大容量风电场接入电网的暂态稳定特性和调度对策研究
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风电场接入系统的容量受多种因素的影响，没 有统一的算法和规范。我国电网结构相对薄弱，风 电场地理位置一般又比较偏远，在风电场接入系统 时，应重点研究静态安全性和动态稳定性等系统安 全稳定问题。风电比例大时，需要考虑电网调频、 调峰能力对风电随机特性的忍受能力，尤其在电网 规模较小时。文献[1-18]分别从静态安全性和动态稳 定性方面研究了与风电场有关的问题。其中，文 献[1]在简化异步发电机稳态等效电路的基础上，通 过修正雅克比矩阵，实现了含风电场的潮流联合迭 代算法；文献[2]在风电场稳态分析模型中考虑了尾 流效应，并将异步风力发电机的滑差修正量引入到
学科分类号：470⋅40
大容量风电场接入电网的暂态稳定 特性和调度对策研究
张红光 1，张粒子 1，陈树勇 2，安 宁 2
（1．华北电力大学，北京市 昌平区 102206；2．中国电力科学研究院，北京市 海淀区 100085）
Studies on the Transient Behavior and Dispatching Strategy of Power System
1 异步风力发电系统动态模型
1.1 风力机动态特性的数学模型
风力机主要由叶片、轮毂和齿轮箱等中间传动
装置构成，在分析风电系统电气部分的动态特性时，
可以对风力机作一定的简化。由于叶片和轮毂具有
较大的转动惯量，风能从叶片通过轮毂到达发电机
处做功具有一定的时滞，此现象可用一阶惯性环节
来模拟，风力机从风速到发电机的传递函数关系如
目前相关的研究工作主要集中在建模和对模型 的验证工作上，在考虑风电场接入实际大电网的安 全性和稳定性问题上尚缺乏系统的研究，尤其缺少 与风电场相关的调度运行方面的深入探讨，在确定 风电场接入系统容量时常采用比较粗略的指标，甚 至只考虑电网的静态安全约束，而不考虑系统在承 受大扰动情况下的动态安全要求。本文建立了异步 风力发电机组动态模型并应用于我国电力系统计算 分析工具，依据《电力系统安全稳定导则》，结合内 蒙古电网实际情况，研究了风电场接入电网后对系 统安全稳定的影响，提出了保证电网和风电场安全 稳定运行的风电场安全容量的概念和计算方法，从 电网实际运行的角度提出了通过调度对策和预防矫 正措施提高风电场接入系统容量的方法。
46
中国电机工程学报
第 27 卷
雅克比矩阵中；文献[3]提出了多时段动态优化潮流 模型，以适应风速的随机性和间歇性；文献[4]应用 常规潮流算法，通过 PV 曲线分析风电场功率波动 时的电压信息；文献[5]建立了异步发电机的稳态数 学模型，通过潮流计算，应用 PV 曲线确定满足静 态安全的风电场功率；文献[6]采用优化算法，将风 电准入功率归结为静态安全约束下的风力发电最大 化问题；文献[7]在文献[6]的基础上，在约束条件中 考虑了风速的随机特性；文献[8]应用遗传算法提出 了确定风电场并网点处电容器补偿的分组和控制方 法；文献[9]应用线性规划方法，对用仿真程序求解 风电穿透功率过程进行了修正；文献[10]说明风电 机组对电网的动态特性产生影响；文献[11]说明国 外风电场接入电网时需要进行动态稳定计算，并介 绍了风电机组仿真建模的研究方向；文献[12]在风 速统计特性研究的基础上，用自回归滑动平均方法 建立了具有一定功率谱密度特性的风速模型；文献 [13]用等效集中质量法和动力学方程建立了双馈感 应发电机包含机械传动链动态的轴系模型，与发电 机方程组成 8 阶微分方程；文献[14]建立了变速恒 频双馈风力发电机组、变频器及其控制系统的动态 模型；文献[15]建立了异步风力发电机动态模型； 文献[16]采用最小二乘法，提出基于同步发电机传 递函数概念的多台异步发电机的等值方法；文献[17] 建立了异步和双馈两种风电机组的动态模型，通过 对含有高比例风电容量的西班牙电网的计算，说明 必须考虑电网发生故障后风电机组脱网对电网安全 稳定控制的影响；文献[18]建立了异步风力发电机 组的小干扰稳定分析模型。
