大规模风电场的建模及其在内蒙古电网安全稳定运行的研究

1、第30卷 第4期 中 国 电 机 工 程 学 报71文章编号：0258-8013(2010 04-0071-08 中图分类号：TM 72 文献标志码：A 学科分类号：47040 大规模风电场的建模及其 在内蒙古电网安全稳定运行的研究侯佑华1，齐军2，王小海2，万江2，张红光2，杨涛2(1. 天津大学电气与自动化工程学院，天津市 南开区 300072； 2. 内蒙古电力调度通信中心，内蒙古自治区 呼和浩特市 010020Modeling of a Large-scale Wind Farm and the Studying for Its Security andStability Operat

2、ion in Inner Mongolia GridHOU You-hua1, QI Jun2, WANG Xiao-hai2, WAN Jiang2, ZHANG Hong-guang2, YANG Tao2(1. Electrical Engineering and Automation, Tianjin University, Nankai District, Tianjin 300072, China;2. Inner Mongolia Power Dispatching and Communicating Center, Inner Mongolia Autonomous Regio

3、n, Hohhot 010020, China ABSTRACT: Through an intensive study of wind-turbine generator-shaft system, the paper deduces a dual-mass dynamic model in per-unit with angle and angular speed of the rotating components as its state variables from system equation in nominal unit, in which the influence of

4、gear case ratio and generator pole pair number is considered, and meanwhile clarifies definitions, units and calculation methods of the model parameters. Next, the existing problems of conventional model for wind turbine generator are discussed by comparison. Thereafter, making use of the new acquir

5、ed model and taking voltage and frequency property of wind turbine power generator into account, the paper gives an overall analysis on the static and dynamic security characteristics of 2009 Inner Mongolia Grid integrating large-scale wind farms. Moreover, the paper specifies the influence on the g

6、rid structure, system voltage, reactive compensation, dynamic stability and transient stability of Inner Mongolia Grid arisen by the access and operation of large-scale wind farm as well as the control requirements to system operating so as to guide the operation controlling and planning of wind far

7、m in Inner Mongolia Grid. KEY WORDS: wind farm; dynamic model; static security; dynamic security摘要：以风力发电机组轴系为重点研究对象，从有名值方程出发，经推导得出以旋转元件角度和角速度为状态变量的风电机组双质量块标幺值动态仿真模型，明确了模型中各参数的定义、单位和计算方法，考虑了风力发电机组齿轮箱升速比和极对数的影响，并对传统模型存在的问题进行讨论。应用该模型对2009年大规模风电场接入内蒙古电网运行的静态和动态安全特性进行了全面分析，考虑了风电机组电压和频率保护特性，指出大规模风电场并入内蒙古电

8、网运行时对网架结构、系统电压、无功补偿、暂态和动态稳定特性的影响以及控制要求，可用于指导大规模风电场在内蒙古电网的调度运行和规划设计。关键词：风电场；动态模型；静态安全；动态安全0 引言近年来，随着国家能源政策向可再生清洁能源的倾向以及电力电子技术、控制技术的不断提高，风力发电在我国得到了迅猛发展，利用风能进行发电日益受到各发电企业的重视，越来越多的大中型风电场相继投产并投入运行。内蒙古自治区是我国风能资源的富集地区，风能资源占全国风能资源储量的40%左右，截至2009年6月，内蒙古电网直调风电装机2 090 MW ，日最大风电出力1 649 MW ，占该时刻内蒙古电网发电出力的10.8%。随

9、着风力发电的快速发展，国内外学者对风电的研究也越来越关注。风电机组模型的研究是风电研究的重点，也是其他深入研究的基础。准确合理的风电机组模型(特别是其轴系部分风轮机和异步发电机的动态运动方程 是风电在电力系统中仿真研究的关键。近年来，关于风电模型的文献1-8很多，国外文献1-4多用有名值推导，不便于计算。国内文献5中的模型为大多数文章采用，但笔者发现该模型并非从轴系的转子运行方程而来，没有给出齿轮72 中 国 电 机 工 程 学 报 第30卷箱升速比和发电机极对数对模型中相关参数计算的影响，也没有明确给出各环节标幺值方程中各参量相应的基值系统及计算方法。另外，目前国内的风电研究6-14还仅仅局

