华北电力技术 ＮＯＲＴＨ ＣＨＩＮＡ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＰＯＷＥＲ ９ 风电扰动与负荷扰动叠加引起的 系统强迫功率振荡研究 胡仁祥 ，晁 勤 ，常喜强 ，赵志强 ，焦 莉 （１．新疆大学，新疆鸟鲁木齐８３０００８；２．新疆电力公司，新疆乌鲁木齐８３０００２；３．陕西省电力公司，陕西西安７１０００４） 摘 要：强迫功率振荡理论可理解为电力系统非负阻尼功率振荡。本文仿真分析了风电场（由３种不同风力发 电机构成）接入电网时风扰动与负荷功率随机波动相叠加所引起系统传输功率振荡情况。仿真结果表明：对于 不同风力发电机组成的风电场，扰动引起的系统传输线功率振荡幅度是不一样的；渐变风和随机风分别与负荷 扰动叠加时，引起的传输线功率振荡幅度最大，而且引起该区域电厂出力变化也很大，给电网的安全稳定运行 带来巨大的影响。 关键词：新疆电网；风电场；接入点；低频振荡；强迫功率振荡 中图分类号：ＴＭ６１４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００３－９１７１（２０１１）Ｏ１—０００９—０５ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｆｏｒｃｅｄ Ｐｏｗｅｒ Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ Ｉｎｄｕｃｅｄ ｂｙ Ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ Ｌｏａｄ ａｎｄ Ｗｉｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｈｕ Ｒｅｎ—ｘｉａｎｇ ，Ｃｈａｏ Ｑｉｎ ，Ｃｈａｎｇ Ｘｉ—ｑｉａｎｇ ，Ｚｈａｏ Ｚｈｉ—ｑｉａｎｇ ，Ｊｉａｏ Ｌｉ。 （１．Ｘｉｎｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｕｒｕｍｑｉ ８３０００８，Ｃｈｉｎａ；２．Ｘｉｎｊｉａｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｕｒｕｍｑｉ ８３０００２，Ｃｈｉｎａ； ３．Ｓｈａａｎｘｉ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｘｉ ｎ ７ １ ０００４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｆｏｒｃｅｄ ｐｏｗｅｒ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｂｅ ｒｅｇａｒｄｅｄ ａｓ ｐｏｗｅｒ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｎｏｎ—ｎｅｇ— ａｔｉｖｅ ｄａｍｐｉｎｇ ｉｎ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ ｉｎｄｕｃｅｄ ｂｙ ｓｕｐｅｒｐｏ— ｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｗｉｎｄ ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ ａｎｄ ｌｏａｄ ｐｏｗｅｒ ｒａｎｄｏｍ ｌｆｕｃｔｕａｔｉｏｎ ｗｈｅｎ ｗｉｎｄ ｆａｒｍ（ｗｈｉｃｈ ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｏｆ ３ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｗｉｎｄ ｔｕｒ— ｂｉｎｅｓ）ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｉｎ ｐｏｗｅｒ ｇｒｉｄ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ，ｔｈｅ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅｓ ｃａｕｓｅｄ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ．