摘要：相比于近年来风电装机容量的迅猛发展，风电并网量能更好地反映风电发展质量。因此，风电接入对系统功角稳定影响机理的研究值得重视。以东方电气新能源生产的双馈风电机组在故障期间的等效外特性和单端送电系统的功率特性关系，研究各种风电规模对送端电网和受端电网之间电气距离的影响，以及不同风电规模在不同故障状态下对系统暂态功角稳定性的影响机理。得出了近距离故障和远距离故障下，系统功角特性随着风电装机规模的提高而改善，当风电装机规模达到一定程度后，功角稳定性不再改善反而出现恶化趋势的结论。通过对实际电网进行仿真计算，证明了不同规模的风电接入对系统功角稳定影响结论的正确性。
关键词：大规模；风电接入；系统功角关系；稳定
一、双馈风电机组暂态响应外特性分析
系统受到较大扰动后，风电将进入故障穿越模式，并启动动态无功支撑。以双馈风电机组为例，通常双馈风电机组控制方式是恒功率因数控制，正常情况下向系统提供有功，不向系统提供无功；系统发生故障后，故障期间双馈风电机组向系统提供一定的无功电流支撑；故障后按照一定的速率恢复有功。1.5MW双馈风电机组并网点电压跌落至0.2pu时，风电场出口处的电压、有功功率和无功功率变化情况。
故障前，双馈风机采用功率因数为1的恒功率因素控制，向系统注入有功功率，无功功率为0，因此可将双馈风机等效为一负电阻；设故障期间风电并网处电压为U，故障电流为I，
值得注意的是，目前部分风电机组在正常运行过程中可以接受风电场自动无功控制系统的指令，发出无功功率，该部分风电机组在故障前等效为并联的负电阻和负电抗。
二、风电比例对系统功角稳定影响机理分析
1、风电并网对系统电气距离影响研究
S为送端系统，R为受端系统，W为风电并网点，A为系统中普通节点，风电等效为并联的负电阻和负电抗。
系统中风电比例为k，风电比例的增加是通过切除S中的火电机组实现的，假设S中的火电机组相同有N台，每台的内阻为XdT1(XdT1是送端系统机组内阻X'd和与之相连的变压器的XT1的和)，S中的火电机组的内阻为XdT1/[(1—k)N]。
式中XdT2是受端系统机组内阻X'd和与之相连的变压器的XT2的和。
式中：Y'SS、Y'RR分别为修正的节点导纳矩阵中S点和R点的自导纳；Y'SR、Y'RS分别为修正的节点导纳矩阵中S点和R点之间的互导纳。
函数F是凹函数，在(0,1)上存在极值点，对函数F求一阶导数，得到F最小时k的值。
当0＜k＜[(n-m)(n-1/XW)-(n-m)2]/[1/r2W+(n-1/XW)(m-1/XW)]时，随着风电规模的增大，可以看出对于送出系统来说电气距离不断减少，这增强了系统的稳定性。
当[(n-m)(n-1/XW)-(n-m)2]/[1/r2W+(n-1/XW)
(m-1/XW)]＜k＜1时，随着风电规模的增大，电气距离不断增大，这降低了系统的稳定性。
因此，当风电的规模在一定范围内增加时，风电接入减少了系统的电气距离，当风电规模超出这个范围，风电接入使得系统电气距离增大，式(12)给出了风电接入容量计算公式。
2、风电接入对系统功角稳定影响分析
2.1远端故障下的影响分析
为了更为直观的反映风电并网后对系统功角稳定的影响和简化公式推导，本文针对三相短路的对称故障进行故障分析。
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风电等效接入时发生远距离故障情况下对应的等值电路。k表示风电比例；X表示短路附加电抗。
Z11、Z12为同步机组自阻抗和转移阻抗；11、12为自阻抗角和转移阻抗角的余角。
XL和X的绝对值远小于其他电抗的绝对值，因此Xu的绝对值也远小于其他电抗，式(18)中高次项k2Xu4/r2W近似为0，因此自阻抗角11近似等于90°，余角11=0°，自阻抗一项可以忽略。
实际运行中，当系统故障发生时，风电机组至少要30ms后才能发出无功，即30ms前风电机组仅能等效成负电阻，此时式(24)中Xw的绝对值为无穷大。
函数F1是凹函数且在横坐标轴上经过原点和w点，函数F1的曲线。
