风火打捆外送情形下风电与电网失步解列的交互影响

李立新，曲柏玉，李 旭

(东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012)

风火打捆外送情形下风电与电网失步解列的交互影响

李立新，曲柏玉，李 旭

(东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012)

为了研究风火打捆外送情形下风电与电网失步解列的交互影响，在PSD-BPA仿真平台上建立风火打捆单机无穷大系统，仿真分析风电接入容量、无功电压运行方式对电网失步解列的影响，并在实际电网中进行仿真验证。同时，结合实际电网，对比风机脱网量，仿真分析了电网失步解列对风机可靠并网的反作用。由分析结果可知：风电接入容量越大且风机运行在恒电压方式时有利于抑制系统的失步振荡；风电的接入位置、故障点位置的改变可能导致失稳模式改变，进而影响风机的可靠并网。

风火打捆；风电并网；失步解列；暂态稳定；交互影响

0 引言

我国丰富的风能资源主要集中在处于电网末端的华北、西北、东北(“三北”)地区，“三北”地区煤炭资源丰富，火电较为集中，而用电负荷主要集中在经济繁荣发展的“三华”地区[1-3]，风电与邻近火电打捆高压远距离外送的开发模式在我国得到广泛应用。然而，风电接入会给系统带来安全稳定问题，电网失步解列也可能影响风电可靠并网。因此，研究风火打捆外送下风电与电网失步解列的交互影响具有重要意义。

文献[4]以纯火电系统为参考，分析了风火打捆系统故障后不平衡能量产生的原因。文献[5]从风电机组类型、故障类型、不同风电出力3方面分析了风电接入对系统功角稳定性的影响。文献[6-8]阐述了风火打捆外送系统风电场与电力系统的相互影响。文献[9-10]基于扩展等面积准则，分析了风电比例对风火打捆交直流混联外送系统的功角暂态稳定性的影响。文献[11]分析了振荡中心发生迁移的原因，提出了判断失步中心落到机组内部与否的新判据。文献[12]提出了一种基于振荡中心电压变化特征的失步解列新判据。此判据简单明了且不受运行方式和故障位置等变化的影响。文献[13]对系统发生振荡时电气量的变化特征进行阐述，并提出了基于有功功率变化量的失步解列新判据。文献[14]提出了一种有效降低互联电网解列风险、改善互联电网稳定性的控制策略。文献文献[15]提出了不受运行方式与网架结构限制，且可以适应失步中心迁移的基于母线电压频率的解列判据。

本文基于我国风火打捆典型外送场景，在PSD-BPA仿真平台中建立风火打捆单机无穷大系统等效模型。仿真分析风电接入容量及无功电压运行方式对电网失步解列的影响，并在实际电网中进行仿真验证。同时，结合实际电网，对比风机脱网量，仿真分析了电网失步解列对风机可靠并网的反作用。最后，在分析二者交互影响的基础上，提出合理的优化建议。

1 风火打捆单机无穷大系统

1.1 风火打捆输电系统

在PSD-BPA仿真平台中建立风电场的动态模型及风火打捆单机无穷大系统模型，如图1所示。

图1 风火打捆单机无穷大系统Fig.1 Single-machine infinite-bus model of wind-thermal-bundled system

图1中母线A接入容量分别为90 MW和300 MW风电场和火电厂。火电机组采用6阶同步发电机模型、励磁系统及调速系统模型模拟。风电场采用GE公司双馈感应机组，每台机组的容量为1.5 MW，风机的出口电压为0.69 kV，经风电场升压变后升至35 kV，最终升至220 kV接到母线1上。并在外送通道加装解列装置。

1.2 扩展等面积准则

在风火打捆外送系统中，假设有n台发电机组，采用扩展等面积准则(extended equal area criterion, EEAC)进行研究，该系统的动态方程可以表示为

(1)

对于该系统，有且仅有l=2n-2种方式将这n台发电机组划分为非空的2个互补机群，即临界群S群和余下群A群。划分结果与Pmi和Pei复杂程度及各发电机组是否在暂态过程中保持同调无关。

