本發(fā)明涉及電氣信息技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種大規(guī)模風(fēng)電匯集系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析方法。

背景技術(shù)：

我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展受能源和環(huán)境的制約已日趨嚴(yán)重，而風(fēng)電是一種取之不盡、用之不竭的清潔可再生能源，因而加快發(fā)展風(fēng)電已成為我國經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢。中國風(fēng)電雖起步較晚，但裝機(jī)容量卻增長迅速，隨著大規(guī)模風(fēng)電基地越來越多地建成并接入電網(wǎng)，截止2015年底中國風(fēng)電總裝機(jī)容量已達(dá)到145.1GW，位居世界第一。但由于我國風(fēng)力資源的分布特點(diǎn)，這些風(fēng)電場大多分布在電網(wǎng)薄弱，負(fù)荷稀少的邊遠(yuǎn)地區(qū)，必須采用先就地匯集再集中外送的并網(wǎng)模式。大規(guī)模風(fēng)電基地作為弱送端系統(tǒng)，其電壓支撐能力較弱，且無功問題突出，特別是當(dāng)風(fēng)機(jī)接近滿發(fā)時(shí)，容易導(dǎo)致風(fēng)電匯集系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性降低。

隨著風(fēng)電輸送功率的增大，匯集系統(tǒng)在整個(gè)并網(wǎng)過程中的作用至關(guān)重要。匯集站是一個(gè)地區(qū)的電壓支撐，能協(xié)調(diào)當(dāng)?shù)馗黠L(fēng)電場群無功輸出，從而提高整個(gè)分區(qū)電網(wǎng)的電壓水平。近年來國內(nèi)外學(xué)者加深了對大規(guī)模風(fēng)電匯集系統(tǒng)的研究，但現(xiàn)有的成果或是單獨(dú)研究匯集系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性，或只考慮匯集系統(tǒng)在不同拓?fù)湎碌慕?jīng)濟(jì)性與可靠性問題，并未將匯集系統(tǒng)不同拓?fù)渑c電壓穩(wěn)定性相結(jié)合。然而大規(guī)模風(fēng)電基地中，不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的匯集系統(tǒng)由于傳輸線上的損耗和充電功率分布不同，將對并網(wǎng)后的潮流分析產(chǎn)生較大影響，導(dǎo)致并網(wǎng)關(guān)鍵點(diǎn)具有不同的無功電壓特性。大規(guī)模風(fēng)電匯集系統(tǒng)不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的電壓穩(wěn)定性問題仍然沒有得到解決。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明的目的在于提出一種大規(guī)模風(fēng)電匯集系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析方法，以彌補(bǔ)已有方法的不足，針對大容量風(fēng)電匯集系統(tǒng)靜態(tài)建模時(shí)不考慮其電氣接線不具合理性的問題，詳細(xì)計(jì)及風(fēng)電匯集系統(tǒng)各種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的電氣接線，根據(jù)高電壓等級下電壓與無功功率的強(qiáng)相關(guān)性，利用Q-V曲線法分析各拓?fù)洳⒕W(wǎng)關(guān)鍵點(diǎn)的無功電壓特性，并給出電壓穩(wěn)定裕度來評價(jià)各風(fēng)電匯集拓?fù)湓诜€(wěn)定性方面的優(yōu)劣。技術(shù)方案如下：

一種大規(guī)模風(fēng)電匯集系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析方法，包括以下步驟：

步驟1：將大規(guī)模風(fēng)電匯集系統(tǒng)等效為單機(jī)無窮大系統(tǒng)模型，根據(jù)單機(jī)無窮大系統(tǒng)模型得到等值風(fēng)電匯集系統(tǒng)的無功電壓特性曲線；

步驟2：根據(jù)上述無功電壓特性曲線分析風(fēng)電匯集系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)的無功電壓特性；

步驟3：分析不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對應(yīng)的不同等效阻抗X下無功電壓的穩(wěn)定性，而得到風(fēng)電匯集系統(tǒng)無功電壓靈敏度隨等效阻抗X變化的曲線；

步驟4：根據(jù)步驟3中的曲線計(jì)算不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)電壓穩(wěn)定裕度M。

