盛四清，俞 可，張文朝，趙 峰，王 蒙，趙 偉

大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)送端系統(tǒng)功角穩(wěn)定的影響研究

盛四清1，俞 可1，張文朝2，趙 峰3，王 蒙4，趙 偉3

(1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003；2.北京科東電力控制系統(tǒng)有限責(zé)任公司，北京 100192；3.國(guó)家電網(wǎng)公司華北分部，北京 海淀 100053；4.國(guó)家電網(wǎng)公司西北分部，陜西 西安 710048)

隨著我國(guó)風(fēng)電能源的不斷發(fā)展，大規(guī)模風(fēng)電集中接入電網(wǎng)對(duì)送端系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定的影響問(wèn)題仍然不容忽視。以雙饋型風(fēng)電集中接入受端大系統(tǒng)為分析對(duì)象建立等效模型，并基于雙饋風(fēng)機(jī)的功角特性和暫態(tài)特性展開(kāi)分析。首先，采用單端送電系統(tǒng)同步機(jī)的電磁功率解析表達(dá)式，通過(guò)分析風(fēng)電等出力置換火電出力接入系統(tǒng)對(duì)電磁功率方程的影響推斷出風(fēng)電接入對(duì)同步機(jī)初始功角的影響。其次，通過(guò)負(fù)負(fù)荷接入與風(fēng)電接入兩種接入方式的對(duì)比分析了雙饋風(fēng)機(jī)在故障發(fā)生后有功功率和無(wú)功功率特性對(duì)同步機(jī)電磁功率方程的影響，并基于等面積定則(EAC)分析了雙饋風(fēng)機(jī)接入對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定性的影響。研究結(jié)果表明，風(fēng)電等出力置換火電出力時(shí)同步機(jī)初始功角減小，暫態(tài)穩(wěn)定性升高；雙饋風(fēng)機(jī)的有功功率和無(wú)功功率特性對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定性具有正向作用。最后，通過(guò)仿真驗(yàn)證了理論的正確性，并在實(shí)際電網(wǎng)中得到了驗(yàn)證。

雙饋風(fēng)機(jī)；暫態(tài)功角穩(wěn)定；初始功角；有功恢復(fù)；等面積定則

0 引言

近十年，我國(guó)風(fēng)力行業(yè)迅猛發(fā)展，風(fēng)電的裝機(jī)容量在整個(gè)電網(wǎng)中的占比不斷增加。目前我國(guó)的風(fēng)電主要分布在“三北”地區(qū)和沿海區(qū)域。但其中較多地區(qū)負(fù)荷水平較低，遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，有大量的風(fēng)電還不能夠就地消納，需要遠(yuǎn)距離輸送至華東、華中負(fù)荷中心[1]。采用風(fēng)火打捆的方式將大規(guī)模風(fēng)電集中并入電網(wǎng)，不僅可以有效降低并網(wǎng)后輸電通道有功的大幅波動(dòng)，滿(mǎn)足大規(guī)模輸送能源的基本需求，還可以確保高壓輸電功率穩(wěn)定傳輸，提升了運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性[2]。

當(dāng)前，我國(guó)主流的風(fēng)電機(jī)型是雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)(Doubly Fed Induction Generator, DFIG)。大規(guī)模雙饋風(fēng)電機(jī)組集中接入電網(wǎng)會(huì)對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。目前暫態(tài)穩(wěn)定性研究仍然是風(fēng)火打捆外送工程的主要問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外對(duì)于風(fēng)電并網(wǎng)后系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性大多處于定性研究。