当0＜k＜w时，X'SR模值均小于X'SR1模值，即风电接入后的互阻抗小于无风电接入时的互阻抗。当0＜k＜c时，不同比例风电等效接入对加速面积和减速面积的影响。曲线I、II、III分别是无风电接入时火电机组故障前、故障期间、故障清除后的功率特性曲线。设k1、k2是两个不同的风电接入比例，当0＜k1＜k2＜c时，随着风电规模的增大，X'SR模值不断减小；当k=k2时，故障期间火电机组功率特性曲线IV所示；当k=k1时，故障期间火电机组功率特性曲线。风电接入后互阻抗模值变小，因此曲线IV比曲线II的功率极限高，根据网络接线对功率特性的影响可知a12大于零，曲线IV较曲线II向右移动了a12。由于在(0,c)区间上风电规模增大，X'SR模值减小，根据式(19)，曲线V在曲线IV下方，可知曲线V向右移动的角度小于a12。故障清除后一定时间内，风机仍发出一定无功，因此故障清除后初期风机等效为并联负电阻和负电抗，之后风机不再发出无功，故障清除后期风机等效为负电阻。当k=k2时，故障清除后初期和后期的火电机组功率特性曲线。曲线VI由两部分构成，其中ij部分是故障清除后初期火电机组功率特性曲线，其余部分是故障清除后期火电机组功率特性曲线。当k=k1时，故障清除后初期和后期的火电机组功率特性曲线。曲线VII由两部分构成，mn部分是故障清除后初期火电机组功率特性曲线，其余部分是故障清除后期火电机组功率特性曲线。经分析可知，曲线VII在曲线VI下方。当k=k2时，加速面积是Sabgh，减速面积是Siopb，此时功角为4；那么k=k1时，加速面积是Sabef，由于SabefSabgh且曲线VI在曲线VII上方，那么功角只有运动到3时减速面积才等于Sabef，可知3＞4。根据扩展等面积准则，随着风电规模的增大，系统的功角特性改善。等效后可知双馈风机没有替代一部分火电机组的出力，即风电接入前后中火电机组输入机械功率PT不变。当c＜k＜w时，不同比例风电等效接入对加速面积和减速面积的影响。曲线I、II、III分别是无风电接入时火电机组故障前、故障期间、故障清除后的功率特性曲线。当c＜k1＜k2＜w时，随着风电规模的增大，X'SR模值不断增大；当k＜k2时，故障期间火电机组功率特性曲线IV所示；当k＜k1时，故障期间火电机组功率特性曲线V所示。曲线V在曲线IV上方。曲线VI是风电比例为k2时，故障清除后初期和后期的火电机组 功率特性曲线，曲线VII是风电比例k1情况下故障清除后初期和后期的火电机组功率特性曲线。当k＜k1时加速面积是Sabef，减速面积是Smopb，此时功角为4；当k＜k2时，加速面积是Sabgh，由于Sabgh＞Sabef且曲线VI相应部分在曲线VII下方，那么功角只有运动到3时减速面积才等于Sabgh，有3＞4。随着风电规模的增大，系统的功角特性恶化。
2.2近端故障下的影响分析
系统近端故障下和远端故障下的情况相同。当0＜k＜e时，随着风电规模的增大，系统的功角特性不断改善；当k＞e时，随着风电规模的增大，系统的功角特性恶化。
结束语
本文通过对双馈风机的等效外特性进行研究分析，将风机在故障发生前用一负电阻表示，故障期间用并联的负电阻和负电抗表示。基于此研究大规模新能源发电并网后，对送端发电系统和系统受端之间电气距离的影响；分析近距离故障和远距离故障下新能源并网对系统功角稳定的影响机理，并通过推导，得到多机系统中使功角稳定最好的最优风电出力。
参考文献
[1]张明理，徐建源，李佳珏．含高渗透率风电的送端系统电网暂态稳定研究[J]．电网技术，2013，37(3)：740-745．
[2]王忱，石立宝．大规模双馈型风电场的小扰动稳定分析[J]．中国电机工程学报，2010，30(4)：63-70．
论文作者:覃庆宁
论文发表刊物:《电力设备》2017年第33期
论文发表时间:2018/4/19
标签：风电论文; 故障论文; 曲线论文; 机组论文; 系统论文; 火电论文; 功率论文; 《电力设备》2017年第33期论文;