机的额定转速，ωk(u)表示为第k条支路两端角速度差，tc为故障切除时间，Pk(u)为第k条支路有功潮流，
Figure BDA0003153134190000012
为第k条支路故障后平衡状态下的有功潮流；
当风电机组和抽蓄机组接入系统后，则抽蓄机组和风机也有网络暂态能量分布，相对于故障后稳定平衡点的含风电与抽水蓄能电站的单机无穷大系统的电力系统暂态能量函数表达式为式(2)：
Figure BDA0003153134190000021
其中，Pw(u)是第j台风机的有功潮流，
Figure BDA0003153134190000022
是第j台风机相对于故障后稳定平衡点的有功功率，ωj(u)为第j台风机所接节点的角频率，Ph(u)为第c台抽蓄机组的有功功率，
Figure BDA0003153134190000023
是第c台抽蓄机组相对于故障后稳定平衡点的有功功率，ωc(u)为第c台抽蓄机组所接节点的角频率；
2)建立水泵水轮机系统数学模型
水泵水轮机是抽水蓄能电站的主要设备之一，其正向旋转时运行在水轮机工况，反向旋转时运行在水泵工况，水泵水轮机调节系统主要包括调速器、电液随动系统、水泵水轮机引水系统以及电机，简化的非线性水泵水轮机模型表示为式(3)：
Figure BDA0003153134190000024
其中，q为流量，y为导叶开度，h为水头，p为机械功率，qnl为空载流量，A为导叶系数，其值为式(4)：
Figure BDA0003153134190000025
其中，yFL为导叶开度参考值，yNL为空载导叶开度。
本发明的一种含风电与抽水蓄能电站电力系统暂态稳定分析方法，由于采用建立含风电与抽水蓄能电站系统的能量函数、建立水泵水轮机系统数学模型的内容，所具有的效果体现在：
1.抽水蓄能机组在发电工况时，系统发生故障后由于其水电机组机械控制，故障期间输入机械功率比火电机组低，等效减小了系统发电机的加速面积，且支路功率值降低，能够降低支路的暂态势能变化量，提高系统的暂态稳定性；
2.抽水蓄能机组在电动状态时，故障后同步发电机和同步电动机的摇摆曲线轨迹不同，发电工况时故障后发电机的功角δ由于发电机的功率输入和输出不平衡导致正向增大，而电动工况时同步电动机的功角反向增加。所以当系统发生故障后，系统中同步发电机与工作在电动工况的抽蓄机组，两者的功角增加方向相反，两者之间的功角差也越来越大，故当抽蓄机组工作在电动工况时不利于系统的功角稳定，会降低系统的暂态稳定性。
3.其方法科学合理，适用性强，分析准确，效果佳。
附图说明
图1为水泵水轮机调节系统示意图；
图2为含风电与抽水蓄能电站的单机无穷大系统图；
图3为接入火电机组的单机无穷大系统暂态稳定时能量函数图；
图4为发电工况单机无穷大系统暂态稳定时能量函数图；
图5为电动工况单机无穷大系统暂态稳定时能量函数图；
图6为含风电与抽水蓄能电站的IEEE39节点系统图；
图7为发电工况多机系统暂态稳定时能量函数图；
图8为发电工况多机系统失稳时能量函数图；
图9为电动工况多机系统暂态稳定时能量函数图。
具体实施方式
下面利用附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明的一种含风电与抽水蓄能电站电力系统暂态稳定分析方法，包括以下内容：
1)建立含风电与抽水蓄能电站系统的能量函数
单机无穷大系统的暂态能量函数，表达式为式(1)：
Figure BDA0003153134190000031
其中，V为事故后任意时刻t系统的暂态能量，VKE为暂态动能，VPE为暂态势能，Mi为第i台发电机的转动惯量，ωi表示第i台发电机的角速度，ωN表示为系统参考机的额定转速，ωk(u)表示为第k条支路两端角速度差，tc为故障切除时间，Pk(u)为第k条支路有功潮流，
Figure BDA0003153134190000032
为第k条支路故障后平衡状态下的有功潮流；
当风电机组和抽蓄机组接入系统后，则抽蓄机组和风机也有网络暂态能量分布，相对于故障后稳定平衡点的含风电与抽水蓄能电站的单机无穷大系统的电力系统暂态能量函数表达式为式(2)：
Figure BDA0003153134190000033
其中，Pw(u)是第j台风机的有功潮流，
Figure BDA0003153134190000041
是第j台风机相对于故障后稳定平衡点的有功功率，ωj(u)为第j台风机所接节点的角频率，Ph(u)为第c台抽蓄机组的有功功率，
Figure BDA0003153134190000042
是第c台抽蓄机组相对于故障后稳定平衡点的有功功率，ωc(u)为第c台抽蓄机组所接节点的角频率；
2)建立水泵水轮机系统数学模型
水泵水轮机是抽水蓄能电站的主要设备之一，其正向旋转时运行在水轮机工况，反向旋转时运行在水泵工况，水泵水轮机调节系统主要包括调速器、电液随动系统、水泵水轮机引水系统以及电机，简化的非线性水泵水轮机模型表示为式(3)：