文獻(xiàn)[3-4]探討了雙饋風(fēng)機(jī)的功角特性與同步機(jī)機(jī)械慣量對(duì)系統(tǒng)功角穩(wěn)定性的影響。文獻(xiàn)[5]研究了孤島系統(tǒng)外送系統(tǒng)在不同風(fēng)火打捆比例下失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)性。文獻(xiàn)[6-7]從雙饋風(fēng)機(jī)的調(diào)頻特性出發(fā)，基于等面積定則分析了風(fēng)電比例與下垂系數(shù)對(duì)極限切除角的影響，并理論分析調(diào)頻特性對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響。文獻(xiàn)[8]通過(guò)改進(jìn)DFIG的矢量控制，能有效減少故障期間對(duì)繼電保護(hù)的不利影響。文獻(xiàn)[9]研究了特高壓直流外送在直流雙極閉鎖故障下送端系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性，并推導(dǎo)故障后換流母線(xiàn)暫態(tài)電壓的方程式。文獻(xiàn)[10]提出了一種改善多饋入直流系統(tǒng)連續(xù)換相失敗的策略，并有效提高其協(xié)調(diào)恢復(fù)速度。文獻(xiàn)[11]開(kāi)發(fā)了一種新的直接功率控制(DPC)方法，以便在電網(wǎng)故障期間控制定子功率并幫助風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行。文獻(xiàn)[12]探討了含有限流式SSSC的風(fēng)火打捆系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，通過(guò)建立系統(tǒng)功率特性方程研究了限流式SSSC在不同狀態(tài)下對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的影響機(jī)理。文獻(xiàn)[13-14]基于雙饋風(fēng)機(jī)的功角以及暫態(tài)特性，推導(dǎo)了風(fēng)電接入下系統(tǒng)同步機(jī)功角特性方程，并借助等面積定則分析了風(fēng)電比例對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)特性的影響。文獻(xiàn)[15-17]對(duì)雙饋風(fēng)機(jī)并網(wǎng)控制進(jìn)行仿真建模并分析研究。文獻(xiàn)[18]主要研究風(fēng)機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)在故障清除后同步機(jī)電磁功率與功角的關(guān)系特性。文獻(xiàn)[19]對(duì)雙饋風(fēng)機(jī)有功無(wú)功控制環(huán)節(jié)施加一種控制策略來(lái)提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[20-21]建立雙饋風(fēng)機(jī)功率注入模型，基于直流潮流和擴(kuò)展等面積定則，分析雙饋風(fēng)機(jī)并網(wǎng)后對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定的影響機(jī)理。文獻(xiàn)[22]分析了風(fēng)機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)在直流通道閉鎖后雙饋風(fēng)機(jī)有功恢復(fù)和切除電容器對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響。文獻(xiàn)[23]以系統(tǒng)功角的感知偏差為衡量指標(biāo)，提出對(duì)風(fēng)電接入后系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。

本文基于雙饋風(fēng)機(jī)的暫態(tài)功率輸出特性，建立雙饋型風(fēng)電集中接入受端大系統(tǒng)的等效模型并對(duì)其進(jìn)行分析，并采用單端送電系統(tǒng)同步機(jī)的功角方程表達(dá)式。在此基礎(chǔ)上分析風(fēng)機(jī)等出力置換火電出力接入對(duì)系統(tǒng)電磁功率曲線(xiàn)的影響以及對(duì)同步機(jī)初始功角的影響。其次，通過(guò)負(fù)負(fù)荷接入與風(fēng)電接入兩種方式作對(duì)比，基于DFIG的有功恢復(fù)特性以及無(wú)功補(bǔ)償特性，探討風(fēng)電接入系統(tǒng)對(duì)同步機(jī)功角曲線(xiàn)的影響，并基于等面積準(zhǔn)則(EAC)分析風(fēng)電接入后對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定性的影響規(guī)律。最后，通過(guò)仿真驗(yàn)證得到結(jié)果，同時(shí)也在實(shí)際電網(wǎng)中得到驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)模型

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及等效電路

雙饋型風(fēng)電集中接入受端大系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。送端的火電和風(fēng)電通過(guò)高壓線(xiàn)路傳輸至受端單機(jī)大系統(tǒng)。其中，同步發(fā)電機(jī)采用二階經(jīng)典模型，風(fēng)力發(fā)電機(jī)為雙饋型風(fēng)電機(jī)組，線(xiàn)路以及變壓器只保留電抗[24]。

圖1 風(fēng)火打捆外送典型系統(tǒng)