Ｗｈｅｎ ｒａｍｐ ｗｉｎｄ ｏｒ ｓｔｏｃｈａｓｔｉｃ ｗｉｎｄ ａｄｄｅｄ ｌｏａｄ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ ｓｅｐａｒａｔｅｌｙ，ｉｔ ｃａｕｓｅｄ ｔｈｅ ｈｉｇｈｅｓｔ ｐｏｗｅｒ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ，ａｎｄ ｌｅｄ ｔｏ ａ ｌａｒｇｅ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｐｌａｎｔ ｏｕｔｐｕｔ ｉｎ ｔｈｅ ｒｅｇｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ ｂｒｏｕｇｈｔ ｈｕｇｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｓａｆｅ ａｎｄ ｓｔａｂｌｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｇｒｉｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｘｉｎｊｉａｎｇ ｐｏｗｅｒ ｇｒｉｄ；ｗｉｎｄ ｆａｒｍ；ａｃｃｅｓｓ ｐｏｉｎｔ；ｌｏｗ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ；ｆｏｒｃｅｄ ｐｏｗｅｒ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ ０ 引言 由于全球能源面临短缺的局面，风力发电在 全球得到了快速发展。但风速、风向和风密度的 工频，所以称为低频振荡。文献［２］指出，若系统发 生低频振荡，可能会短时内衰减消失，也可能持续振 荡且幅值不断增加，此时若不加以控制则可能导致 系统解列，更严重时会造成大面积停电事故。 强迫功率振荡是引起电力系统低频振荡的原 不可确定性，使得风电场输出功率出现持续周期 性小扰动。若这种扰动与风电场接人点负荷周期 因之一。文献［５］通过特征值分析法分析电力系 统强迫功率振荡机理，指出了这类强迫功率振荡 性扰动相叠加，就可能使传输线产生很强的功率 振荡。并且这种功率振荡会随着接入点风电场的 容量增大而增大，这种不确定性的扰动叠加，将会 给电网的正常运行带来很大影响。 与负阻尼低频振荡的不同。 本文阐述了电力系统强迫功率振荡的机理， 建立了风速模型，重点研究新疆电网薄弱地 区——阿勒泰地区风电场的各种风扰动与风电接 文献［１］指出，电力系统在扰动情况下，输电线 上功率会发生振荡，其频率为０．１～２．５ Ｈｚ，远低于 入点负荷功率随机扰动叠加时引起系统强迫功率 国家自然科学基金：５１０６７００９ ｌ０ 华北电力技术 ＮＯＲＴＨ ＣＨＩＮＡ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＰＯＷＥＲ 振荡的情况。 ｌ 电力系统强迫功率振荡机理 川 设发电机采用经典二阶模型，线性化后的运 行方程为： ＋ ２Ａ６＝ｈｏ ｓｉｎ（ｃＯｔ）（１） 式中：卢＝ 为阻尼系数； 。： 为自然振荡 频率； ＝（Ｅ Ｕ／Ｘ∑）・ｃｏｓ６。为同步力矩系数（Ｅ 为发电机暂态电势，Ｕ为发电机端电压， 为发 电机等值阻抗， 为发电机角度）；ｈ＝Ｆ。／Ｍ（同 步力矩系数Ｋ、阻尼转矩系数Ｄ、机组惯性时问常 数Ｍ以及扰动幅值Ｆ。）；ｈ。ｓｉｎ（０９）为持续的周期 性小扰动（ｔ为时间）；将（１）式写成： 互＋２ ＋甜 ２ ＝ｈｓｉｎ（ＣＯｔ） （２） 式（２）仍为二阶常系数线性非齐次微分方 程，它的解由通解 （ｔ）和特解 ：（ｔ）两部分 组成： ： （ｔ）＋ ２（ｔ） （３） 则通解： 。（￡）＝Ａｏｅ一 （ ～卢 ｔ＋ ０） （４） 特解设为： ２（￡）＝Ａｓｉｎ（ＣＯｔ＋ ） （５） 通解 （ｔ）是一个减幅振荡，参数Ａ。、 。由初 始条件决定。 特解 ，（ｔ）是一个由扰动引起的强迫等幅振 荡，即稳态响应，其振荡频率与扰动频率相同。式 （５）中： Ａ＝ ／√（ ｉ一∞ ） ＋ ∞ （６） ：ａｒｃｔａｎ一 （７） ∞０一 由式（６）知，振荡幅值达到最大时， ＝∞ ： ∞ ＝√ 一２卢 （８） 则最大振幅： ４ ：—— （９） ２卢√ 一卢 因此可知，若存在一种周期性扰动，当这种扰 动频率与系统的自然振荡频率相同或接近时，就 可能会引起大幅度振荡，且振荡频率、振荡幅值和 振荡阻尼与系统的相关参数有关。 ２ 风速模型 风力发电机组的输出功率会随着风速变化，相 应地，电网将持续受到风电场功率扰动源的干扰。 