大規(guī)模風電集中接入對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響分析

1、    大規(guī)模風電集中接入對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響分析    李景東【摘 要】大規(guī)模風電集中接入對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行帶來了挑戰(zhàn)，其影響也越來越廣泛且復雜。本文從風電并網的特點出發(fā)，總結近年來風電并網對電力系統(tǒng)影響的研究成果，分析了風電接入對電力系統(tǒng)的影響，包括小干擾穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定，使得對風電場接入電網后穩(wěn)定性問題有更全面、更深入的認識，有利于我國風力發(fā)電快速、健康發(fā)展?！娟P鍵詞】風電場；攻角穩(wěn)定；電壓穩(wěn)定；電力系統(tǒng)【abstract】with the penetration level increasing， the impact of wi

2、nd power on power system stability become increasingly complicated and widespread.we summarized the researches in recent years about the impact of wind power on power system， analyzed the influences which include small signal stability， transient stability， voltage stability， according to the charac

3、teristic of gird-connected large scale wind farm. it will have a deeper and more comprehensive understanding of the stability issue with wind farms connected to the power grid ， which benefits the rapid and sound development of wind power.【key words】wind farm； power angle stability； voltage stabilit

4、y； power system0 引言在能源危機和氣候壓力不斷加大的情況下，風力發(fā)電作為目前技術最為成熟、最具規(guī)?；_發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的清潔能源，在當今的能源供應中扮演了愈加重要的角色。為此，發(fā)展以風電為代表的可再生能源，已成為各國的長期策略。我國在風力發(fā)電領域發(fā)展速度較快，裝機容量已世界第一，而且還會以較快的速度繼續(xù)發(fā)展1。根據(jù)我國氣象局統(tǒng)計結果，并考慮到實際可利用的土地面積等因素，初步估計：近期實際可利用的陸上風能儲量約為8億千瓦，近海實際可利用的風能儲量約為2億千瓦，共計10億千瓦。根據(jù)2014我國風電產業(yè)發(fā)展情況分析可知，結合風能資源和市場消納條件，力爭“十三五”（2016-20

5、20）每年新增風電裝機2000萬kw，確保實現(xiàn)到2020年風電裝機2億kw、年發(fā)電量3900億kw·h的目標。中國風電發(fā)展線路圖2050指出了未來風電發(fā)展布局，2020年前，以陸上風電為主，開展海上風電示范；2021-2030年，陸上、近海風電并重發(fā)展，并開展遠海風電示范；2031-2050年，實現(xiàn)東中西部陸上風電和海上風電的全面發(fā)展。風電作為新能源電源在電網中扮演的角色越來越重要，所在比例逐年增加，而我國風電資源與電力負荷存在較大的差異，風力資源豐富的邊遠地區(qū)負荷往往較小，需經輸電系統(tǒng)長距離輸送到負荷中心，大規(guī)模的風電集中接入已成必然趨勢2-3。而大區(qū)域電網的互聯(lián)互通是實現(xiàn)電能在更

6、大范圍內經濟高效應用的有效手段，作為全球第一風電大國，風電在接入電力系統(tǒng)規(guī)模、電壓等級和所占比例不斷提高，其對電網的影響范圍也從局部逐漸向整個互聯(lián)電網擴大4。因此，本文從大規(guī)模風力發(fā)電集中接入對互聯(lián)系電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的影響方面展開剖析，從攻角穩(wěn)定性和電壓穩(wěn)定性進行詳細論述。1 功角穩(wěn)定性分析由于風能存在間歇性、隨機性、不可人為調度的特點，風電場的輸出功率同樣存在波動性問題，隨著大規(guī)模并網運行風電場的不斷增多，風電在電網中的比例逐漸提高，對電網的安全運行造成嚴重影響；同時，風電場接入電網，改變了原有電力系統(tǒng)的潮流分布并對電力系統(tǒng)傳統(tǒng)分析方法提出挑戰(zhàn)。大規(guī)模、高集中、高電壓、遠距離輸送是我國風