临界S群和余下A群满足下列关系：

(2)

对于一任意的互补群划分方式，把属于同一子群的发电机组动态方程相加，得到互相独立的两自由度空间上的轨迹：

(3)

为便于研究，将含n个角度变量的系统方程进一步简化为二维方程组，即从n机系统到2机系统的映射，具体过程如下：

(4)

式中：Pms,Pma分别为S群和A群的等值机械输入功率；Pes,Pea分别为S群和A群的等值电气输出功率；δs,δa为S群和A群的等值转子角；Ms,Ma分别为S群和A群的等值惯量。

以上步骤即为从多机系统到两机系统的映射。在变换过程中，需要对系统的受扰轨迹进行线性降阶变换。具体做法为：将子群(S群或A群均可)中各轨迹的加权平均轨迹作为该子群的等值轨迹δs(或δa)，从而得到对应的等值两机系统的受扰轨迹。将公式(5)用对应的广义惯量加权，可以得到两群各自的惯量中心，称为互补群惯量中心变换(complementary cluster center of inertia, CCCOI)，记为Rn→R2变换。

CCCOI映像是互补群惯量中心的等值受扰轨迹，实现了多刚体运动轨迹在平面上的表达。为使EEAC法能够应用到上述两机系统中，还需通过RM变换(记为R2→R1变换)进一步将两刚体非自治系统的相对运动映射到严格的单机无穷大系统中，转换为单刚体非自治系统的绝对运动，变换函数为

δ=δs-δa

(9)

定义δ为互补群距离。由公式(4)，(5)和(9)可以得到OMIB系统的运动方程：

(10)

其中：

(11)

上述步骤即为从多机系统到OMIB系统的互补群惯量中心相对运动变换，简称为CCCOI-RM变换。在变换得到的OMIB系统上应用等面积法则进行暂态稳定分析，然后再遵循最小值原则选取主导映像进行反聚合。基于此方法分析风火打捆外送系统的暂态稳定性。

1.3 风电接入容量

在图1所示系统中做如下仿真：0 s时线路1—2发生三相短路故障，故障持续时间为0.1 s。故障导致外送通道的解列装置动作，火电机组功角曲线以及解列装置动作时间在不同风电容量下的变化如图2、3所示。

图2 解列装置动作时刻(周波)Fig.2 Action time of splitting device

图3 不同风电比例下功角曲线Fig.3 Power-angle curve under different capacity of wind power

由图2、3可知，随着风电接入容量的增大，外送通道上解列装置的动作持续变缓、送端火电机组的功角首摆摆开的速度越来越慢。因此可以得出在该系统中，随着风电接入容量的增大，系统的暂态功角稳定性有所提升，失步振荡特性得到改善。

1.4 无功电压运行方式

双馈风电机组有恒功率因数和恒电压2种运行方式。恒功率因数运行方式时机组的功率因数控制为1，整个风电场不与系统进行无功功率交换。此时要使电压在合理范围内，需调整相关参数。恒电压运行方式的目的是调控机端电压。该方式下风机的功率因数可调，通过灵活运用其无功调控能力，使故障后机端电压能够快速恢复。因此对于改善电压稳定性这一点，恒电压运行方式更有优势。

在图1所示系统中作如下仿真：在母线1设置三相短路故障，仿真对比当其他条件相同而运行方式不同时，火电机组功角的受扰曲线，结果如图4、5所示。

图4 单台风机无功出力变化Fig.4 Variation of reactive power for single typhoon machine

图5 火电机组功角的变化Fig.5 Power-angle variation of thermal power unit

图6 实际电网地理接线图Fig.6 Geographic wiring diagram of actual power grid

由图5可以看出，恒功率运行时火电机组功角的摆开速度要快于恒电压时的摆形速度，且二者解列装置动作时间相差近0.5 s。这是因为故障后并网点电压降低，需要从系统中吸收更多的无功支撑。而恒功率因数控制在暂态变化过程中提供给系统的动态无功支撑较少(如图4所示)，进而对系统的电压调整能力较弱。恒电压方式下，风电机组能够灵活的运用自身的电压无功调节功能，使系统电压迅速恢复。因此恒电压运行方式能够在一定程度上抑制系统的暂态失步，提高系统的暂态稳定性。

