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第五章含风电场的系统动态分析 谢桦 联系方式 51687104电气楼510北hxie 第五章含风电场的系统动态分析 Contents 电力系统动态分析风电机组故障条件下的动态过程风电场对系统稳定性影响的分析和计算系统对风电场的影响的分析方法 5 1电力系统动态仿真 电力系统安全稳定性动态电力系统的基本理论和分析方法 如何在网络结构比较薄弱的情况下防止由于某一设备或线路的故障产生连锁反应 导致全系统的稳定事故 如何防止长距离重负荷的联络线引起的低频振荡现象 如何防止由于大型互联系统频率维持能力逐渐减弱且可能的有功冲击加大可能引起的频率稳定问题 如何防止带负荷调压变压器和无功功率缺额可能引起的电压稳定问题 5 1 1电力系统安全稳定性的研究内容 系统运行的稳定性与供电可靠性电力系统的功角稳定电力系统的电压与频率稳定性 电力系统静态稳定电力系统暂态稳定电力系统动态稳定 5 1 2电力系统安全稳定性的分类 5 2动态电力系统的分析方法 线性化系统模型的频域分析方法 基本思路 非线性的电力系统模型在运行点处线性化得到系统的状态方程 计算系统矩阵的特征根和特征向量 用途 分析系统的静态稳定和小干扰下的动态稳定问题 并可用于设计和整定各种提高电力系统稳定性的控制装置 5 2动态电力系统的分析方法 线性化系统模型的频域分析方法 优点 可以解出系统的全部特征根并确定系统各个振荡模式的阻尼系数及频率 有助于对系统在小干扰下的动态行为有比较全面的了解 便于分析发生系统稳定性的原因并帮助寻求合适的解决方法 局限 是对大系统的高阶系统矩阵进行特征分析比较困难 2 非线性化系统模型的时域仿真方法 基本思路 对描述电力系统行为的一组非线性方程在时域进行数值积分求 得到系统在给定扰动下的动态响应过程 并以此为基础进行系统的稳定性判断 用途 用于电力系统动态稳定和暂态稳定问题的分析求解 5 2动态电力系统的分析方法 2 非线性化系统模型的时域仿真方法 优点 不管待分析的系统多么复杂 其组成的元件模型多么详细 都可以通过仿真方法求得各变量的时间解 局限 由于仿真结果十分庞杂 有用信息的提取常常十分困难 并且难以根据仿真结果对系统进行定性的稳定性分析 5 2动态电力系统的分析方法 3 基于能量函数的稳定分析方法 即所谓的直接法稳定分析 基本思路 根据系统的Liapunov函数或暂态能量函数的性质来判断系统的稳定性 一般用于对系统暂态稳定性的快速判别上 优点 判别速度快并可以给出系统失稳的模式及程度 是最有可能实现在线稳定判别的一类方法 局限 详细系统模型下的能量函数构造困难及不可克服的保守性 5 2动态电力系统的分析方法 双馈感应风力发电机在端口短路条件的动态过程 1 当故障发生后 定子端电压下降为0 在定子绕组中出现相对于定子绕组不变的磁链直流分量会缓慢的衰减 其衰减时间可以认为基本由定子电阻及转子短路时的定子等效电感决定 2 当故障发生时 双馈风力发电机组一般采用关闭转子侧变换器 通过Crowbar装置将转子短路的方法来保护转子侧变换器 当转子短路后 转子侧电压突然下降为0 在转子绕组中同样会出现相对于转子绕组静止的直流分量 转子磁链的直流分量会缓慢的衰减 其衰减时间可以认为基本由转子电阻及定子短路时的定子等效电感决定 5 2风电机组故障条件下的动态过程 2 1双馈系统两相接地短路故障仿真结果 5 2风电机组故障条件下的动态过程 2 2三相接地短路故障仿真结果 5 2风电机组故障条件下的动态过程 5 3大型风场并网对电网稳定性的影响 风力发电出力随风速大小等因素而变化 同时由于风能资源分布的限制 风电厂大多建设在电网的末端 网架结构比较薄弱 所以在风电并网运行时必然会影响电网的电能质量和电网的稳定性 尤其是在大型风电场连接于弱电网时研究风电场并网引起的不稳定性是很有意义的 