1.2 雙饋風(fēng)機(jī)暫態(tài)特性分析

雙饋風(fēng)機(jī)作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主流機(jī)型，能夠分別控制有功和無(wú)功，可以更好地調(diào)節(jié)系統(tǒng)，提高穩(wěn)定性。在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，DFIG運(yùn)行在恒功率因數(shù)下，風(fēng)力機(jī)組只向系統(tǒng)輸送有功功率，無(wú)功功率輸出為0；系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí)，故障期間DFIG進(jìn)入低電壓穿越模式，并向系統(tǒng)輸送無(wú)功功率用以支撐；故障結(jié)束后DFIG退出低穿模式，并且有功功率按照一定的速率恢復(fù)。

雙饋型風(fēng)電機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)發(fā)生短路故障，短時(shí)間后故障清除，雙饋風(fēng)電機(jī)組有功、無(wú)功、端電壓暫態(tài)特性參見(jiàn)文獻(xiàn)[24]。

由圖2可知，系統(tǒng)發(fā)生故障前，僅向系統(tǒng)輸出有功功率，無(wú)功功率輸出為0，即W=0，此時(shí)可以將雙饋風(fēng)機(jī)等效為一個(gè)恒定負(fù)電阻。系統(tǒng)發(fā)生故障期間，雙饋風(fēng)機(jī)等效為一個(gè)可變負(fù)電阻和一個(gè)可變負(fù)電抗并聯(lián)在并網(wǎng)口，其值則與并網(wǎng)點(diǎn)的電壓和有功無(wú)功輸出有關(guān)。在故障清除后前期，雙饋風(fēng)機(jī)有功功率快速恢復(fù)，無(wú)功功率維持一定水平并逐漸減小。在故障清除后期，雙饋風(fēng)機(jī)的有功無(wú)功輸出達(dá)到恒定值，與故障前基本一致。

圖2 DFIG暫態(tài)響應(yīng)特性

2 DFIG接入后對(duì)同步機(jī)初始功角的影響

2.1 風(fēng)電接入系統(tǒng)前

單端送電系統(tǒng)同步機(jī)的電磁功率e為

圖3為DFIG接入系統(tǒng)前正常運(yùn)行時(shí)的等效電路圖，此時(shí)系統(tǒng)僅有同步機(jī)組輸出功率，風(fēng)電機(jī)組出力為0。

圖3 純火電系統(tǒng)等效電路圖

此時(shí)同步機(jī)的電磁功率e為

2.2 風(fēng)電接入系統(tǒng)后

DFIG等出力置換火電出力接入系統(tǒng)后正常運(yùn)行時(shí)等效為一恒定負(fù)電阻，如圖4所示。

此時(shí)同步機(jī)電磁功率e如式(2)所示，系統(tǒng)的自阻抗11和互阻抗12分別為

DFIG接入前后送端同步機(jī)的等效內(nèi)電抗d不變，僅是減小同步機(jī)的出力，且同步機(jī)慣量前后也保持不變。由于DFIG與同步機(jī)整體出力前后保持不變，可以推斷出傳輸線(xiàn)路上的功率以及高壓母線(xiàn)電壓基本保持不變。由式(5)、式(6)可以得到

如圖5，DFIG等出力置換火電出力后的功角曲線(xiàn)沿著右下方向移動(dòng)，但由于同步機(jī)的機(jī)械功率減小，反而同步機(jī)的初始功角有所減小。

3 DFIG有功恢復(fù)對(duì)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響

假設(shè)圖1所示系統(tǒng)中高壓傳輸線(xiàn)路的其中一回線(xiàn)路在靠近同步發(fā)電機(jī)側(cè)發(fā)生三相短路故障，故障持續(xù)0.1 s后切除故障線(xiàn)路，傳輸線(xiàn)路轉(zhuǎn)單回線(xiàn)運(yùn)行。在系統(tǒng)故障清除后，DFIG有功恢復(fù)特性由機(jī)組控制系統(tǒng)及參數(shù)決定。由圖2可知，在系統(tǒng)短路故障期間，DFIG發(fā)出的有功功率為零，當(dāng)故障清除后，系統(tǒng)電壓水平驟升，DFIG向系統(tǒng)輸送的有功功率也躍升為Wc，并在一段時(shí)間后逐漸升至額定有功功率水平。下面通過(guò)負(fù)負(fù)荷與DFIG進(jìn)行對(duì)比分析故障清除后DFIG有功恢復(fù)特性對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)特性的影響。