10、限于风电机组模型和局部小网络的稳定仿真，真正意义上的大规模风电场应用于大电网的仿真研究鲜有报道，用于指导电网实际运行的控制措施、经验和建议则更少。本文针对现有风电模型研究中的问题，从有名制的角度出发，通过严格定义和推导得出标幺制系统下以旋转元件角度和角速度为状态变量的风电机组双质量块动态仿真模型，明确给出模型中各参数的定义、单位、计算方法以及各标幺值参数的基值系统。文章应用该模型对2009年大规模风电场接入内蒙古电网运行的静态安全特性和动态安全特性进行了全面分析，明确了大规模风电场并入内蒙古电网运行对网架结构、系统电压、无功补偿、暂态和动态稳定特性的影响以及控制要求，总结了风电对系统运行影响的

11、规律，并用于指导内蒙古电网的实际生产运行。1 风力发电机组模型1.1 风功率模型风力发电机组主要有单馈异步恒速风力发电机和双馈变速恒频风力发电机。这2种风机的主要区别是控制系统不同，其本质和关键部分则是相同的，即由风力机和异步发电机构成的机械传动轴系是相同的，都是由叶片、轮毂、齿轮箱、联轴器和异步发电机转子构成，如图1所示。 图1 典型风力发电机模型图Fig. 1 Model diagram of wind turbine generator system风力机转子受风能转换效率的限制，叶尖速率比不可能很大，风力机转子转动的速度不会很高，与发电机转子的速度相差较大。发电机与风力机之间不能直接相

12、连，必须通过一定变比的升速齿轮箱进行传动，这样发电机与风力机之间的刚度大大降低，这两大系统间是柔性连接。因此风电机组传动部分一般不宜用单一质量块来建模，最少可以用双质量块模型来模拟，其中：风力机的叶片和轮毂构成低速运行模块，统称为轮毂质量块，该模块质量占风电机组总质量的90%左右；齿轮箱和联轴器质量较轻，可并入发电机模块研究，和异步发电机转子一起构成高速运动模块，统称为发电机质量块。进行建模前首先作如下假设：1）忽略各质量块的自阻尼效应；2）齿轮箱为理想齿轮箱，即只有升速比，没有质量，齿轮箱转动惯量纳入到发电机模块。风力机通过叶片捕获风能，产生一定转矩，风力机所获取的风能和转矩大小由方程组(1

13、决定。23w w p 23w ww p11212P R v C P v T R C = (1 式中：P w 为风力机叶片获取的风能，W ；T w 为输入风力机叶片的转矩，N·m； 为风电场空气密度，kg/m3；C p 为叶片风能转换效率系数；R 为叶片半径，m ；v w 为作用于叶片的风速，m/s；=1R /v w ，为叶尖速率比；1为轮毂部分机械角速度，rad/s。需要说明的是，C p 是叶尖速率比和浆矩角的非线性函数1,5。1.2 风电机组轴系方程按照图1双质量块模型建立风电机组轴系的有名值方程方程：121w M12M2e M1M21212121222K111N K222N 12

14、N 00M1M221d d , d d (/ (/ d d , d d /2, /22/N J T T J T T t t T rT K r D r t t W J W J rp p f T T r=+= (2 式中：J 1为轮毂部分(包括叶片 转动惯量，kg·m2；J 2为发电机转子部分(包括齿轮箱和联轴器 转动惯量，kg·m2；1为轮毂部分机械角速度，rad/s；2为发电机转子部分机械角速度，rad/s；1N 为系统额定电气角速度对应到轮毂部分的额定机械角速度，rad/s；2N 为系统额定电气角速度对应到发电机转子部分的额定机械角速度，rad/s；0为系统额定电气角速度

15、，rad/s；1为轮毂部分机械角度，rad ； 2为发电机转子部分机械角度，rad ；T M1为理想齿轮箱轮毂侧输入转矩，N·m；T M2为理想齿轮箱发第4期 侯佑华等：大规模风电场的建模及其在内蒙古电网安全稳定运行的研究 73轮毂部分、发电机转子部分和系统电气部分的变量具有如下关系：N N 01N 1N 2N 2N 11221e12e2, , S T T T rp p rp p = (3 式中：S N 为系统功率基准，V A ，对于单机一般取为单机额定容量；T 1N 为轮毂侧的转矩基准，N·m；T 2N 为发电机转子侧的转矩基准，N·m；1为轮毂机械角速度对应到