前述电能质量问题的解决可以靠选择合适的风力发电机的类型或调整发电机的控制策略解决 而传输极限和稳定约束则要靠合适的系统结构 灵活可靠的保护装置 动态无功补偿装置和储能装置来解决 5 3 1大型风场并网对电网电压的影响 大量文献中指出 风电接入系统引起的稳定问题主要是电压稳定问题 正常运行时风电穿透功率 风电场装机容量占系统总负荷的比例 过大会引起电压崩溃 大型异步发电机风电厂在其并网运行时需从电力系统吸收大量无功功率 增加电网的无功负担 有可能导致小型电网的电压失稳 在故障和操作后未发生功角失稳的情况下 部分风电机组由于自身的低电压保护而停机 系统失去部分无功负荷 导致电压水平偏高 甚至使风电场母线电压越限 故障切除不及时 会发生暂态电压失稳 另一方面 随着风电场规模的不断扩大 风电场在系统中所占的比例不断增加 风电输出的不稳定性对电网的功率冲击效应也不断增大 对系统稳定性的影响就更加显著 严重情况下 将会使系统失去动态稳定性 导致整个系统的瓦解 5 3 1大型风场并网对电网电压的影响 目前常用的无功补偿装置是分组投切得并联电容器 电容器的无功补偿量的大小与接入点电压的平方成正比 当系统电压水平较低时 并联电容器的无功补偿量迅速下降 导致风电场对电网的无功需求上升 进一步恶化电压水平 严重时会造成电压崩溃 另外 由于异步发电机的功率恢复特性 当电网发生短路故障时 若故障切除不及时 也将容易导致暂态电压失稳 5 3 1大型风场并网对电网电压的影响 风速的随机性决定着风机出力的随机性 风电作为系统的一个不稳定的电源 它的并网与脱网是很难预测的 从这一点考虑风电实际上是系统的一个干扰源 当风电容量在系统中所占的比例较大时 其输出功率的随机波动性对电网频率的影响就是显著的 影响了电网的电能质量和一些频率敏感负荷的正常工作 这就要求电网中其他常规机组有较高的频率响应能力 能进行跟踪调节 抑制频率的波动 5 3 2大型风场并网对电网频率的影响 5 3 2大型风场并网对电网频率的影响 考虑到风电的不稳定性 当风电由于停风或大风失速而失去出力后 会使电网频率降低 特别是当风电比重较大时 会影响到系统的频率稳定性 失去风电出力后 电网频率不能低于允许值 频率稳定分析的基本原则是 消除该影响的主要措施是提高系统的备用容量和采取优化的调度运行方式 当电力系统较大 联系紧密时 频率问题是不显著的 不同国家的电力公司对频率变化范围和控制的要求 5 3 2大型风场并网对电网频率的影响 5 4系统对风电场的影响的分析 PCC点三相短路对风力发电机组的影响 三相短路对风力发电机组产生电气和机械两方面的影响 在电气方面 端电压的突然下降引起定子磁链的退磁 但转子磁链不会突变减小 从而引起电机的励磁电抗增大 导致机组定子侧与转子侧暂态电流增大 进而向故障点传送无功功率 在机械方面 端电压的下降将造成发电机组输出的有功功率大量减小 而输入的机械功率却相对保持不变 从而引起发电机组转速增加 转速的增量决定于残留电压 系统转动惯量 故障的时间以及风力机输入的机械能 5 4系统对风电场的影响的分析 PCC点三相短路对风力发电机组的影响 在故障后的恢复阶段 发电机组将吸收更多无功功率以重新建立磁场 从而造成端电压恢复困难 导致机组转速的继续上升 直到超过机组极限 保护装置切断机组与电网的联系 解决以上问题的最佳策略是控制风电场注入电网的无功功率 达到控制PCC PointofCommonCoupling 处电压的目的 从而减轻电压缺陷对机组的影响 满足故障状态下系统接入的要求 尽量避免切除风电场 损失发电容 同时还能减少风电场故障恢复时间 criticalclearingtime CCT 风电场风速恒定为8m s 在7s时 风电场接口处发生三相接地短路故障 历时0 5s 7 2s时断路器断开 8s时断路器自动重合闸 5 4系统对风电场的影响的分析 仿真条件 电网电压在30秒后由10kV降为9 75kV 结论 1 恒速风机系统 电压波动最快 2 电网的高阻抗的条