7、電發(fā)展的必然趨勢，也是我國風電發(fā)展有別于歐洲國家的特點。大規(guī)模強隨機波動性風機機組集中接入輸電系統(tǒng)，必然會造成電力系統(tǒng)功角穩(wěn)定的復雜性。1.1 小干擾穩(wěn)定隨著風電并網容量在電力系統(tǒng)中所占比例的逐漸增加，對電力系統(tǒng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響成為了近幾年的研究熱點，特別是小干擾穩(wěn)定。文獻5較早地研究了風電并網對電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定的影響，重點集中在特征根分析法和時域仿真法研究風電接入對電力系統(tǒng)振蕩模式和阻尼特性的影響。由于我國大規(guī)模集中接入輸電網的特點，隨著風電并網規(guī)模的不斷擴大，風電接入電網的小干擾穩(wěn)定性成為了國內學者們近年來研究的熱點。文獻6-7的研究結果表明了雙饋風電場可以為電力系統(tǒng)提供正阻尼，而文獻8

8、則指出雙饋風電場會對電力系統(tǒng)阻尼產生負面影響，嚴重時甚至導致系統(tǒng)失穩(wěn)。為此，風電場接入對電力系統(tǒng)阻尼特性的影響存在著分歧，其對電力系統(tǒng)阻尼的影響有待進一步深入研究，真正揭示大規(guī)模風電場接入對電力系統(tǒng)阻尼影響的機理。隨著我國風電接入輸電網容量的逐漸增加，研究含風電互聯(lián)電網的阻尼特性意義重大，迫切需要深入研究。文獻9從雙饋風電機組并網輸送距離、并網容量、互聯(lián)系統(tǒng)聯(lián)絡線傳送功率以及是否加裝pss等多個方面分析了風電場并網對互聯(lián)系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定及低頻振蕩特性的影響。文獻10指出，含雙饋風電場的低頻振蕩特性不僅受風電場運行控制及其容量大小的影響，而且與接入系統(tǒng)潮流變化情況密切相關。含大規(guī)模風電場的互聯(lián)電力

9、系統(tǒng)低頻振蕩模式研究是近幾年國內的熱點，現(xiàn)有大量文獻研究振蕩機理以及對互聯(lián)電力系統(tǒng)的影響，然而大部分的文獻采用的方法是集中于單一運行方式或選取幾個代表性的運行方式得出結論，這樣的結論不具備全局性，不能真正揭示振蕩機理。風電的接入，導致了電力系統(tǒng)的運行方式更加復雜，單純的幾個運行方式不能說明問題。文獻11采用概率的方法對風電場接入系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性的影響展開了研究，這是該領域研究的創(chuàng)新，從概率的角度出發(fā)，研究風電場對電力系統(tǒng)動態(tài)特性影響的分布情況，研究結果表明，系統(tǒng)本地振蕩模態(tài)穩(wěn)定概率大幅度下降，區(qū)間穩(wěn)定模態(tài)穩(wěn)定概率略有上升。 目前的研究方法均是采用線性化的模型進行分析，即負阻尼機理。而線性化是一

10、種近似的方法，運行參數(shù)只有在準穩(wěn)態(tài)運行點附近發(fā)生較小變化進行線性化才有意義，若參數(shù)波動較大時仍采用線性化的方法必然會造成較大誤差。但是最近國內發(fā)生的機理不明的低頻振蕩引起了普遍關注，已無法通過負阻尼的機理來解釋低頻振蕩現(xiàn)象，而且在事故后仿真振蕩的過程中，也出現(xiàn)了無法用仿真再現(xiàn)振蕩過程的困惑，而隨著風電規(guī)模的不斷擴大，采用傳統(tǒng)的線性化分析方法是否適用，有待進一步的研究，我們也期待有更好的方法在該研究領域出現(xiàn)。1.2 暫態(tài)穩(wěn)定電力系統(tǒng)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)受到大的擾動后經過一個暫態(tài)過程，同步發(fā)電機功角或異步發(fā)電機滑差可穩(wěn)定在某一穩(wěn)態(tài)值，則稱為暫態(tài)穩(wěn)定，否則暫態(tài)不穩(wěn)定。與小干擾穩(wěn)定的最大區(qū)別就是受