進(jìn)一步的，所述步驟1中得到等值風(fēng)電匯集系統(tǒng)的無功電壓特性曲線的方法包括：

在單機(jī)無窮大系統(tǒng)模型中，視作等值風(fēng)電場通過純電抗傳輸線連接到無限大容量母線上，根據(jù)功率傳輸方程得到：

其中，X為匯集系統(tǒng)接入電網(wǎng)的等效阻抗；E_S為主網(wǎng)電壓；E_W為風(fēng)電場匯集母線電壓；匯集點(diǎn)實(shí)際有功功率P＝P_L-P_W，匯集點(diǎn)實(shí)際無功功率Q＝Q_L-Q_W，P_L和Q_L分別為連接到匯集母線上的單一負(fù)荷的有功功率和無功功率，P_W和Q_W分別為風(fēng)電場在匯集母線處注入的有功功率和無功功率；θ為匯集母線電壓E_W與主網(wǎng)電壓E_S間的功角差；

由式(1)和式(2)消除給定的θ后推出：

從式(3)解得電壓與風(fēng)電場端功率的關(guān)系為：

當(dāng)取不同值時(shí)，得到一系列曲線，即等值風(fēng)電匯集系統(tǒng)的無功電壓特性曲線。

更進(jìn)一步的，所述步驟2中得到風(fēng)電匯集系統(tǒng)無功電壓靈敏度隨等效阻抗X變化的曲線方法包括：

由于無功功率傳輸方向與潮流參考方向相反，由所述式(3)分離Q后反向得：

式(5)兩邊對E_W求導(dǎo)，得：

對上式(6)兩邊取倒數(shù)，得靜態(tài)電壓靈敏度：

取E_W、E_S和P具體的標(biāo)幺值，且E_W＝E_S，由式(7)得到風(fēng)電匯集系統(tǒng)無功電壓靈敏度隨等效阻抗X變化的曲線。

更進(jìn)一步的，所述不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)電壓穩(wěn)定裕度M的計(jì)算方法為：

由所述式(4)得無功電壓特性曲線最低點(diǎn)為：

此時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行的臨界電壓是：

由已知的匯集母線處的P_D和P_W，得匯集點(diǎn)實(shí)際有功功率P，帶入式(9)，計(jì)算出并網(wǎng)點(diǎn)的臨界穩(wěn)定電壓E_Wcr，則對應(yīng)不同拓?fù)涞墓?jié)點(diǎn)電壓穩(wěn)定裕度M為：

一種大規(guī)模風(fēng)電匯集系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析系統(tǒng)，包括無功電壓特性分析模塊、無功電壓靈敏度分析模塊和電壓穩(wěn)定裕度計(jì)算模塊；

所述無功電壓特性分析模塊根據(jù)大規(guī)模風(fēng)電匯集系統(tǒng)的拓?fù)湟?guī)劃計(jì)算生成等值風(fēng)電匯集系統(tǒng)的無功電壓特性曲線，并分析風(fēng)電匯集系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)的無功電壓特性；

無功電壓靈敏度分析模塊根據(jù)不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對應(yīng)的不同等效阻抗X，計(jì)算生成風(fēng)電匯集系統(tǒng)無功電壓靈敏度隨等效阻抗X變化的曲線；

電壓穩(wěn)定裕度計(jì)算模塊根據(jù)風(fēng)電匯集系統(tǒng)無功電壓靈敏度隨等效阻抗X變化的曲線計(jì)算不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)電壓穩(wěn)定裕度M。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明考慮大規(guī)模風(fēng)電匯集系統(tǒng)的拓?fù)湟?guī)劃設(shè)計(jì)，從機(jī)理上分析出不同拓?fù)鋮R集系統(tǒng)具有不同等效阻抗時(shí)會得到不同的無功電壓特性，提出了利用節(jié)點(diǎn)電壓穩(wěn)定裕度M指標(biāo)進(jìn)行靜態(tài)電壓穩(wěn)定評估，具有計(jì)算簡單、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，可為大規(guī)模風(fēng)電場的實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供參考。