圖5 DFIG等出力替換火電系統(tǒng)前后同步機(jī)功角曲線(xiàn)關(guān)系

3.1 負(fù)負(fù)荷接入系統(tǒng)

在高壓母線(xiàn)上并上一個(gè)負(fù)負(fù)荷相當(dāng)于在并網(wǎng)處并聯(lián)一個(gè)負(fù)的電阻來(lái)模擬DFIG的有功出力。圖6為高壓母線(xiàn)并上負(fù)負(fù)荷的等效電路圖。

圖6 負(fù)負(fù)荷接入系統(tǒng)等效電路圖

在故障期間，高壓母線(xiàn)上的負(fù)負(fù)荷量迅速變成0，在故障清除后迅速恢復(fù)至正常水平。負(fù)負(fù)荷的有功出力在故障前后保持一致。此處，采用負(fù)負(fù)荷與DFIG作對(duì)比可以更好地分析故障后DFIG的有功恢復(fù)特性對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的影響。

3.2 DFIG等出力置換火電出力

圖7為DFIG接入系統(tǒng)故障清除后的等效電路圖。

圖7 故障清除后等效電路圖

由式(11)可知，當(dāng)W減小時(shí)，自阻抗項(xiàng)模值也隨之減小，同步機(jī)電磁功率曲線(xiàn)向上移動(dòng)，有利于系統(tǒng)功角穩(wěn)定。

對(duì)式(7)進(jìn)行分析，互阻抗實(shí)部12以及余角12均大于零，隨著W的減小，12和12也均減小，虛部12保持不變，因此互阻抗|12|也隨之減小，同步機(jī)電磁功率曲線(xiàn)向左上方移動(dòng)，有利于系統(tǒng)功角穩(wěn)定。圖8分別為負(fù)負(fù)荷接入系統(tǒng)和DFIG接入系統(tǒng)在故障清除后電磁功率隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)。

圖8 故障清除后兩種系統(tǒng)的同步機(jī)電磁功率曲線(xiàn)

根據(jù)上文分析可知：

圖9分別為負(fù)負(fù)荷接入系統(tǒng)和DFIG接入系統(tǒng)在故障清除后同步機(jī)功角曲線(xiàn)對(duì)比圖。

圖9 故障清除后兩種系統(tǒng)的同步機(jī)功角曲線(xiàn)

如圖9所示，當(dāng)DFIG接入時(shí)，同步機(jī)最大擺角減小，有利于系統(tǒng)功角穩(wěn)定性。而且DFIG有功恢復(fù)速率越低，系統(tǒng)功角穩(wěn)定性越高。

4 DFIG無(wú)功補(bǔ)償對(duì)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響

由第1章可知，DFIG在故障期間進(jìn)入低電壓穿越模式，并向系統(tǒng)提供無(wú)功支撐，且在故障清除后維持一段時(shí)間?？紤]到DFIG發(fā)出的無(wú)功功率，系統(tǒng)模型如圖7所示，此時(shí)系統(tǒng)的自阻抗11和互阻抗12分別為

DFIG在故障期間以及故障清除后的一段時(shí)間發(fā)出無(wú)功功率，可以視作在高壓母線(xiàn)出并上無(wú)功補(bǔ)償裝置，在故障發(fā)生時(shí)補(bǔ)償無(wú)功，對(duì)高壓母線(xiàn)的電壓幅值a具有提升作用，如圖10所示。

圖10 故障清除后高壓母線(xiàn)電壓幅值

根據(jù)上文的分析可以得到，由于DFIG的無(wú)功補(bǔ)償作用，同步機(jī)電磁功率增加，可以增大系統(tǒng)的最大可用減速面積，從而實(shí)現(xiàn)提高系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定性的作用。由于無(wú)法定量分析W和a共同對(duì)同步機(jī)電磁功率的影響程度，目前只能定性分析DFIG無(wú)功作用對(duì)系統(tǒng)功角穩(wěn)定性的影響。

5 仿真驗(yàn)證

5.1 系統(tǒng)仿真模型

在PSD-BPA仿真軟件中對(duì)圖1雙饋型風(fēng)電集中接入受端大系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，其中：風(fēng)電機(jī)采用額定容量為1.5 MW的典型雙饋電機(jī)模型，總?cè)萘繛? 000 MW；同步機(jī)采用經(jīng)典二階模型，額定容量為7 500 MW。系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