Vw < Vci或Vw ≥ Vco − Vc3i ) Vci ≤ Vw < Vr
(1)
⎪ ⎩
Pr
Vr ≤ Vw < Vco
式中： Pr 为风力机额定输出功率；Vci 为切入风速；
Vco 为切出风速；Vr 为额定风速。
Pw
Vw
Pw
1
Pm
Vw
1+Twp
图 1 风力机模型 Fig. 1 Wind turbine model
KEY WORDS: power system; wind power generation; transient stability; security capacity; power system dispatching
摘要：给出了异步风力发电机组的动态仿真数学模型和含风 电场的电力系统暂态稳定分析方法，与国内大型电力系统分 析软件相联接，实现了含风电场的电网动态稳定分析及其工 程应用。结合风电场接入系统实例，分析了大容量风电场接 入系统后电网的暂态稳定特性，提出了保证风电场和电网安 全稳定运行的风电场安全容量的概念。探讨了通过控制负荷 侧功率因数、采取动态无功补偿装置、加强网架结构、故障
后切除风电机组等措施改善电网暂态稳定水平、提高风电场 安全容量的办法。通过计算风电场不同开启容量下最大可调 出力及对应风速的关系，提出了风电场接入系统后的电网调 度对策，采取该调度策略，可以提高风电场的接入系统容量。
关键词：电力系统；风力发电；暂态稳定；安全容量；电网 调度
0 引言
随着风力发电技术的快速发展，风电场的规模 不断扩大，与小型风电场不同，大型风电场一般都 经过两级变压后，直接接入高压输电网，风电场对 电网的影响已从简单的局部电压波动、谐波污染等 电能质量问题发展到对电网动态稳定、调频调压、 经济调度等方面的影响。因此，含风电场的电力系 统暂态稳定分析和调度策略研究不但具有理论意 义，而且具有实用价值。
(3)
其中，
x′
=
xs
+
xr xm xr + xm
(4)
式中：Us 、 Is 、rs、xs 为异步发电机定子电压、电 流、电阻和电抗；xr、xm 为转子电抗和激磁电抗； x′、
E′ 为异步发电机的暂态电抗和暂态电势。
异步发电机转子电磁暂态过程方程为
Td′0 pE ′ = −E ′ − j(x − x′)Is − j2πf0sTd′0 E ′ (5)
第 31 期
张红光等： 大容量风电场接入电网的暂态稳定特性和调度对策研究
47
x = xs + xm
(6)
式中：T′d0 为定子绕组开路时转子绕组的时间常数，
p 为微分算子。
异步风力发电机输出的电磁功率为
Pe = Re (E ′ ⋅ I∧s )
(7)
以上方程构成了异步风力发电机组的机电暂态
方程，从式(2)可见，异步发电机的动态行为最终体
锡林郭勒
第 27 卷 第 31 期 2007 年 11 月
文章编号：0258-8013 (2007) 31-0045-07
中国电机工程学报 Proceedings of the CSEE
中图分类号：TM 71 文献标识码：A
Vol.27 No.31 Nov. 2007 ©2007 Chin.Soc.for Elec.Eng.