2 实际电网仿真分析

图6所示为西北某地风光随机性电源电力，连同常规电源(火电)电力打捆高压交流、高压多直流外送的典型场景。电网A区作为实际电网的送端系统可类比于图1的送端风火打捆系统。A区总装机容量为11.2 GW，其中火电装机容量为8.9 GW，火电机组采用6阶同步发电机模型、励磁系统及调速系统模型模拟。风电的装机容量为2.3 GW，风机类型为双馈风电机组，且不考虑风电机组内部各风机之间的交互耦合影响。电网B区为西北主网，作为受端系统可对应于图1的单机无穷大系统。此仿真中所使用的数据和参数均来源于实际电网，真实可靠。

在BPA仿真平台中仿真验证风电接入容量和无功电压运行方式对电网失步解列的影响，包括6个算例。

2.1 算例1

研究打捆外送电源结构中风电机组容量变化对电网失步解列的影响。本算例中，风机无功电压控制模式统一采用恒功率因数1控制，火机采取直接关停调峰、无备用容量。t=0 s时线路8—9母线8侧发生三相短路，故障持续时间为5周波(1周波=0.02 s)。故障导致系统发生暂态失步，振荡中心位于A区与B区的联络断面上。分别对风电满发和风电半发方式下电网的失步情况进行仿真，母线9的电压和火电机组9的功角曲线如图7、8所示。

图7 母线电压变化(算例1)Fig.7 Variation of bus voltage(example 1)

图8 火电机组功角的变化(算例1)Fig.8 Power-angle variation of thermal power unit(example 1)

由图7、8可知，故障过程中风电满发比半发时最低点电压明显升高、火电厂9的功角首摆摆开速度变慢。可以得出风电接入容量的增大有利于抑制系统的暂态失步，有利于电网的安全稳定运行的结论，与理论分析结果一致。

2.2 算例2

分析无功电压运行方式对系统暂态失步的影响。以风电机组半发为例，模拟相同故障，电网发生暂态失步，振荡中心位于AB联络断面上，仿真分析恒功率、恒电压2种运行方式对电网暂态失步的影响。此时，火电厂8的功角如图9所示，母线5的电压如图10所示。

图9 火电机组功角的变化(算例2)Fig.9 Power-angle variation of thermal power unit(example 2)

图10 母线电压变化(算例2)Fig.10 Variation of bus voltage(example 2)

由图9、10可知，风电机组恒功率因数控制方式下的发电机功角摆出先于恒电压控制方式、恒电压控制方式下的系统母线电压也要高于恒功率因数控制方式。表明风电机组运行在恒电压运行方式时有利于抑制系统的暂态失步，能够增强系统稳定性。

为了进一步分析电网失步解列对风电可靠并网的影响，对整个电网的风电机组加装过/低电压保护装置，使整个风电场都具有过/低电压穿越能力。故障后达到过/低电压保护装置判稳条件时，风机将脱网，当电网的故障点位置或并网位置改变时会使振荡中心及相应的振荡模式改变，从而影响风机脱网量。

2.3 算例3

风电机组半发与火电机组打捆接入A区送端系统。t=0 s时线路8—9母线8侧发生三相短路，故障持续时间为0.1 s。此时，振荡中心位于A区与B区联络断面上，故障导致电网发生暂态失步，失步解列装置动作。现将风机脱网量统计如下：风机过电压脱网589 MW，低电压脱网168 MW。

2.4 算例4

风电机组半发与火电机组打捆接入B区受端系统。模拟上述故障，振荡中心位于西北主网，故障仍导致系统发生暂态失步，失步解列装置动作。风机脱网量统计如下：风电过电压脱网482 MW，低电压脱网79 MW。