表1 仿真系統(tǒng)參數(shù)

5.2 同步機(jī)初始功角驗(yàn)證

5.2.1風(fēng)電接入系統(tǒng)前

由式(4)、式(5)可以得到發(fā)電機(jī)電勢(shì)為

由式(3)進(jìn)一步得到同步機(jī)的電磁功率為

采用BPA仿真得到同步機(jī)電磁功率方程為

由式(17)、式(18)對(duì)比得到仿真結(jié)果與計(jì)算結(jié)果誤差小于0.1%，說(shuō)明計(jì)算結(jié)果基本準(zhǔn)確。

5.2.2風(fēng)電等出力置換火電出力

由式(4)、式(5)可得到發(fā)電機(jī)電勢(shì)為

與純火電系統(tǒng)的功角相比減少了1.5°。此時(shí)，可由式(2)和式(6)、式(7)得到同步機(jī)電磁功率為

在不同同步機(jī)組有功出力和不同風(fēng)電有功出力下，同步機(jī)初始功角對(duì)比結(jié)果如表2所示。

表2 不同運(yùn)行狀況下的同步機(jī)初始功角

表2中1、2兩組數(shù)據(jù)表明，保持風(fēng)火總出力不變，同步機(jī)初始功角隨著風(fēng)電比例的增加呈一定線(xiàn)性比例減小，且計(jì)算值和仿真值基本吻合，可以根據(jù)風(fēng)電出力的改變較為準(zhǔn)確地量化同步機(jī)初始功角的變化。

5.3 系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定程度驗(yàn)證

表3 不同接入比例下的計(jì)算結(jié)果

表3結(jié)果表明，DFIG接入系統(tǒng)后，加速面積為接入前的(1-2)倍，隨著風(fēng)電比例的最大減速面積按一定比例增大，同步機(jī)最大擺角也按一定比例減小。對(duì)比不同組號(hào)相同的接入比例，加速面積不變，接入DFIG時(shí)的最大減小面積較大，最大擺角較小?？梢缘贸?，由于DFIG存在有功恢復(fù)特性以及無(wú)功補(bǔ)償特性，系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定水平有所提高。

5.4 實(shí)際應(yīng)用

本文仿真模型已經(jīng)在華北某實(shí)際電網(wǎng)中得到了驗(yàn)證。在一個(gè)實(shí)際的火電容量為7 300 MW，風(fēng)電容量為7 000 MW的風(fēng)火打捆交直流外送系統(tǒng)中，雙饋型風(fēng)電機(jī)組是主要的風(fēng)力發(fā)電機(jī)且閉鎖直流通道僅采用交流通道外送。交流送出極限在風(fēng)電出力占額定容量的30%時(shí)(風(fēng)電滲透率為28.2%)，提高了37.2%；當(dāng)風(fēng)電出力占額定容量的50%時(shí)(風(fēng)電滲透率為41.1%)，提高了57.1%?？梢砸?jiàn)得：當(dāng)風(fēng)電出力不超過(guò)總?cè)萘?0%時(shí)，系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定水平與風(fēng)電接入比例呈正比；當(dāng)風(fēng)電容量超過(guò)50%之后，系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性變化還需要進(jìn)一步研究。

6 結(jié)論

本文在基于含風(fēng)電的受端大系統(tǒng)中，分析了風(fēng)電等出力置換同步機(jī)出力的接入方式對(duì)同步機(jī)功角特性方程的影響，并基于等面積定則分析了風(fēng)機(jī)在故障清除后有功功率特性以及無(wú)功功率特性對(duì)同步機(jī)暫態(tài)功角穩(wěn)定性的影響?，F(xiàn)有結(jié)論如下：

1) 雙饋型風(fēng)電機(jī)組等出力置換同步機(jī)出力接入系統(tǒng)后，同步機(jī)功角曲線(xiàn)將向右下方向移動(dòng)。且同步機(jī)初始功角隨風(fēng)電比例的增加呈一定線(xiàn)性比例減小。