1.2 异步发电机转子运动方程 异步发电机的转子运动方程有如下形式
Tj
ds dt
=
Pe − 1−
Pm s
(2)
式中：Pm、Pe 为异步发电机的机械功率和电磁功率； s、Tj 为异步发电机的滑差和惯性时间常数。 1.3 异步发电机电磁暂态过程方程
以同步旋转坐标为参考的异步发电机定子电压
方程为
Us = −(rs + jx′)Is + E ′
百度文库
现在动态过程中异步发电机电磁功率与机械功率的
相互关系，电磁功率反映了动态过程中发电机各电
气量间的相互关系，机械功率反映了原动机随风速
的变化特性。
2 电网及计算条件
2.1 电网 以内蒙古电网包头地区达茂风电场为例，进行
电网暂态特性计算分析。内蒙古电网结构如图 2 所 示，其中，包头电网是以 220 kV 线路为主干网架的 双环网结构。达茂风电场 10 m 高处年平均风速 5.0~6.5 m/s，年有效风速时数 6 500~7 000 h，属风 能丰富地区，但风电场地理位置偏远，与主系统联 系薄弱，经 220 kV 望海—红塔—固北单回长距离输 电线路接入包头 220 kV 环网中的沙河变电站，线路 总长度约为 176km，见图 3。
Integrated With Large Scale Wind Farms
ZHANG Hong-guang1, ZHANG Li-zi1, CHEN Shu-yong2 , AN Ning2
(1. North China Electric Power University, Changping District, Beijing 102206, China; 2. China Electric Power Research Institute, Haidian District, Beijing 100085, China)
ABSTRACT: The dynamic model of induction wind generators and the dynamic stability analysis method of power system with wind farms were presented, the engineering application was realized through the integration of the model and the method with the power system analysis software widely used in China. Combining a typical example, the transient behavior of the power system integrated with a large scale wind farm was analyzed and a concept of Security Capacity of the Wind Farm is given forward considering the condition to guarantee the security and stability of both the power system and the wind farm. Some strategies, for example, the control of power factor of the load, the application of dynamic reactive power compensator, strengthening of the grid and tripping of the wind turbines after the fault were studied to improve the transient behavior and enhance the Security Capacity of the Wind Farm. A dispatching strategy was brought forward by calculating the relationship among operable capacity, dispatchable power and wind velocity. The penetration of wind power can be increased through the application of this dispatching strategy.
图 1 所示。其中，Pw 为风力机输出功率；Pm 为异 步发电机转轴上机械功率；Vw 为风力机轮毂高度处 风速。风能曲线(风能功率与风速的关系曲线)是风
电机组的固有特性，不但与风速有关，还与转子速
度和桨距角等因素有关。本文采用式(1)表示风能功
率与风速的关系：
Pw
=
⎧0
⎪ ⎨
Pr
(Vw3
− Vc3i ) /(Vr3
学科分类号：470⋅40
大容量风电场接入电网的暂态稳定 特性和调度对策研究
张红光 1，张粒子 1，陈树勇 2，安 宁 2
（1．华北电力大学，北京市 昌平区 102206；2．中国电力科学研究院，北京市 海淀区 100085）
Studies on the Transient Behavior and Dispatching Strategy of Power System
1 异步风力发电系统动态模型
1.1 风力机动态特性的数学模型
风力机主要由叶片、轮毂和齿轮箱等中间传动
装置构成，在分析风电系统电气部分的动态特性时，
可以对风力机作一定的简化。由于叶片和轮毂具有
较大的转动惯量，风能从叶片通过轮毂到达发电机
处做功具有一定的时滞，此现象可用一阶惯性环节