11、擾后運行參數(shù)偏離平衡點較大，在分析方法上有著很大的差別。異步發(fā)電機是沒有功角穩(wěn)定問題，但其滑差可反映轉子角度的穩(wěn)定性，因此異步發(fā)電機是存在暫態(tài)穩(wěn)定性問題的。風電接入對電網暫態(tài)穩(wěn)定性的影響取決于電網拓撲結構及電網運行方式，既可能改善電網暫態(tài)穩(wěn)定性，也可能降低電網暫態(tài)穩(wěn)定性。風力發(fā)電機采用感應發(fā)電機，不同于常規(guī)同步發(fā)電機，在電網發(fā)生故障時其暫態(tài)特性與傳統(tǒng)同步發(fā)電機有很大的不同。大容量的風電接入改變了系統(tǒng)潮流分布及慣量。風電接入電網后，系統(tǒng)的暫態(tài)特性發(fā)生了變化。大規(guī)模風電集中接入電力系統(tǒng)，會對電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定產生一定的影響。文獻12基于eeac理論，定量分析了定速異步風機和雙饋式異步風機對電網暫態(tài)穩(wěn)

12、定性的影響。當風電滲透率更大、接入電壓等級更高時，風電對電網的暫態(tài)穩(wěn)定的影響才會明顯。文獻13通過分析了大容量風電場接入系統(tǒng)后電網的暫態(tài)穩(wěn)定特性，提出了保證風電場和電網安全穩(wěn)定運行的風電場安全容量的概念，并且探討了一些改善電網暫態(tài)穩(wěn)定水平的措施；文獻14通過在同一接入點分別接入雙饋風電機組與接入同步發(fā)電機組對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行研究，研究證明了基于雙饋風電機組的風電場對電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的影響要好于在同一接入點接入相同容量的同步發(fā)電機組。文獻15結合風電機組自身的暫態(tài)特性，較為全面地研究了風電場外電網發(fā)生三相短路故障時對電力系統(tǒng)和風電機組本身的影響，為確保風電場最佳接入電網容量提供了依據(jù)。風電接

13、入容量的逐步增加，電力市場的逐漸深入，使得電力系統(tǒng)的運行日益復雜，這樣導致暫態(tài)穩(wěn)定問題日趨嚴重。電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的分析方法目前主要有三種：時域仿真法、直接法和人工智能法。時域仿真法是分析暫態(tài)穩(wěn)定最成熟的有效方法，但計算量大、不適合實時控制；直接法是暫態(tài)穩(wěn)定在線分析最具前景的分析方法，但截至目前，直接法在模型的詳細程度、準確度和可靠性方法仍存在不足，無法實現(xiàn)在線分析；人工智能法是近些年來興起的一種新方法，在不需要準確模型的情況下，能較好地解決問題，但在電力系統(tǒng)實際應用還有待進一步研究。以上三種方法各有優(yōu)缺點，因而多種方法相結合將是暫態(tài)穩(wěn)定分析的一個方向，同時廣域測量系統(tǒng)也可為暫態(tài)穩(wěn)定在線分析提供

14、新的契機。2 電壓穩(wěn)定性分析電壓穩(wěn)定性是指電力系統(tǒng)正常情況下或遭受干擾后系統(tǒng)維持所有母線電壓在可以接受的穩(wěn)定值的能力，電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定可分為靜態(tài)電壓穩(wěn)定和暫態(tài)電壓穩(wěn)定。隨著大規(guī)模風電場集中接入超高壓輸電網絡的規(guī)劃建設，電力系統(tǒng)的暫電壓穩(wěn)定問題日益突出。文獻16指出，風電機組機端電壓變壓器、風電場內集電線路以及風電場升壓變壓器等都存在無功損耗，因此在風電場正常運行時需要從電網中吸收大量的無功功率，即使是雙饋風力發(fā)電機組。當風電場規(guī)模較大且無功儲備不足的情況下，很可能導致電壓失穩(wěn)問題。常用的無功補償設備有并聯(lián)電容器組、靜止無功補償器（svc）和靜止無功發(fā)生器（svg），其中并聯(lián)電容器組不具備低電壓

