适用于低电压穿越仿真的风电场内集电线路等值方法_陈钊

压， 因此保证线路等 效 前 后 系 统 输 出 的 无 功 功 率 一 致是网络等值的首要任务 。 由于集电线路的电阻相 对较小 ， 线路电抗对风电场在 Ｌ ＶＲ Ｔ 过程中外特 性 的影响将占据主导 地 位 ， 因此线路电抗的等值是整 个集电系统等值的关键 。 本文将分别针对风电场内 线路电抗和电阻的等值计算方法进行分析 。
Ｖ Ｒ Ｔ 要求 １ 风电机组的 Ｌ
风电机组 的 Ｌ ＶＲ Ｔ 是指在规定的电网电压跌 落范围内 ， 机组能够连续并网运行 ， 且根据机端电压 ； 发出一定量的有功 和 无 功 功 率 同 时 在 故 障 清 除 后 能够以一定的速率 将 有 功 功 率 恢 复 到 故 障 前 状 态 。 ／ 风电场接入电力系 国家标 准 Ｇ Ｂ Ｔ １ ９ ９ ６ ３—２ ０ １ １《 统技术规定 》 对并网风电有较为明确的 Ｌ ＶＲ Ｔ 技术 要求 ： ①当风电场并网点电压跌落至标称电压的 ， 风电机组应能够连续并网运行６ 若 ０％ 时 ， ２ ５ｍ ｓ ２ 电压在 ２ｓ内能 够 恢 复 到 标 称 电 压 的 ９ 机组应 ０％ ， 能够不脱网连续运行 ； 机组有 ② 当电网故障清除后 ， 功功率应能够快速 恢 复 至 故 障 前 的 值 ， 且恢复速率 不小于每秒 １ ０％ 额定功率 ； ③应具有动态无功支撑 ， 能力 当并网点电压处于 标 称 电 压 的 ２ ０％ ～９ ０％ 区 间时 ， 风电场注入一定量的无功电流支撑电压恢复 。 目前对电网故障期间风电机组的有功出力还没 有统一的规定 ， 故障 期 间 机 组 的 有 功 功 率 完 全 降 为 ＶＲ Ｔ 有 功 控 制 策 略。 以 下 的 分 析 主 ０ 是常见 的 Ｌ 要针对机组有 功 功 率 在 Ｌ ＶＲ Ｔ 过程中降为０时的 情况 。 具有 Ｌ ＶＲ Ｔ 能力的风电机组对功率通常具 有较强的控制能力 ， 对功率指令的响应时间尺度为 １ ３］ 。 毫秒级 ， 可近似为理想可控功率源 ［ 聚合等值的基本要求是在外部电网故障情况 下， 风电场 在 Ｐ Ｃ Ｃ 输出的功率在等值前后保持一 致， 本质上是将风电场作为一个整体 ， 研究其输出特 ［ １ ４］ 。 风电机组具有可控功率 性对外部 电 网 的 影 响 源特性 ， 其输出功 率 始 终 处 于 可 控 状 态 。 在 Ｌ ＶＲ Ｔ 过程中 ， 风电场内集 电 线 路 的 等 值 实 际 上 就 是 要 求 在等值前后集电线 路 消 耗 的 功 率 相 等 ， 从而保证风 电场在聚合前后从 Ｐ Ｃ Ｃ 输出的功率不变 。 由于线性网络对功率不具有叠加性， 因此基本 电路分析中的戴维 南 等 值 方 法 不 适 用 于 该 种 情 形 。 在对风电场内部集 电 线 路 进 行 等 值 和 化 简 时 ， 以等 值前后注入电网的 功 率 相 等 为 原 则 ， 可保证在外部 电网故障状态下 ， 风电场等值前后表现出的外特性 。 一致 风电场在 Ｌ ＶＲ Ｔ 过程中最大的特点是根据并 网点的电 压 输 出 一 定 量 的 无 功 功 率 以 支 撑 电 网 电 ５ ２
（ 甘肃省新能源并网运行控制重点实验室 ，甘肃省电力公司风电技术中心 ，甘肃省兰州市 ７ ３ ０ ０ ５ ０； １． 电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室 ，清华大学 ，北京市 １ ２． ０ ０ ０ ８ ４； ） 国网甘肃省电力公司 ，甘肃省兰州市 ７ ３． ３ ０ ０ ３ ０
摘要 ：以二机并联模型为基础 ， 仿真的风电场内集电线路 提出 了 一 种 适 用 于 低 电 压 穿 越 （ ＶＲ Ｔ） Ｌ 。 的等值方法 以电网电压跌落期 间 风 电 场 并 网 点 的 无 功 输 出 量 一 致 为 原 则 对 线 路 的 电 抗 进 行 等 效； 以风电场内线路的有功损耗相等为原则对线路的电阻进行等效 。 经过集电线路阻抗变换后 ， 风 ） （ 。 电场等效为一台经过一等值阻抗直接连接到公共连接点 Ｐ Ｃ Ｃ 的单机等值模型 该方法适用于 干 线式 、 放射式和混合式集电线路拓扑的等值 ， 且计算所得 线 路 阻 抗 参 数 恒 定 ， 便 于 实 际 应 用。仿 真 ， ， 。 结果表明 在电网故障期间 等值模型具有很高的精度 关键词 ：风电场 ；集电线路 ；等值模型 ；低电压穿越