2) 雙饋型風(fēng)機(jī)等出力置換同步機(jī)出力時(shí)，DFIG的有功慢恢復(fù)特性增加了系統(tǒng)的減速面積，提高了系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性。

3) 雙饋型風(fēng)機(jī)等出力置換同步機(jī)出力時(shí)，DFIG在系統(tǒng)故障后的無(wú)功功率支撐提升了高壓母線(xiàn)的電壓，同時(shí)也增加了系統(tǒng)的減速面積，提高了系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性。

[1] 趙云灝, 夏懿, 周勤勇, 等. 風(fēng)火打捆直流外送系統(tǒng)的直流系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償裝置協(xié)調(diào)控制策略及配置方案[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2016, 40(7): 2081-2086.

ZHAO Yunhao, XIA Yi, ZHOU Qinyong, et al. Coordinated control strategy and configuration scheme of RPCD of DC system for wind-thermal-bundled power transmission[J]. Power System Technology, 2016, 40(7): 2081-2086.

[2] 王樹(shù)東, 王闊, 高翔, 等. 風(fēng)電比例對(duì)風(fēng)火打捆系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性影響[J]. 工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置, 2016(3): 10-13, 63.

WANG Shudong, WANG Kuo, GAO Xiang, et al. Influence of proportion of wind power to wind-thermal bundled system transient stability[J]. Industrial Instrumentation & Automation, 2016(3): 10-13, 63.

[3] 李生福, 張愛(ài)玲, 李少華, 等. “風(fēng)火打捆”交直流外送系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定控制研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2015, 43(1): 108-114.

LI Shengfu, ZHANG Ailing, LI Shaohua, et al. Study on transient stability control for wind-thermal-bundled power transmitted by AC/DC system[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(1): 108-114.

[4] 林俐, 楊以涵. 基于擴(kuò)展等面積定則的含大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2012, 40(12): 105-110, 115.

LIN Li, YANG Yihan. Analysis of transient stability of power system including large scale wind power based on the extended equal area rule[J]. Power System Protection and Control, 2012, 40(12): 105-110, 115.

[5] 沙志成, 王艷, 鄭帥. 風(fēng)火打捆比例對(duì)直流孤島系統(tǒng)穩(wěn)定性影響的研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2017, 45(14): 148-154.

SHA Zhicheng, WANG Yan, ZHENG Shuai. Study on the effect of wind-thermal installed capacity ratio on the stability of DC islanded system[J]. Power System Protection and Control, 2017, 45(14): 148-154.

[6] 趙偉, 張雪娟, 吳水軍, 等. 雙饋風(fēng)機(jī)調(diào)頻特性對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定性的影響[J]. 電機(jī)與控制應(yīng)用, 2020, 47(6): 110-118.

ZHAO Wei, ZHANG Xuejuan, WU Shuijun, et al. Influence of frequency-modulation characteristics of doubly-fed induction generator on transient power-angle stability of power system[J]. Electric Machines and Control Application, 2020, 47(6): 110-118.

[7] 張雪娟, 束洪春, 孫士云, 等. 雙饋風(fēng)機(jī)參與系統(tǒng)調(diào)頻對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定性的影響分析[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2021, 49(2): 18-29.

ZHANG Xuejuan, SHU Hongchun, SUN Shiyun, et al. Effect analysis of a doubly-fed induction generator participating in system frequency modulation on system transient power angle stability[J]. Power System Protection and Control, 2021, 49(2): 18-29.

[8] 于淼, 湯亞芳, 黃亦欣, 等. 雙饋風(fēng)機(jī)控制方式對(duì)繼電保護(hù)影響的研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2020, 48(2): 180-187.

YU Miao, TANG Yafang, HUANG Yixin, et al. Research on the influence of control mode of DFIG on relay protection[J]. Power System Protection and Control, 2020, 48(2): 180-187.

[9] 李欣悅, 李鳳婷, 尹純亞, 等. 直流雙極閉鎖故障下送端系統(tǒng)暫態(tài)過(guò)電壓計(jì)算方法[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2021, 49(1): 1-8.

LI Xinyue, LI Fengting, YIN Chunya, et al. Transient overvoltage calculation method of HVDC sending-end system under DC bipolar blocking[J]. Power System Protection and Control, 2021, 49(1): 1-8.

