风电水电互补电力系统稳定性分析与计算

风电——水电互补电力系统稳定性分析与计算

摘要

本文介绍了含风力发电的风电一水电互补电力系统如何处理风力发电参数，进行稳定性分析与计算的方法，并结合新疆阿勒泰地区布尔津风电一水电互补电力系统计算实例验证其方法的正确性及可行性。

引言

近年来，由于当代科学技术的发展，加之能源短缺和环境保护等方面的影响，人类正在致力于寻找可再生的，取之不尽，用之不竭又是洁净的绿色能源，而水能与风能是绿色能源中最有发展潜力和前景的品种。同时水能与风能又都容易转化为能源的更高级形式一电能，其经济效益显著。

由于风力资源的随机性和季节性使风力发电的出力不平稳，风力发电不具备有功调节和无功调节的能力。风电的缺点也就是无风就无电，影响到风电的连续及稳定性。为了解决风电的连续性和稳定性问题就需要有一个互补系统。

在我国西北、华北、东北等内陆风区，风资源的季节分布特色大多为冬春季风大、夏秋季风小，与水能资源夏秋季丰水、冬春季枯水的季节分布正好形成互补特性，这是构建风能一水能互补系统的基础条件。如果在上述地区内，以带有蓄水调节水库的水电站为依托，在风资源丰富的地点建设适当容量的风电场，两者以电网连接实现季节性能量互补，以水库做为能源调剂手段，就能够实现风能与水能这两种最佳绿色能源的联姻，充分发挥绿色能源的优势，以风一水联手供电取代传统的水一火联合供电，这将是人类能源利用形式的历史性突破。由于阿勒泰地区的风资源和水资源具有极强的互补性，更由于阿勒泰地区具有较大的水电装机容量，而且其中有三个电站带有库容可观的调节水库，因此在该地区突破传统限制，在风电装机大大超出电网容量10％的条件下建设水电一风电互补系统，在技术上和经济上都是可行的。在我国类似阿勒泰那样资源条件的地区还有很多，都可以构建水电一风电互补系统解决供电问题，这将是对现有禁区的重要突破，有可能为阿勒泰及有类似条件地区的电源建设找到一条最为多快好省的途径。

1问题的提出

在电力系统中，传统的发电方式为水力发电和火力发电，一般均为同步电机。目前，风力发电这一新成员加入电网，一般都采用电容励磁感应异步发电机。使其分析计算复杂化。风电的加入使电网的稳定性受到影响。对风力发电机如何给定运行条件，如何建立数学模型、如何确定参数，是进行含风力发电的风电一水电互补电力系统静态和暂态及动态稳定性分析和计算的关键。本文介绍了含风力发电的风电一水电互补电力系统如何处理风力发电参数，进行稳定计算的方法。

2风力发电机的处理

电力系统是由发电厂、输电网络及电力负荷三大部分组成的能量生产、传输和使用系统。在过去的几十年间，同步发电机(水轮发电机或汽轮发电机)、输电网络及负荷的稳定计算已经成熟。只有风力发电技术在国内外都属于研究阶段，建立适合潮流计算、暂稳、动稳和静稳

计算的风机数学模型的有关文献不多，大家都在各抒其见。为此作者提出一种风力发电机处理方法。

从风机发电原理可知，当风机并网运行时，所发有功功率的大小只与风速有关，而与负荷变化无关。当电网电压、有功功率和无功功率变化时，只能由电网的同步发电机所配励磁系统和调速系统调节。异步发电机所配的气动设备和能量传递装置是不参与调节的。因此风力发电机整体是一个像负荷一样的干扰源，随风速变化而干扰电网电压的恒定和功率的平衡，使其波动。因此，在电力系统中，水火同步发电机，励磁系统、调速系统，风力异步发电机、负荷及电力网络组合成一个整体数学模型，如图1所示。

框图中水力发电机和火力发电机是被控对象，励磁调节系统、调速系统是控制器，输电线路和变压器用电阻、电容、电感等值电路来模拟，风力发电机和负荷相当于干扰源，当系统遭受到小扰动时，如负荷的变化、风速的变化，使风力发电机发出的电能忽多忽少，同步发电机端口处的参数发生改变，通过检测反馈环节与希望值比较产生偏差，水电、火电励磁调节系统及调速系统迅速调节，使得端口参数维持稳定，实现稳定供电。当系统遭受到大干扰，如风速过高或过低，风力发电机的控制器动作，使全部风力发电机从网上切除，同步发电机端口处的参数将发生大的改变，水电、火电励磁调节系统及调速系统也应迅速调节，使得端口参数维持稳定，实现稳定供电。若风机容量太大，将使系统瓦解，损失惨重，在实际运行中是不允许的。