Ｕ０Ｂ ＝Ｕｄ Ｂ－
ＸＢＬＱ ＷＴ Ｕｄ Ｂ
（ ） ３
、 ） ） 式（ 可得 ： ３ １ 由式 （ Ｕ０Ｂ ＋１． ＸＢＬ ３ ５ （ ） ４ Ｕｄ Ｂ＝ １＋１． ５ ＸＢＬ 因此集 ＶＲ Ｔ 过程中 机 组 有 功 功 率 降 为 ０， 在 Ｌ 电线路上 Ｂ 点处输出的无功功率 Ｑ０Ｂ 可表示为 ：
；修回日期 ： 。 收稿日期 ： ２ ０ １ ５ ９ ８ ２ ０ １ ６ １ ７ ０ ０ ０ ０ － － － － 。 上网日期 ： ２ ０ １ ６ ２ ６ ０ ２ － － 国家 高 技 术 研 究 发 展 计 划 （ ８ ６ ３ 计 划 ）资 助 项 目 （ ） ； ２ ０ １ １ ＡＡ ０ ５ Ａ １ ０ ４ 国家电 网 公 司 科 技 项 目 （ ５ ２ ２ ７ ２ ７ １ ４ ０ ０ ０ ６， 。 ０ Ｙ） ５ ２ ２ ７ ２ ７ １ ４ ０ ０
０ 引言
随着 大 规 模 风 电 的 接 入 ， 风电场的动态特性将 。 对电网产生较大 的 影 响 建 立 准 确 、 有效且适用的 ］ １ ２ － 。 风电场 暂 态 模 型 是 开 展 风 电 并 网 研 究 的 基 础 ［ 目前风电 场 模 型 主 要 分 为 详 细 模 型 和 聚 合 模 型 两 种 。 详细模型由于包含了风电场内全部机组及集电 线路等因素 ， 其阶数 及 时 域 仿 真 所 需 时 间 将 随 着 机 组数量的增加而 增 加 ， 因 此 在 实 际 中 应 用 较 少。聚 合模型是将风电场 看 成 一 个 整 体 ， 用一台或多台容 量放大的机组模型来模拟实际风电场在并网点的外 特性 ， 可降低风电场 模 型 的 阶 数 及 实 际 仿 真 的 计 算 量 。 目前对大规模 风 电 并 网 的 研 究 ， 倾向于采用风 。 电场的聚合模型 风 电 场 的 拓 扑 结 构 多 样 ， 有干线 式、 放射式及混合 式 等 ， 对 风 电 场 进 行 建 模 时， 需综 ［ ３］ 风 合考虑风电场 内 集 电 系 统 的 结 构 和 线 路 类 型 ， 电场内集电线路的等值是影响聚合模型精度的重要 因素之一 。 目前 ， 针对风电场内集电线路的等值已有较多 ］ 研究 。 文献 ［ 针对干线网络结构提出了并联化变 ４ 换方法和单阻抗等效方法 。 并联化变换的原则是保 持变换前后由电网电压产生的机端电压的幅值和相
： ／ ／ ｈ ｉ ｔ ｔ ｗ ｗｗ． ａ ｅ ｓ ｎ ｆ ｏ ． ｃ ｏ ｍ － ｐ ｐ
５ １
（ ） ２ ０ １ ６， ４ ０ ８
· 学术研究 ·
针对上 述 情 况 ， 本文提出了一种新的适用于 以风电场模型在 ＶＲ Ｔ 仿真的集电线路 等 值 方 法 ， Ｌ 电网故障状态下无 功 输 出 量 相 等 为 原 则 ， 对集电线 路的电抗进行等效 计 算 ； 以网络有功损耗相等为原 则， 对线路的电阻进行等效计算 ； 计算所得阻抗的参 数恒定 。 建立了仿 真 模 型 ， 并对风电场内机组容量 相同 及 不 同 的 两 种 情 况 分 别 进 行 了 仿 真 分 析 和 验证 。
第４ ０ 卷 第 ８ 期 ２ ０ １ ６年４月２ ５日
Ｖ ｏ ｌ ． ４ ０Ｎ ｏ ． ８Ａ ｒ ． ２ ５， ２ ０ １ ６ ｐ
： ／ Ｄ Ｏ Ｉ １ ０． ７ ５ ０ ０ Ａ Ｅ Ｐ Ｓ ２ ０ １ ５ ０ ９ ０ ８ ０ １ ２
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适用于低电压穿越仿真的风电场内集电线路等值方法
陈 钊１，夏安俊２，汪宁渤１，乔 颖２，马彦宏３
Ｖ Ｒ Ｔ 中的无功特性 ２ 风电机组在 Ｌ