来模拟，风力机从风速到发电机的传递函数关系如
目前相关的研究工作主要集中在建模和对模型 的验证工作上，在考虑风电场接入实际大电网的安 全性和稳定性问题上尚缺乏系统的研究，尤其缺少 与风电场相关的调度运行方面的深入探讨，在确定 风电场接入系统容量时常采用比较粗略的指标，甚 至只考虑电网的静态安全约束，而不考虑系统在承 受大扰动情况下的动态安全要求。本文建立了异步 风力发电机组动态模型并应用于我国电力系统计算 分析工具，依据《电力系统安全稳定导则》，结合内 蒙古电网实际情况，研究了风电场接入电网后对系 统安全稳定的影响，提出了保证电网和风电场安全 稳定运行的风电场安全容量的概念和计算方法，从 电网实际运行的角度提出了通过调度对策和预防矫 正措施提高风电场接入系统容量的方法。
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中国电机工程学报
第 27 卷
雅克比矩阵中；文献[3]提出了多时段动态优化潮流 模型，以适应风速的随机性和间歇性；文献[4]应用 常规潮流算法，通过 PV 曲线分析风电场功率波动 时的电压信息；文献[5]建立了异步发电机的稳态数 学模型，通过潮流计算，应用 PV 曲线确定满足静 态安全的风电场功率；文献[6]采用优化算法，将风 电准入功率归结为静态安全约束下的风力发电最大 化问题；文献[7]在文献[6]的基础上，在约束条件中 考虑了风速的随机特性；文献[8]应用遗传算法提出 了确定风电场并网点处电容器补偿的分组和控制方 法；文献[9]应用线性规划方法，对用仿真程序求解 风电穿透功率过程进行了修正；文献[10]说明风电 机组对电网的动态特性产生影响；文献[11]说明国 外风电场接入电网时需要进行动态稳定计算，并介 绍了风电机组仿真建模的研究方向；文献[12]在风 速统计特性研究的基础上，用自回归滑动平均方法 建立了具有一定功率谱密度特性的风速模型；文献 [13]用等效集中质量法和动力学方程建立了双馈感 应发电机包含机械传动链动态的轴系模型，与发电 机方程组成 8 阶微分方程；文献[14]建立了变速恒 频双馈风力发电机组、变频器及其控制系统的动态 模型；文献[15]建立了异步风力发电机动态模型； 文献[16]采用最小二乘法，提出基于同步发电机传 递函数概念的多台异步发电机的等值方法；文献[17] 建立了异步和双馈两种风电机组的动态模型，通过 对含有高比例风电容量的西班牙电网的计算，说明 必须考虑电网发生故障后风电机组脱网对电网安全 稳定控制的影响；文献[18]建立了异步风力发电机 组的小干扰稳定分析模型。
Vw < Vci或Vw ≥ Vco − Vc3i ) Vci ≤ Vw < Vr
(1)
⎪ ⎩
Pr
Vr ≤ Vw < Vco
式中： Pr 为风力机额定输出功率；Vci 为切入风速；
Vco 为切出风速；Vr 为额定风速。
Pw
Vw
Pw
1
Pm
Vw
1+Twp
图 1 风力机模型 Fig. 1 Wind turbine model
KEY WORDS: power system; wind power generation; transient stability; security capacity; power system dispatching
摘要：给出了异步风力发电机组的动态仿真数学模型和含风 电场的电力系统暂态稳定分析方法，与国内大型电力系统分 析软件相联接，实现了含风电场的电网动态稳定分析及其工 程应用。结合风电场接入系统实例，分析了大容量风电场接 入系统后电网的暂态稳定特性，提出了保证风电场和电网安 全稳定运行的风电场安全容量的概念。探讨了通过控制负荷 侧功率因数、采取动态无功补偿装置、加强网架结构、故障
后切除风电机组等措施改善电网暂态稳定水平、提高风电场 安全容量的办法。通过计算风电场不同开启容量下最大可调 出力及对应风速的关系，提出了风电场接入系统后的电网调 度对策，采取该调度策略，可以提高风电场的接入系统容量。
关键词：电力系统；风力发电；暂态稳定；安全容量；电网 调度
0 引言
随着风力发电技术的快速发展，风电场的规模 不断扩大，与小型风电场不同，大型风电场一般都 经过两级变压后，直接接入高压输电网，风电场对 电网的影响已从简单的局部电压波动、谐波污染等 电能质量问题发展到对电网动态稳定、调频调压、 经济调度等方面的影响。因此，含风电场的电力系 统暂态稳定分析和调度策略研究不但具有理论意 义，而且具有实用价值。
(3)
其中，
x′
=
xs
+
xr xm xr + xm
(4)
式中：Us 、 Is 、rs、xs 为异步发电机定子电压、电 流、电阻和电抗；xr、xm 为转子电抗和激磁电抗； x′、
E′ 为异步发电机的暂态电抗和暂态电势。
异步发电机转子电磁暂态过程方程为
Td′0 pE ′ = −E ′ − j(x − x′)Is − j2πf0sTd′0 E ′ (5)
第 31 期
张红光等： 大容量风电场接入电网的暂态稳定特性和调度对策研究
47
x = xs + xm
(6)
式中：T′d0 为定子绕组开路时转子绕组的时间常数，
p 为微分算子。
异步风力发电机输出的电磁功率为
Pe = Re (E ′ ⋅ I∧s )
(7)
以上方程构成了异步风力发电机组的机电暂态
方程，从式(2)可见，异步发电机的动态行为最终体
锡林郭勒
第 27 卷 第 31 期 2007 年 11 月
文章编号：0258-8013 (2007) 31-0045-07
中国电机工程学报 Proceedings of the CSEE
中图分类号：TM 71 文献标识码：A
Vol.27 No.31 Nov. 2007 ©2007 Chin.Soc.for Elec.Eng.