在电力系统遭受扰动后的暂态过程中，风力异步发电机的电压和频率将不断发生变化。所发出的功率也将随之改变。因此，异步发电机按其原理可从恒定阻抗、电磁暂态、机电暂态和机械暂态及静特性角度建立静态和动态模型。

3风力发电系统数学模型的建立与仿真

3．1潮流计算用模型。

在电力系统潮流计算中，风力发电机为异步发电机，吸收无功功率，发出有功功率，S—P～jQ，其特性类似于负荷，节点功率随电压和频率变化不可调。不同的是负荷既吸收无功功率也吸收有功功率，S=一P—jQ。因此含风力发电机的节点相当于PQ节点，按潮流计算中PQ 节点处理参加迭代计算，为了用户方便，我们编制的潮流计算程序只需用户输入正值的P 和Q，由计算机自动添加负号。对风力发电机的PQ节点来说，P¨Q；，是给定的，可列出功率方程为：3．

2恒定阻抗模型

风力异步发电机若只考虑功率随电压变化的特性，则最简单的特性模拟方法是采用恒定阻抗。即根据正常运行方式下风力异步发电机的出口端电压Vr。和功率st。=一PmjQ…用下式求出恒定阻抗：3．

3电磁及机电暂态模型

对于异步发电机，通过一些基本假定，可以列出其abc坐标系下的基本方程，然后，通过Park变换将其转换到(以同步转速旋转的)dqo坐标系。

风力发电机按定子绕组电压平衡方程和转子绕组电磁暂态方程和转子运动方程可得一组非线性方程，在各个运行参数稳态值附近线性化后其状态方程如下：

3．4机械暂态模型

在上述机电暂态模型基础上，进一步忽略转子暂态，即忽略所有电磁暂态，只考虑机械暂态过程中滑差变化的影响，即可得机械暂态模型。即滑差变化时T型等值电路的等值阻抗值为：

(1)根据自动控制理论的稳定性判据，即一个连续系统的所有极点都位于左半S平面(状态方程的根都具有负实部)，则该系统是稳定的，该线性化数学模型的状态方程的特征根为：所以该系统是稳定的。

(2)风电系统风速为随机输入(由于实际风速也是随机的)，其仿真曲线图4～图6与实际单台风力发电机的出力曲线(实测)很相似。风速大其出力也大，风速小其出力也小。可见风速对风力机的性能有非常大的影响，风速是系统的主要扰动源。电网电流扰动对系统的影响相对来说较小。

4水力发电系统数学模型

电力系统稳定计算中采用的同步电机数学模型，包括转子运动方程、电流电压方程以及电磁暂态过程方程三部分。励磁调节系统数学模型考虑可控硅调节器的励磁调节系统、复式励磁装置及相位复式励磁装置三种。

原动机及调速系统数学模型考虑汽轮机调速系统和水轮机调速系统两种。(上述模型略) 5风力发电系统稳定计算‘

根据以上分析原理，我们应用高级计算机语言编制的程序对新疆阿勒泰地区布尔津县风电水电联网系统进行了潮流、静稳及暂稳计算。布尔津电网目前主要由托洪台水电站供电，装机2×2000l×2500：6500千瓦。电站建于布尔津河上，有一个库容8060万立方米、可调库容为5794万立方米的调节水库。同时已建成运行有7×150=1050千瓦的风电场与水电并网运行。

布尔津电网1、2号发电机均为2000千瓦水轮发电机，这两台水轮发电机并联后接升压变压器向网上送电。3号发电机为2500千瓦水轮发电机，该发电机直接与升压变压器联接向网上送电。同步发电机所配励磁调节系统为可控硅型。所配频率调速系统为水轮机调速器。4～10号发电机为风力发电机。电网共18个节点，19条支路，其具体参数略。

5．1潮流计算结果

风力发电机的节点号为4号。有功功率P显示为正值，无功功率Q显示为负值。

由(1)式参与潮流迭代计算。在潮流计算结果输出时，为了直观，将有功功率输出值列在发电机发出功率一栏，而将无功功率输出值列在负荷吸收功率一栏。如图7所示。4号节点的有功功率在发电功率栏，无功功率在负荷功率栏。