[10] 張偉晨, 熊永新, 李程昊, 等. 基于改進(jìn)VDCOL的多饋入直流系統(tǒng)連續(xù)換相失敗抑制及協(xié)調(diào)恢復(fù)[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2020, 48(13): 63-72.

ZHANG Weichen, XIONG Yongxin, LI Chenghao, et al. Continuous commutation failure suppression and coordinated recovery of multi-infeed DC system based on improved VDCOL[J]. Power System Protection and Control, 2020, 48(13): 63-72.

[11] MENSOU S, ESSADKI A, NASSER T, et al. A direct power control of a DFIG based-WECS during symmetrical voltage dips[J]. Protection and Control of Modern Power Systems, 2020, 5(1): 36-47.

[12] 李娟, 李方媛, 王鵬, 等. 限流式SSSC提高DFIG型風(fēng)火打捆系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析[J]. 電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào), 2021, 33(5): 68-76.

LI Juan, LI Fangyuan, WANG Peng, et al. Analysis of improving transient stability of DFIG type wind-thermal binding system by current-limiting SSSC[J]. Proceedings of the CSU-EPSA, 2021, 33(5): 68-76.

[13] 王清, 薛安成, 鄭元杰, 等. 雙饋型風(fēng)電集中接入對(duì)暫態(tài)功角穩(wěn)定的影響分析[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2016, 40(3): 875-881.

WANG Qing, XUE Ancheng, ZHENG Yuanjie, et al. Impact of DFIG-based wind power integration on the transient stability of power systems[J]. Power System Technology, 2016, 40(3): 875-881.

[14] 于強(qiáng), 孫華東, 湯涌, 等. 雙饋風(fēng)電機(jī)組接入對(duì)電力系統(tǒng)功角穩(wěn)定性的影響[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2013, 37(12): 3399-3405.

YU Qiang, SUN Huadong, TANG Yong, et al. Impact on angle stability of power system with doubly fed induction generators connected to grid[J]. Power System Technology, 2013, 37(12): 3399-3405.

[15] 員超, 張新燕. 雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)建模與仿真[J]. 電機(jī)技術(shù), 2007(6): 1-5.

YUAN Chao, ZHANG Xinyan. Modeling and simulating the doubly-fed induction generator in wind turbines linked with power systems[J]. Electrical Machinery Technology, 2007(6): 1-5.

[16] 羅秀華. 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)控制研究[J]. 黑龍江科學(xué), 2020, 11(14): 68-69.

LUO Xiuhua. Research of grid-connected control of doubly-fed wind generator[J]. Heilongjiang Science, 2020, 11(14): 68-69.

[17] 張冬冬, 韓順杰, 于佳文, 等. 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行控制及仿真[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用, 2018(16): 10-12.

ZHANG Dongdong, HAN Shunjie, YU Jiawen, et al. Grid-connected operation control and simulation of doubly-fed wind turbine[J]. Technology Innovation and Application, 2018(16): 10-12.

[18] 羅煦之, 易俊, 張健, 等. 結(jié)合DFIG功率特性研究風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)功角穩(wěn)定性的影響[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2015, 39(12): 3401-3407.

LUO Xuzhi, YI Jun, ZHANG Jian, et al. Research on influence of integrated wind plants on power angle stability based on output characteristic of DFIG[J]. Power System Technology, 2015, 39(12): 3401-3407.

[19] 徐超, 盧錦玲, 張潔, 等. 提高雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的控制策略[J]. 電工電能新技術(shù), 2015, 34(6): 45-51.

XU Chao, LU Jinling, ZHANG Jie, et al. Control strategy for transient stability improvement of doubly-fed wind power generation system[J]. Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy, 2015, 34(6): 45-51.

[20] 湯蕾, 沈沉, 張雪敏. 大規(guī)模風(fēng)電集中接入對(duì)電力系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定性的影響(一): 理論基礎(chǔ)[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2015, 35(15): 3832-3842.

TANG Lei, SHEN Chen, ZHANG Xuemin. Impact of large-scale wind power centralized integration on transient angle stability of power systems-part I: theoretical foundation[J]. Proceedings of the CSEE, 2015, 35(15): 3832-3842.