16、电气侧的电角速度，rad/s；2为发电机转子机械角速度对应到电气侧的电角速度，rad/s；e1为轮毂机械角度对应到电气侧的电角度，rad ；e2为发电机转子机械角度对应到电气侧的电角度，rad 。联立式(2和(3，可得1*1*11w*M1*2*2*22M2*e*M1*M2*M* 1212M*1N 1K1N 2K2Nd d d d d d d d (/ (/ 2/2/J J J J J J T T T T t t T T T T t t T T T K r D r T T T W S T W S =+= (4 式中：T J 1为轮毂惯性时间常数，s ；T J 2为发电机转子惯性时间常数，s ；带

17、*号的数值为标幺值。以下各式中带*号的数值均为标幺值。联立式(2和(3，还可得121*1N 2*2N e1e21*02*0e12121*1*2*2*d d , d d d d , d d d d d d , d d d d , e t ttt rp p tt t t= (5 下文推导方程组(4中的T M*。1212M*N 1Ne1e21*2*22222N 0N 0(/ (/ ( ( /rp K r D r T rpS K Dr p S r p S +=+=e1e21*2*( ( K D + (6式中：D 为轮毂与发电机之间的标幺值互阻尼系数(转矩标幺值/角速度标幺值 ；K 为轮毂与发电机之间的

18、标幺值刚度系数(转矩标幺值/rad。至此，就可以得到将轮毂和发电机转子机械状态变量1，2，1，2归算到系统电气侧状态变量 1， 2， e1， e2后的标幺值状态方程： 1w*e1e21*2*2*2e1e21*2*e*e1e21*02*0d ( ( d d ( ( d d d , d d J J T T K D t T K D T t tt =+= (7 1.3 异步发电机模型1）定子绕组电压方程。异步发电机的轴系运动方程以已经在1.2节中建立，下文需要将状态变量2转换为滑差s 。典型异步发电机模型如图2所示15-16，图中所有参数均为标幺值，异步发电机是风电机组的最终输出环节，该环节的方程要参

19、与系统计算，需要通过坐标转换将dq 坐标下的方程转换为xy 同步坐标下的方程。*1*1*x x y x y y x y U r I x I E U r I x I E =+=+ (82*/s图2 异步发电机等值电路Fig. 2 Equivalent circuit of induction generator2）转子绕组电压方程。*0*0*0*0*d ( d d ( d xd xy d y y d y x d x E T E x x I sT E t E T E x x I sT E t =+=+(9 3）含滑差的异步机发电机转子运动方程。 2002*2e1e21*e*e20e*( /1d (

20、 (1 d d (1 d Re( J x y x y xx y y s sT K D s T t s tT E jE I jI E I E I =+=+=+=+ (1074 中 国 电 机 工 程 学 报 第30卷式中：U x *，U y *为xy 坐标系下发电机定子电压，pu ； I x *，I y *为xy 坐标系下发电机定子电流，pu ；*xE ， *y E 为xy 坐标系下暂态电势，pu ；t 为时间，s ；r 1*， x 1*为定子电阻电抗，pu ；r 2*，x 2*为转子电阻电抗，pu ；x m *为激磁电抗；x *=x 1*+x m *；*x =x 1*+x 2*x m */ (

21、x 2*+x m * ；0d T =(x 2*+x m */r 2*为定子绕组开路时转子绕组时间常数，s ；s 为异步发电机滑差。 1.4 对模型的讨论1）风速模型也是风力发电机模型中的一个重要内容，本文为了节约篇幅，未对其进行介绍，请参考文献1,7。2）文献5,7,9为了简化分析，将图2中T w T M1 T M2用一个1阶惯性环节来模拟，并忽略齿轮箱的升速比，即Mw M d d T T T t= (11 这些文献中认为该式中的为轮毂的惯性时间常数。笔者认为这种观点存在问题，这个方程并非转子运动方程，T M 也不是风机轴系真正的状态变量。该方程只是发映了T w 变化时引起T M 变化具有的一