1.2 异步发电机转子运动方程 异步发电机的转子运动方程有如下形式
Tj
ds dt
=
Pe − 1−
Pm s
(2)
式中：Pm、Pe 为异步发电机的机械功率和电磁功率； s、Tj 为异步发电机的滑差和惯性时间常数。 1.3 异步发电机电磁暂态过程方程
以同步旋转坐标为参考的异步发电机定子电压
方程为
Us = −(rs + jx′)Is + E ′
百度文库
现在动态过程中异步发电机电磁功率与机械功率的
相互关系，电磁功率反映了动态过程中发电机各电
气量间的相互关系，机械功率反映了原动机随风速
的变化特性。
2 电网及计算条件
2.1 电网 以内蒙古电网包头地区达茂风电场为例，进行
电网暂态特性计算分析。内蒙古电网结构如图 2 所 示，其中，包头电网是以 220 kV 线路为主干网架的 双环网结构。达茂风电场 10 m 高处年平均风速 5.0~6.5 m/s，年有效风速时数 6 500~7 000 h，属风 能丰富地区，但风电场地理位置偏远，与主系统联 系薄弱，经 220 kV 望海—红塔—固北单回长距离输 电线路接入包头 220 kV 环网中的沙河变电站，线路 总长度约为 176km，见图 3。
Integrated With Large Scale Wind Farms
ZHANG Hong-guang1, ZHANG Li-zi1, CHEN Shu-yong2 , AN Ning2
(1. North China Electric Power University, Changping District, Beijing 102206, China; 2. China Electric Power Research Institute, Haidian District, Beijing 100085, China)
ABSTRACT: The dynamic model of induction wind generators and the dynamic stability analysis method of power system with wind farms were presented, the engineering application was realized through the integration of the model and the method with the power system analysis software widely used in China. Combining a typical example, the transient behavior of the power system integrated with a large scale wind farm was analyzed and a concept of Security Capacity of the Wind Farm is given forward considering the condition to guarantee the security and stability of both the power system and the wind farm. Some strategies, for example, the control of power factor of the load, the application of dynamic reactive power compensator, strengthening of the grid and tripping of the wind turbines after the fault were studied to improve the transient behavior and enhance the Security Capacity of the Wind Farm. A dispatching strategy was brought forward by calculating the relationship among operable capacity, dispatchable power and wind velocity. The penetration of wind power can be increased through the application of this dispatching strategy.
图 1 所示。其中，Pw 为风力机输出功率；Pm 为异 步发电机转轴上机械功率；Vw 为风力机轮毂高度处 风速。风能曲线(风能功率与风速的关系曲线)是风
电机组的固有特性，不但与风速有关，还与转子速
度和桨距角等因素有关。本文采用式(1)表示风能功
率与风速的关系：
Pw
=
⎧0
⎪ ⎨
Pr
(Vw3
− Vc3i ) /(Vr3