Figure BDA0003153134190000043
其中，q为流量，y为导叶开度，h为水头，p为机械功率，qnl为空载流量，A为导叶系数，其值为式(4)：
Figure BDA0003153134190000044
其中，yFL为导叶开度参考值，yNL为空载导叶开度。
图1为抽水蓄能机组调节系统示意图，其中水泵水轮机调节系统主要由调速器、电液随动系统、水泵水轮机及引水系统、以及电机部分组成，其中n为转速，nref为转速参考值，Tm为机械转矩。
图2为含风电与抽水蓄能电站的单机无穷大系统图，图中G为同步发电机组，S为无穷大系统母线，T1、T2为变压器，WG、HG为风电机组和抽水蓄能机组，通过变压器接入节点2。在输电线路2-3中设置三相短路故障，对比HG机组为抽蓄机组和火电机组对系统暂态稳定性的影响。
由图3和图4可得到，系统在发生故障后，对比火电机组与抽蓄机组运行在发电工况，由于抽蓄机组的机械控制特性，在故障期间减小了抽蓄机组的机械功率输入，进而减小了抽蓄机组的有功输出，降低了故障期间发电机的动能增加幅度。故障切除后，由于抽蓄机组输出功率降低，所以线路功率与稳态时的线路功率差值减小，抑制了支路的势能变化，减小了系统的振荡幅度，提高了系统的暂态稳定性。由图5可得，当抽蓄机组工作在电动机状态时，发生故障后系统的动能和势能相互转换，系统的总能量仍守恒，所提出的抽蓄机组能量计算公式仍适用于分析系统的暂态稳定性。
图6将10机系统中的38#节点接入抽蓄机组，34#节点、33#节点接入风电机组，28#节点发生三相短路故障。当抽蓄机组工作在发电工况时，由图7可以看出系统暂态稳定时系统的暂态势能主要分布在支路26-28和26-29上，可以得到抽蓄机组替代火电机组同样可提高系统故障的极限切除时间，提高系统的暂态稳定性；如图8所示，在极限切除时间之后切除故障的情况下，支路26-28和26-29上的暂态势能不再有界，说明系统失稳；如图9所示，多机系统中，当抽蓄机组工作在电动机状态时，支路26-28和26-29承担暂态势能较大，所提出的抽蓄机组能量计算公式仍适用于分析系统的暂态稳定性。
表1中为不同运行状态下单机、多机系统极限切除时间，表中可以看出相比火电机组抽蓄机组运行在发电工况提高了系统极限切除时间，提高了系统稳定性。电动工况将降低系统稳定性。
表1 系统极限切除时间
运行状态 同步发电机 发电工况 电动工况
单机系统极限切除时间(s) 1.05 1.2 0.95
多机系统极限切除时间(s) 0.48 0.55 0.32
本发明的实施例仅用于对本发明作进一步的说明，并非穷举，并不构成对权利要求保护范围的限定，本领域技术人员根据本发明实施例获得的启示，不经过创造性劳动就能够想到其它实质上等同的替代，均在本发明保护范围内。

Claims (1)

1.一种含风电与抽水蓄能电站电力系统暂态稳定分析方法，其特征是，它包括以下内容：
1)建立含风电与抽水蓄能电站系统的能量函数
单机无穷大系统的暂态能量函数，表达式为式(1)：
Figure FDA0003153134180000011
其中，V为事故后任意时刻t系统的暂态能量，VKE为暂态动能，VPE为暂态势能，Mi为第i台发电机的转动惯量，ωi表示第i台发电机的角速度，ωN表示为系统参考机的额定转速，ωk(u)表示为第k条支路两端角速度差，tc为故障切除时间，Pk(u)为第k条支路有功潮流，
Figure FDA0003153134180000012
为第k条支路故障后平衡状态下的有功潮流；
当风电机组和抽蓄机组接入系统后，则抽蓄机组和风机也有网络暂态能量分布，相对于故障后稳定平衡点的含风电与抽水蓄能电站的单机无穷大系统的电力系统暂态能量函数表达式为式(2)：
Figure FDA0003153134180000013
其中，Pw(u)是第j台风机的有功潮流，
Figure FDA0003153134180000014
是第j台风机相对于故障后稳定平衡点的有功功率，ωj(u)为第j台风机所接节点的角频率，Ph(u)为第c台抽蓄机组的有功功率，
Figure FDA0003153134180000015
是第c台抽蓄机组相对于故障后稳定平衡点的有功功率，ωc(u)为第c台抽蓄机组所接节点的角频率；
2)建立水泵水轮机系统数学模型
水泵水轮机是抽水蓄能电站的主要设备之一，其正向旋转时运行在水轮机工况，反向旋转时运行在水泵工况，水泵水轮机调节系统主要包括调速器、电液随动系统、水泵水轮机引水系统以及电机，简化的非线性水泵水轮机模型表示为式(3)：
Figure FDA0003153134180000016
其中，q为流量，y为导叶开度，h为水头，p为机械功率，qnl为空载流量，A为导叶系数，其值为式(4)：
Figure FDA0003153134180000017
其中，yFL为导叶开度参考值，yNL为空载导叶开度。
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