2.5 算例5

风电机组半发与火电机组打捆接入A区送端系统。t=0 s时线路2—6母线2侧发生三相短路，故障持续时间为0.1 s。此时，振荡中心位于A区与B区联络断面上，故障导致系统发生暂态失步，失步解列装置动作。现风机脱网量统计如下：风机过电压脱网量809 MW，低电压脱网量321 MW。

2.6 算例6

风电机组半发与火电机组打捆接入B区受端系统。模拟算例3故障。振荡中心位于西北主网，故障导致系统发生暂态失步，失步解列装置动作。现风机脱网量统计如下：风机过电压脱网量718 MW，低电压脱网量149 MW。

可见，风电并网位置及故障点位置的改变可能使振荡中心迁移，改变电网的振荡模式，从而影响风机过电压/低电压脱网量。随着风电渗透率的不断增大，风电可靠并网与电网失步解列的交互影响愈加明显。为此,需进一步研究二者的协调配合策略，使二者相互协调，互相促进，共同确保电网的安全稳定运行。

3 优化建议

(1) 风机应采取合理的无功电压运行方式、接入位置等，可提高风机的故障穿越能力，增加风电并网可靠性、利于电网安全稳定运行。

(2) 合理地布置电网安全第三道防线，设置特殊的解列点，必要时通过采取主动将小的局部电网解列的措施，避免事故扩大而导致大规模风机脱网。

(3) 应在风电渗透率不断增大的背景下，研究风电接入下电网的失步控制。可以应用在电网应用日益成熟的基于PMU的WAMS系统实时关注风电接入下电网失步解列每个状态量的变化，采取相应措施，防止风电大规模脱网。

4 结语

(1) 风电恒功率因数控制模式下，增大打捆风电的容量，能够有效抑制电网的失步解列，提高系统暂态稳定性。

(2) 风电机组采用恒电压控制模式可发挥机组自身的无功调节能力，为系统提供动态无功支撑，有利于系统稳定运行，抑制系统暂态失步。

(3) 系统失步解列可能反作用于风电机组，对风机的可靠并网产生较大影响，故障严重时甚至使机组大规模脱网，大量风功率的损失使故障愈加严重。

(4) 研究风电接入后风电与失步解列的协调配合策略。随着风电并网规模的不断增大，与电网失步解列的交互影响也愈加明显，如何使二者相互协调，互相促进，共同确保电网安全稳定运行还有很多需要研究的内容。

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李立新

(编辑 蒋毅恒)

Interactive Influence Between Wind Farms for Wind-Thermal-Bundled Power Transmitted System and Out of Step Splitting of Power Grid

LI Lixin, QU Baiyu, LI Xu

(School of Electrical Engineering， Northeast Dianli University， Jilin 132012， Jilin Province， China)

The single-machine infinite-bus model of wind-thermal-bundled power transmitted system was built on the platform of PSD-BPA software to study the interactive influence between wind farms for wind-thermal-bundled power transmitted system and out of step splitting of power grid. The influences of wind power capacity, operation mode of reactive power and voltage of wind power were investigated and compared, with the simulation validation on practical power grid. The corresponding capacity of off-grid wind power was analyzed to determine the effect of out of step splitting of power grid on the integration of wind power was investigated. The results show that the wind power integration of larger capacity, operating at constant voltage, contributes great to the transient out-of-step for wind-thermal-bundled sending system; the integration and fault location of wind power will change the instability mode of power grid, so as to affect the integration of wind power.

wind-thermal-bundled; wind power integration; out of step splitting; transient stability; interactive influence

TK89；TM72

A

2096-2185(2016)02-0028-07

2016-09-08

李立新(1989—)，男，硕士研究生，研究方向为新能源发电与并网，E-mail：949844286@qq.com；

曲柏玉(1991—)，男，硕士研究生，研究方向为微电网保护技术，E-mail：13154305951@163.com;

李 旭(1990—)，男，硕士研究生，研究方向为柔性直流输电，553918649@qq.com。