[21] 湯蕾, 沈沉, 張雪敏. 大規(guī)模風(fēng)電集中接入對(duì)電力系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定性的影響(二): 影響因素分析[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2015, 35(16): 4043-4051.

TANG Lei, SHEN Chen, ZHANG Xuemin. Impact of large-scale wind power centralized integration on transient angle stability of power systems-part II: factors affecting transient angle stability[J]. Proceedings of the CSEE, 2015, 35(16): 4043-4051.

[22] 張炎, 丁明, 韓平平, 等. 直流閉鎖后風(fēng)電送端系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定及控制策略研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(17): 3714-3726.

ZHANG Yan, DING Ming, HAN Pingping, et al. Study on the transient stability and control schemes of the sending-end system involving wind power after UHVDC block[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(17): 3714-3726.

[23] 何廷一, 李勝男, 吳水軍, 等. 大規(guī)模風(fēng)電接入對(duì)電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)的影響研究[J]. 電測(cè)與儀表, 2017, 54(20): 17-22.

HE Tingyi, LI Shengnan, WU Shuijun, et al. Study on the influence of large-scale wind power integration on power system transient stability risk[J]. Electrical Measurement & Instrumentation, 2017, 54(20): 17-22.

[24] WANG Qing, XUE Ancheng, BI Tianshu, et al. Impact of DFIG-based wind farm on transient stability of single machine infinite bus system[C] // The 5th IEEE PES Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference (APPEEC), December 8-11, 2013, Hong Kong, China: 1-6.

Influence of large-scale wind power grid connection on the power angle stability of the sending end system

SHENG Siqing1, YU Ke1, ZHANG Wenchao2, ZHAO Feng3, WANG Meng4, ZHAO Wei3

(1. School of Electrical & Electronic Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China;2. Beijing Kedong Power Control System Limited Liability Company, Beijing 100192, China;3. North China Branch of State Grid Corporation of China, Beijing 100053, China;4. Northwest Branch of State Grid Corporation of China, Xi’an 710048, China)

With the continuous increase of the scale of wind power in China, it is important to look at the mechanism of the influence of large-scale wind power centralized access to the power grid on the transient power angle stability of the transmission system. An equivalent model is established as the research object for the centralized connection of the doubly-fed wind power to the large receiving end system. The analysis is carried out based on the transient characteristics and low voltage ride-through characteristics of the doubly-fed wind turbine. First, we adopt the electromagnetic power analysis expression of the synchronous machine of the single-ended power transmission system, and infer the influence of wind power connection on the initial power angle of the synchronous machine by analyzing the influence of wind power equivalent output replacement thermal power access system on the electromagnetic power equation. Secondly, through the comparison of the two access methods of negative load and wind power access, the influence of the active power and reactive power characteristics of the doubly-fed wind turbine on the electromagnetic power equation of the synchronous machine after the fault occurs is analyzed. Based on the equal area rule (EAC), the influence of the doubly-fed fan connection on the system transient power angle stability is analyzed. The results show that when wind power is equivalent to replacing thermal power output, the initial power angle of the synchronous machine decreases, and the transient stability increases; the active power and reactive power characteristics of the doubly-fed fan have a positive effect on the transient power angle stability of the system. Finally, the correctness of the theory is verified by simulation, and it is verified in the actual power grid.

This work is supported by the Science and Technology Project of the Headquarters of State Grid Corporation of China (No. 5100-202116005A-0-0-00).

doubly fed induction generator (DFIG); transient power angle stability; initial power angle; active recovery; equal-area criterion

10.19783/j.cnki.pspc.210687

國(guó)家電網(wǎng)公司總部科技項(xiàng)目資助(5100-202116005A-0-0-00)

2021-06-09；

2021-09-02

盛四清(1965—)，男，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析控制；E-mail: sqsheng@ncepu.edu.cn

俞 可(1997—)，男，通信作者，碩士研究生，研究方向電力系統(tǒng)分析與控制；E-mail: 185409102@qq.com

張文朝(1978—)，男，博士，碩士生導(dǎo)師，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)分析與控制方面的研究工作。E-mail: zwenchao72@126.com

(編輯 葛艷娜)