5．2暂稳计算结果

暂态稳定的计算中，由于暂态过程在2秒以内，水、火同步发电机不考虑原动机和调速系统的作用，也忽略励磁调节系统的影响而假定同步发电机暂态电势保持不变；而风力异步发电机在稳定计算中类似于负荷，按随机干扰源来处理。因此风力发《机应用异步发电机机械暂态过程原理确定数学模型，负荷采用恒定阻抗模拟，采用改进欧拉法来求解水、火同步发电机和结果分析

以1号发电机作为参考轴，则3号发电机与1号发电机之间相对角度为d。～S。，画出此相对角度在O秒到3秒时间内的变化曲线如图8所示。

(1)针对布尔津风水互补电网，风电占布尔津县总装机容量的12．5％，系统不计励磁和调

速系统作用，是暂态稳定的。

(2)布尔津风水互补电网风电装机超过10％，系统暂态稳定，那么风电比例是否可以增加，其最佳装机比例应为多少，有待进一步研究分析。

(3)暂态过程超过2秒以后为动态稳定计算，需计及励磁和调速系统作用，同步发电机暂态电势E’不恒定，需增加6阶微分方程，风力异步发电机也应采用电磁暂态模型，此时风电系统的动态稳定性有待进一步分析。

(4)本程序为风电系统在遭受扰动1～2秒内忽略励磁和调速系统作用的暂态稳定计算程序，对任何风电系统具有通用性，因此可广泛应用于风电系统的暂态稳定性分析。

(5)布尔津电网只是一个算例，其风电装机比例超过10％仍是暂态稳定的，在其它风电系统是否通用，还需大量算例加以考证。

5．3静稳计算结果

a．不计励磁及调速系统同步发电机按某一内电势保持恒定来模拟，不计其电磁暂态过程和励磁调节系统作用，不考虑原动机调速系统的影响，负荷和风力发电机按恒定阻抗计算，应用小振荡法原理及劳斯稳定判据判稳原理进行稳定计算。静稳计算结果如图9所示。

结果分析

结论：由以上计算结果可知系统是静态稳定的。

分析：(1)每台发电机有和S两阶模型；含三台水轮发电机的系统数学模型应是6阶。按Pz=入得3阶特征方程，可求出3个特征根，要使系统稳定。据原理分析应有一个零根，2个负根，劳斯阵列第一列应有3个正值元素。

(2)表1是劳斯稳定判据中第一列的系数，从表1可知4个元素均为正值。按劳斯稳定判据原理判定系统是稳定的。

(3)表2为状态方程特征根值。从表2可知：三个特征根有一个零根，有二个实部为负值的特征根。按小振荡法原理判定系统是稳定的。

(4)由于本例系统中3台水轮发电机不计励磁、不计调速器作用，在此假设下进行的静态稳定计算，其特征根为两个负实根入，据式P。=入，则P的值为共轭虚根，说明系统等幅振荡，在实际运行中系统出现小扰动后，水轮机的励磁、调速系统将进行调节，此时特征根可能向负实轴偏移，并可能出现衰减振荡，并有一定的稳定储备，系统静态稳定特性得到改善。b．计励磁及调速系统

同步发电机两台按普通机来模拟，不计其电磁暂态过程和励磁调节系统作用，不考虑原动机调速系统的影响，另一台按特种机来模拟，计其电磁暂态过程和励磁调节系统作用。考虑原动机调速系统的影响。风力发电机按随机静特性模拟，负荷按恒定阻抗计算，应用小振荡法原理进行稳定计算。

结果分析：

(1)布尔津电网三台水力同步发电机由于两台按普通机来模拟，阶数为2×2=4阶，一台按特种机来模拟，阶数为ll阶，考虑一台的功角作参考轴，因此全系统阶数为2×211—1=14阶。特征值为14个。

(2)14个特征值中有六个为零根，其余为负数的实根。说明系统稳定，但处于稳定边界。

(3)布尔津风水互补电网，风电占布尔津县总装机容量的12．5％，超过10％，系统计励磁和调速系统作用，仍是静态稳定的。

(4)风力发电机按风速随机变化的静特性模拟，系统静态稳定，按机电和电磁暂态过程模拟的静稳计算需进一步编程分析研究。