首先 分 析 风 电 机 组 经 过 一 集 电 线 路 后 在 ＶＲ Ｔ 中表现出的外特性 。 Ｌ 如图 １ 所 示 ， 机 组 ＷＴ 经 过 一 段 阻 抗 为 ＲＢ ＋ 机组输出功率为 ＸＢＬ 的 集 电 线 路 连 接 到 Ｂ 点 ， ｊ ， ， Ｐ ＷＴ ＋ Ｑ ＷＴ 机端电压为 Ｕｄ ｊ Ｂ 集电线路上 Ｂ 点电压 变量及参数采用标幺值表示 。 为 Ｕ０Ｂ ，
图 １ 单机模型 ｉ ． １ Ｓ ｉ ｎ ｌ ｅ ａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ Ｆ －ｍ ｇ ｇ
／ 根据 Ｇ 当机端电压 Ｂ Ｔ １ ９ ９ ６ ３—２ ０ １ １的 要 求， 之 间 时， 风电场注入电力系统的 Ｕｄ ２， ０． ９］ ０． Ｂ 处于 ［ ， 其 中 ＵＴ 动态无 功 电 流 标 幺 值 ＩＴ ≥１． ５（ ０． ９－ＵＴ ） 为并网点电压标幺值 。 为得出机组在经过一段集电 线路后在 该 节 点 输 出 的 无 功 功 率 与 电 压 的 明 确 关 的 情 况， 系， 本文 取 ＩＴ ＝１． 根据现场 ５（ ０． ９－ＵＴ ） 该无 功 电 流 方 程 是 现 有 厂 家 的 一 ＶＲ Ｔ 实验观察 ， Ｌ 个常用的选择 ， 具有代表性 。 之间时 ， 因此 ， 当机端电压 Ｕｄ 机 ２， ０． ９］ ０． Ｂ 处于 ［ 组需要发出一定量的无功功率以支撑电网电压 。 无 功输出量可表示为 ： （ ） Ｑ ＷＴ ＝１． Ｕｄ ５ ０． ９－Ｕｄ １ Ｂ（ Ｂ） ） 可知 ， 在Ｌ 机组输出的 无 ＶＲ Ｔ 过程中 ， １ 由式 （ 。 功输出量主要由机端电压决定 以 Ａ 点为参考点 ， 集电线路上 Ｂ 点处的电压可 表示为 ： · （ （ ＲＢ ＋ｊ ＸＢＬ） Ｐ ＷＴ －ｊ Ｑ ＷＴ ） （ ） ２ Ｕ０Ｂ ＝Ｕｄ Ｂ－ Ｕｄ Ｂ 忽略集电线路上电阻引起的压降及电压降落的 横向分量 ， 可得
位不变 ， 该方法将机 组 之 间 的 混 联 结 构 变 为 纯 并 联 结构 ， 可适应不同的机组分群方式 ， 实现风电场内任 意位置上机组的聚 合 ， 但是难以保证变换前后内部 网络的无功消耗一 致 ； 而单阻抗等效法只依靠功率 的量测数据而不依 赖 其 他 参 数 ， 因此线路的等值阻 抗将随着机组运行 状 态 的 变 化 而 变 化 ， 同时集电网 络的功率损耗不是 定 值 ， 这必然会带来一定的等值 ］ 以 误差 。 文献 ［ 线 路 等 值前后机组的加权平均 ７ ５ － 电压差相等为原则 计 算 等 效 阻 抗 ， 在计算过程中以 机组当前的有功出 力 为 权 重 ， 同时采用风电场公共 的电压代替机端电压计算机组 的输出 连接点 （ Ｃ Ｃ） Ｐ ， 电流 因此等值阻抗 将 随 着 机 组 有 功 出 力 的 变 化 而 变化 ， 而在实际中风 电 场 内 机 组 的 端 电 压 很 难 保 证 一致 ， 当线路阻抗较大时等效阻抗将存在较大误差 。 ］ 以等值 前 后 网 络 的 短 路 阻 抗 相 等 为 原 则 文献 ［ ９ ８ － 计算等效阻抗 。 该方法所得的线路等效阻抗参数固 定， 便于实际应用 ， 但是等值过程忽略了网络内部机 组有功出力的分布 性 ， 因此难以保证等值前后的风 过程中无功输出量的一 电场在低电压穿越 （ ＶＲ Ｔ） Ｌ ］ 以等值前后线路功率损耗相等为原则 致 。 文献 ［ ０ １ 求取网络等效阻抗 ， 该方法所得的等值阻抗不是定 值， 其随着机组的功率变化而变化 ， 因此增加了实际 ］ ； ［ 应用的难度 而文献 １ １ １ ２ 同样以线路功率损耗相 － 等为原则 ， 在假设机 组 输 出 电 流 幅 值 和 相 角 都 相 等 的前提下可求得参 数 恒 定 的 等 效 阻 抗 ， 便于实际应 用， 但在计算过程中忽略了风电场内的电压分布 ， 因 此在 Ｌ ＶＲ Ｔ 过程 中 风 电 场 的 无 功 输 出 量 将 存 在 一 定的误差 。