附圖說明

圖1為風(fēng)電匯集系統(tǒng)簡化等效電路。

圖2為風(fēng)電匯集系統(tǒng)電壓靈敏度曲線圖。

圖3為鏈形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)仿真系統(tǒng)示意圖。

圖4為混連形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)仿真系統(tǒng)示意圖。

圖5為輻射形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)仿真系統(tǒng)示意圖。

圖6為不同匯集拓?fù)洳⒕W(wǎng)點(diǎn)Q-V曲線圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。大規(guī)模風(fēng)電基地接入主網(wǎng)的電氣結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定特性與單機(jī)無窮大系統(tǒng)相似，故以單機(jī)無窮大系統(tǒng)模型來定性分析大規(guī)模風(fēng)電匯集系統(tǒng)的并網(wǎng)問題。如圖1所示，考慮等值風(fēng)電場通過純電抗傳輸線連接到無限大容量母線上。P_W和Q_W為風(fēng)電場在母線1(即匯集母線)處注入的有功功率和無功功率。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組以單位功率因數(shù)cosδ＝1運(yùn)行時(shí)，機(jī)組不具備無功自主調(diào)節(jié)能力。為了支撐電網(wǎng)和匯集系統(tǒng)接入點(diǎn)電壓，需進(jìn)行就地?zé)o功補(bǔ)償。近似認(rèn)為風(fēng)電廠發(fā)出的無功等于無功補(bǔ)償裝置提供的無功，即Q_W＝Q_B。連接到母線1上的單一負(fù)荷需有功功率P_L和無功功率Q_L。X為匯集系統(tǒng)接入電網(wǎng)的等效阻抗，E_S∠0和E_W∠θ分別為主網(wǎng)和匯集母線電壓，θ為匯集母線電壓E_W與主網(wǎng)電壓E_S間的功角差，為聯(lián)絡(luò)線上流過的電流。

圖1中根據(jù)功率傳輸方程可得：

其中匯集點(diǎn)實(shí)際有功功率P＝P_L-P_W，匯集點(diǎn)實(shí)際無功功率Q＝Q_L-Q_W。

由式(1)和式(2)消除給定的θ后可推出：

并從式(3)解得電壓與風(fēng)電場端功率的關(guān)系為：

當(dāng)取不同值時(shí)，可得一系列曲線，即等值風(fēng)電匯集系統(tǒng)的無功電壓特性曲線。根據(jù)等值風(fēng)電匯集系統(tǒng)的無功電壓特性曲線分析風(fēng)電匯集系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)的無功電壓特性，其底部dQ/dV＝0，為電壓崩潰點(diǎn)，即式(4)對應(yīng)的電壓唯一解；風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)從正常運(yùn)行到臨界崩潰時(shí)的無功裕度可由曲線直接得到，將該裕度作為靜態(tài)電壓穩(wěn)定的實(shí)用指標(biāo)。

考慮匯集系統(tǒng)具有不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，從匯集點(diǎn)看入主網(wǎng)的等效阻抗X會由于不同連接方式對應(yīng)不同潮流分布而有所改變，進(jìn)而得到不同的Q-V曲線。同時(shí)可由X對電壓靈敏度的直接影響說明不同拓?fù)渚哂胁煌妷悍€(wěn)定性。

由于無功功率傳輸方向與潮流參考方向相反，由式(3)分離Q后反向得：

式(5)兩邊對E_W求導(dǎo)，得：

對上式(6)兩邊取倒數(shù)，得靜態(tài)電壓靈敏度：

為了便于繪制風(fēng)電匯集系統(tǒng)無功電壓靈敏度隨等效阻抗X變化的曲線圖，取E_W、E_S和P具體的標(biāo)幺值，且E_W＝E_S，由式(7)可得到風(fēng)電匯集系統(tǒng)無功電壓靈敏度隨等效阻抗X變化的曲線。且此處即使取值不同的標(biāo)幺值，曲線的趨勢也相同，如當(dāng)取E_W＝E_S＝1且P＝3時(shí)，曲線如圖2所示。