22、个延迟过程，因此将 理解为时滞效应时间常数较为合理，但它不是轮毂部分的惯性时间常数。在简化处理时，方程(11也是可用的，它可以简单代替轮毂部分的状态方程，但是 应该是一个经过实测的数值，而并非由转动惯量算出的惯性时间常数。3）各个风机厂家的浆矩角控制系统和双馈机组的交流励磁系统均有所不同，这部分不是本文讨论的重点，下文仿真中异步风机采用了典型的浆矩角控制系统1,5，双馈风机采用了GE 公司的交流励磁模型。2 含有大规模风电场的内蒙古电网的安全稳定仿真计算2.1 静态安全分析内蒙古电网500 kV 系统示意图如图3所示。下文采用本文数学模型，对2009年大规模风电场接入内蒙古电网运行的静态和动态

23、安全特性进行分析。仿真中的最大发电负荷为14 GW ，东送华北电网4 GW ，风电总装机4.5 GW ，其中：巴彦淖尔地区1.050 GW ，风电场11座；包头北部地区650 MW ，风电场9座；乌兰察布地区1.3 GW ，风电场17座；锡林浩特塔拉地区1.31 GW ，风电场14座；其余各局部节点200 MW ，风电场4座。巴彦淖尔地区风图3 内蒙古电网地理图Fig. 3 Geographical diagram of Inner Mongolia Grid电由220 kV 文更送入500 kV 德岭；包头地区由220 kV 望海红塔固北送入500 kV 包头北；乌 兰察布地区由220 kV

24、 元上都明安图兴广送入500 kV汗海；锡林浩特由220 kV 灰腾梁送入500 kV 塔拉。风电计算采用的潮流节点为：异步风机采用PQ 节点，功率因数按固定0.95考虑；双馈风机采用PV 转PQ 节点，功率因数按0.9+0.95范围内可调考虑。静态安全分析主要对风电场并网运行各种开机方式下对电网电压和潮流的影响进行计算。分析结果如表1所示。表1 不同风电开机下风电接入点及系统枢纽点电压 Tab. 1 Voltage of the connection and key bus at variousoperating manner of wind turbine generator kV风电开机

25、文更524227476风电机组80%的出力时，全网在风电相关节点增加容性补偿600 Mvar ，风电机组100%的出力时，全网在风电相关节点增加容性补偿1 200 Mvar 。由表1可知：1）风电机组不发电的情况下，大量风电场接入系统线路处于空载充电状态，产生大量充电功率，导致风电场集中接入区域变电站电压水平较高。2）随着风电场出力水平的逐步增多，不具备无功调节能力的单馈异步风机吸收的无功开始增加，风电机组机端变压器、风电场升压变压器和风电场送出线路的无功损耗也同步增大，系统电压大幅度下降。3）风电场一般接入220 kV 系统的末端变电站，由于具备无功调节能力的双馈风机的存在，这些公共接入点的

26、电压一般能够维持较好的水平，但这些第4期 侯佑华等：大规模风电场的建模及其在内蒙古电网安全稳定运行的研究 75 公共接入点(如望海、灰腾梁 一般离系统枢纽点较远，大量电力从这些节点送出后导致系统枢纽点电压较低(风机开80%，而具备无功调节能力的风机却不能根据枢纽点的电压来继续进行无功调节。目前，风电场设计阶段仅仅考虑风电场的无功补偿，而对风电大量送入后引起的系统无功缺额没有考虑，单纯的风电场站内补偿是不够的，风电场接入后应当对风电场送入系统枢纽点沿线的变电站均考虑无功补偿。 4）负荷重、火电机组多、网络结构强的区域，接纳风电大发能力较强，如德岭、包北地区；风电接入点较为分散，每个点风电场接入容

27、量较少的地区接纳风电大发的能力也较强，如乌兰察布地区；负荷轻、火电少的区域，电压随风电变化剧烈，接纳风电大发能力较弱，如锡林浩特的灰腾梁地区。5）对风电场通过站内补偿无功使风电场出口功率因数保持为1的情况进行了仿真，结果表明风电大发时，仍然存在3）中提到的问题。因此传统的风电场出口功率因数保持为1的观点并不科学，风电场应具备根据系统电压情况进行连续调节的能力。当系统电压升高时，需要风电场吸收无功；风电大发导致系统枢纽点电压低时，风电场应适当发出无功，以提高接入点电压，从而对提升系统电压产生帮助。2.2 动态安全分析以临河电厂为例，临河电厂位于巴彦淖尔地区，其附近的获各琦变接有5座风电场。风电不