15、穿越能力，實用性不高，而svg的造價較高，目前的市場份額不大，為此，svc應用較大，而且市場份額逐漸增加。低電壓穿越能力會直接影響電網電壓穩(wěn)定的重要因素，也是維持電壓穩(wěn)定的重要保障。低電壓穿越是指在風電機組并網點電壓跌落時，風力機能夠保持不脫網運行，甚至可以向電網提供一定無功功率，支持電網電壓使得系統(tǒng)在故障后能夠迅速回到正常運行狀態(tài)。若風電場不具備低電壓穿越能力，當電網發(fā)生故障時，保護裝置會將風電機組從電網中解列，當風電場在系統(tǒng)中容量較小時可以接受。然而，當大規(guī)模風電場集中接入系統(tǒng)且容量較大時，從電網中切除將會增加系統(tǒng)的恢復難度，嚴重時可能導致電壓失穩(wěn)，甚至會導致電壓崩潰，造成大面積停電事故發(fā)

16、生。暫態(tài)電壓穩(wěn)定的分析方法主要有時域仿真法和直接法。時域仿真法需要建立包括風力發(fā)電機在內的各種動態(tài)原件的微分代數(shù)方程組模型，采用數(shù)值分析法求解。由于時域仿真計算時間長，只能用于離線分析計算。直接法能夠建立計及負荷動態(tài)特定的電力系統(tǒng)結構保留模型，并在此構建lyapunov暫態(tài)能量函數(shù)，計算速度較快，可用于在線分析。然而，直接法最大的難點就是暫態(tài)能量函數(shù)的構造，即使能夠找到一個能量函數(shù)，但是判斷是否為lyapunov函數(shù)是非常困難的，為此，不可能直接用于暫態(tài)穩(wěn)定的在線評估。電壓穩(wěn)定性與攻角穩(wěn)定性相比，其研究難度較大，電壓穩(wěn)定性的研究必須結合負荷的動態(tài)模型，而負荷建模至今仍是難題。雖然近些年來，研究

17、人員對電壓穩(wěn)定性展開了深入的研究，也取得了一定的成果，但是截止目前，電壓失穩(wěn)機理仍沒有真正揭示，也沒有給出公認的本質的定義。而風電強隨機波動性的特點，造成了大規(guī)模風電接入使得電網電壓穩(wěn)定性的更加復雜，仍需要進一步研究。美加8.14大停電事故至今值得我們深思。3 結論本文就大規(guī)模風電場集中接入對電力系統(tǒng)穩(wěn)定的影響展開了剖析，包括電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定以及電壓穩(wěn)定。在總結了目前該領域的研究成果，同時也指出了該領域今后的研究方向，有利于促進風電的健康、有序發(fā)展，保證含風電場的大規(guī)模混合互聯(lián)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。 【參考文獻】1國家發(fā)改委能源研宄所.中國風電發(fā)展路線圖 2050r.北京：北京國

18、際風能展，2011.2和萍.大規(guī)模風電接入對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性影響及控制措施研究d.華南理工大學，2014.3索江鐳，胡志堅，仉夢林，等.大規(guī)模風電場并網下的互聯(lián)電力系統(tǒng)廣域阻尼協(xié)調控制j.電網技術，2014，38（6）：1459-1454.4張麗英，葉廷路，辛耀中，等.大規(guī)模風電接入電網的相關問題及措施j.中國電機工程學報，2010，30（25）：1-9.5slootweg j. g.， kling w. l. the impact of large scale wind power generation on power system oscillationsj. electric power

19、 systems research， 2003， 67（1）： 9-20.6muljadi e， butterfi c p， parsons b， et al. effect of variable speed wind turbine generator on stability of a weak gridj. ieee trans on energy converts， 2007， 22（1）：29-367fernandez r d， mantz r j， battaiotton p e. impact of wind farms on a power system-an eigenvalue analysis approachj.renewable energy， 2007， 32（10）： 1676-1688.8tsourakisa g， nomikosb b m， vournasa c d. effect of wind parks with doubly fed asynchronous generators on small-signal stabilityj. electric power system research， 2009， 79（1）： 190-200.9和萍，文福拴，薛禹勝，等.風電場并網對互聯(lián)系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定及低頻振蕩