從圖2中可看出在有功功率不變的情況下，匯集系統(tǒng)等效阻抗越大其并網(wǎng)點(diǎn)的電壓靈敏度越高，電壓穩(wěn)定性越差，當(dāng)X靠近X_cr時(shí)，已接近無窮大，此時(shí)無功Q的極小變化也會導(dǎo)致電壓崩潰。其中，X_cr表示當(dāng)取E_W＝E_S＝1且P＝3時(shí)對應(yīng)的臨界等效阻抗。

上述過程從機(jī)理上分析出不同匯集系統(tǒng)拓?fù)渚哂胁煌刃ё杩箷r(shí)會具有不同的無功電壓特性，并且等效阻抗越小，風(fēng)電場群與主網(wǎng)的電氣聯(lián)系越緊密，并網(wǎng)點(diǎn)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性越優(yōu)。進(jìn)一步以圖1所示的匯集系統(tǒng)簡化模型推導(dǎo)得到適用于大規(guī)模風(fēng)電匯集系統(tǒng)在不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的靜態(tài)電壓穩(wěn)定判據(jù)。

由式(4)得Q-V曲線最低點(diǎn)為：

此時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行的臨界電壓是：

當(dāng)已知匯集母線處的P_L和P_W時(shí)，可得匯集點(diǎn)實(shí)際有功功率P，代入上式(9)，由式(9)知，為任一常數(shù)，把這個(gè)常數(shù)帶入等式右邊，即可算出此處E_S為無窮大系數(shù)對應(yīng)電壓，可取其標(biāo)幺值為1，即可得到并網(wǎng)點(diǎn)的臨界穩(wěn)定電壓E_Wcr。對于輻射狀、鏈狀或混聯(lián)狀等風(fēng)電匯集系統(tǒng)的各種典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由于其等效阻抗X不同，電壓關(guān)鍵點(diǎn)處會得到對應(yīng)不同拓?fù)涞墓?jié)點(diǎn)電壓穩(wěn)定裕度M：

式中，E_W為風(fēng)電場匯集站正常運(yùn)行時(shí)的匯集母線電壓。

應(yīng)用實(shí)例：根據(jù)某實(shí)際風(fēng)電匯集系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)建立仿真模型。該匯集系統(tǒng)總裝機(jī)容量為500MW，10個(gè)風(fēng)電場各出力50MW。由于同一風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況基本相同，運(yùn)用容量加權(quán)原則對風(fēng)電場進(jìn)行等值。為滿足并網(wǎng)點(diǎn)電壓要求，每個(gè)風(fēng)電場110kV母線上各投入6Mvar的無功補(bǔ)償裝置。將主網(wǎng)等值為一臺最大有功出力700MW，無功出力不受限制的平衡機(jī)(E_S＝1∠0°)。為比較不同匯集拓?fù)涮匦裕L(fēng)電場分別呈輻射狀、鏈狀和混聯(lián)狀經(jīng)110kV線路匯集到共和變電站，該中心變電站再經(jīng)330kV線路接入主電網(wǎng)，送出線路長達(dá)50km，且測得并網(wǎng)點(diǎn)短路比為R_SC＝S_SC/P_N＝2.7＜＜20，屬于典型的弱聯(lián)接送端系統(tǒng)。風(fēng)電場和匯集站間的詳細(xì)電氣接線方式見圖3、圖4和圖5。

中心匯集站為整個(gè)風(fēng)電匯集系統(tǒng)的電壓中樞點(diǎn)，為得到該點(diǎn)的Q-V曲線，分別在鏈形、輻射形和混聯(lián)形拓?fù)涞?10kV母線處施加負(fù)荷，當(dāng)負(fù)荷試圖吸收超出電力傳輸線或風(fēng)電系統(tǒng)傳送能力的功率時(shí)就會導(dǎo)致電壓不穩(wěn)定。圖6為施加P_L1＝800MW負(fù)荷時(shí)不同拓?fù)鋵?yīng)的Q-V曲線，可從曲線中看出輻射形拓?fù)涞撵o態(tài)電壓穩(wěn)定性更好。

以上對本發(fā)明所提供的大規(guī)模風(fēng)電匯集系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹，本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時(shí)，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實(shí)施方式及應(yīng)用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。