28、开机时，前临线故障，则临河电厂的出力极限为560 MW ；风电全开时，前临线故障，则临河电厂的出力极限为470 MW 。图4给出了风电开机和不开机时临河电厂的功角曲线。风电场开机会对邻近的火电机组的安全稳定性产生很大影响，可能会显著降低火电机组的出力水平，风电大开大发的情况下，火电需要限制较多的出力以保持系统稳定。 X /周波 /(°(a 风电不开、临电出力560 MW时的功角稳定曲线X /周波/(°(b 风电全开、临电出力560 MW时的功角失稳曲线967248240X /周波/(°(c 风电全开、临电出力470 MW时的功角稳定曲线图4 风电开机和不开机临河电

29、厂功角曲线Fig. 4 Linhe Power Plants angle curve with wind turbinegenerator operating or not operating风电场开机后，在电网发生故障的情况下，容易出现一种暂态电压持续跌落、最后发生电压崩溃的现象，这种现象以风电升压站和接入点最为严重，并对系统枢纽点运行电压产生影响。图5给出了风电全开情况下巴彦淖尔地区包德线故障掉闸后的电压崩溃现象及稳定曲线。图6给出了包头北部地区和乌海地区系统故障后的电压崩溃现象。通过以上计算可知：1）风电场开机后，在电网发生故障的情况下，普遍存在一种暂态电压持续跌落、最后发生电压崩溃或电

30、压剧烈振荡的现象，这种现象以风电升压站和公共接入点最为严重，而系统枢纽点可能不明显。但如果同时伴随着大范围的潮流转移，则会引起区域内同步机组功角失稳(如巴彦淖尔地区 。2）这种电压崩溃现象和以前纯火电电网电压崩溃有所不同，纯火电电网电压崩溃发生的同时，机组功角失去稳定。风电场接入引起的电压崩溃或电压振荡问题为一种纯电压振荡现象，这种振荡有可能激发同步机组功角失步，但也有可能不引起功角失步。控制风电场的出力或风电场送入系统线路潮流能够有效地抑制这种问题的出现。3）系统初始运行电压越高，风电场接入点网架越坚强，电压崩溃或振荡发生的可能性越小。4）伴随着风电机组接入点电压的剧烈振荡，第4期 侯佑华等

31、：大规模风电场的建模及其在内蒙古电网安全稳定运行的研究 77 定水平将越低。 200 150 * 100 50 + 0 50 0 + 240 + 海勃湾机组功角 480 720 X/周波 960 * * * * 丰泉变电压 + + 1.10 0.86 0.38 0.14 U/pu 0.62 0.10 1 200 或电压剧烈振荡现象，这有可能导致电网同步机组 失去稳定，通过控制风电场出力可解决这个问题， 利用风电机组自身的电压、频率保护在发生振荡时 及时切除风电机组能够使系统恢复稳定。 以上结论是大规模风电接入内蒙古电网运行 研究的初步结论，进一步的深化研究仍将继续。 /(° (a 风

32、电全开出力 50%、阻尼比为 0.008 时的特性曲线 4 000 * 3 000 * * 丰泉变电压 海勃湾机组功角 + 240 480 + 720 * + + 1.10 0.86 U/pu 0.62 0.38 0.14 参考文献 1 Anderson P M，Bosel AStability simulation of wind turbine system JIEEE Transactions on Power Apparatus and Systems，1983， 102(12：3791-3795 2 Rahim Y H A，AL-Sabbagh A M LControlled pow

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35、n dynimic model of wind turbine A generator setsJ Proceedings of the CSEE， 2005， 25(3： 116-119(in Chinese 7 吴学光，张学成，印永华，等异步风力发电系统动态稳定分析 的数学模型及其应用J电网技术，1998，22(6：68-72 Wu Xueguang， Zhang Xuecheng， Yonghua， al Yin et Application of model of the wind turbine induction generators to wind power system dynamic stability analysisJPower System Technology，1998， 22(6：68-72(in Chinese 8 侯树红，蔺红，晁勤，等风力发电机的建模及动态仿真J中 小型电机，2000，27(4：5-9 Hou Shuhong，Lin Hong，Chao Qin，et alBuilding model and dynamic simulation on windmill generatorJ S&M Electric Machines，2000，27(4：5-9(in Chinese 9