风速的持续变化在一定时间和空间范围内是随机 的，但从长期统计结果来看，风速的变化仍然具有 一定的分布规律。风速变化的时空模型原则上可 由基本风、阵风、渐变风、随机风４部分组成 。。。。 ２．１基本风 在风力发电机正常运行的过程中，基本风一 直存在，且基本上能反映风场平均风速的变化。 它还决定了风力发电机向系统输送额定功率的大 小。可以由风电场测风所得的威布尔（Ｗｅｉｂｕｌ１） 分布参数近似确定： Ｖ ＝Ａ・Ｆ（１＋１／ｋ） （１３） 式中 ——基本风速，ｍ／ｓ； ｒ——伽玛函数； Ａ、 ——威布尔的尺度函数和形状函数。 ２．２ 阵风 阵风可以模拟风速突然的变化特性，此时段 内风速具有余弦特性。分析风电场对电网电压波 动的影响时，通常用阵风来考核在较大风速变化 情况下的动态特性（电压波动特性）。 ＜鬈 ， 其中： 等［ ｏｓｚ ｃ ）１ 式中Ｇ…——阵风峰值； ——阵风开始时间； ——阵风周期； ——时间。 ２．３渐变风 用渐变风来模拟风速的渐变变化特性。 ｆ ０ ｔ＜Ｔｌ 或ｔ＞Ｔ２ ＋ 器 ） Ｌ ＲＴ２ ＜ｔ≤Ｔｚ ＋ …式中Ｒ…——渐变风最大值； ￡——时间； ７’『——渐变风保持时间； ——风速渐变开始时问； ——风速渐变结束时间。 ２．４随机风 随机风的计算如下： Ｖ ＝２∑［ｓ （ ）ＡｃＯ］ ｃ０ｓ（ｃＯ ＋ ） （１６） 华北电力技术 ＮＯＲＴＨ ＣＨＩＮＡ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＰＯＷＥＲ 其中： ｓ ＝ ；＝（ｉ一１／２）△∞ 式中ｓ （（￡Ｊ；）——第ｉ个随机分量的振幅； △ ——随机分量的离散间距； ；——第ｉ个分量的角频率； ——，在０～２ｗ之间服从均匀概率 密度分布的随机变量； ——平面扩张系数； Ｆ——紊乱尺度因子； 在参考高度的平均风速。 综合上述４种风速描述，可建立组合风速数 学模型为： Ｖ＝Ｖｗｂ＋ ＋ ＋Ｉ／ （１７） ０ ０ Ｏｎｄ＼槲薄 Ｏ ０ ０ Ｏ ０ ０ ３ 仿真分析 本文算例是仿真风电场（由３种风力发电机分 别组成）通过升压变至１１０ ｋＶ后接入新疆电网阿勒 泰地区龙湾变电站低压侧。电网结构如图１所示。 图ｌ 网勒泰电网地理接线不意图 风电场接入地区电网具有以下特点： （１）阿勒泰地区电网结构薄弱，以１１０ ｋＶ为 主，仅一条２２０ ｋＶ线路与新疆主电网联络； （２）阿勒泰地区电网有２座水电站（山口水 电站与６３５水电站）和１座火电厂（北屯电厂）； （３）风电场容量为４９．５ ＭＷ，由３种不同的风 力发电机分别组成；接入２２０ ｋＶ龙湾变中压侧。 风电场不同风扰动时，龙湾变至额尔齐斯变 传输线（龙齐线）功率振荡情况如图２所示。 由图２可以看出，当风电场受到不同风扰动时， 会引起风电场出力发生很大的变化，进而引起龙齐 线强迫功率振荡，由随机风引起的振荡幅值最大。 风电场接人点的负荷随机扰动对龙齐线功率 的影响，如图３所示。 仿真时间／ｓ 图２不同风扰动时引起的龙齐线有功功率振荡 ｊ ＼ 糌 嚣 雷 拉 图３ 负荷功率随机扰动时引起的有功功率振荡 由图３知，当负荷扰动频率达到１．１９４ Ｈｚ 时，引起龙齐线上功率振荡幅值最大，其他扰动频 率引起功率振荡幅值较小。 风电场的风扰动与接入点负荷扰动叠加时， 对风电场至龙湾变传输线的影响如图４～６所示。 风电场的风扰动与接人点负荷扰动叠加时， 对龙齐线的影响如图７～９所示。 风电场的风扰动与接入点负荷扰动叠加时， 对附近火电与水电出力的影响如图１０～１２所示。 从图４～９可以得出： ０ 槲 雷 仿具时Ｉ司／ 图４异步机风电场风扰动与负荷扰动叠加 （１）不论哪种机型组成的风电场，随机风与 负荷扰动叠加时，引起系统功率振荡幅度最大，对 系统影响也最大； （２）对于风电场至龙湾变传输线上的功率振 荡来说，直驱风机组成的风电场受到随机风和负 华北电力技术 ＮＯＲＴＨ ＣＨＩＮＡ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＰＯＷＥＲ １３ 力发电机组成的风电场接人２２０ ｋＶ龙湾变中压侧 时，风扰动与负荷扰动同时引起风电场至龙湾变和 龙湾变至额尔齐斯变传输线功率产生强迫功率振 荡的情况以及阿勒泰地区２座水电站１座火电厂 的出力变化情况。特别是随机风与负荷扰动叠加 ［３］方思立，朱方．电力系统稳定器的原理及其应用 ［Ｍ］．北京：中国电力出版社，１９９６． ［４］袁季修．电力系统安全稳定控制［Ｍ］．北京：中国电 力出版社，ｌ９９６． ［５］汤涌．电力系统强迫功率振荡分析［Ｊ］．电网技术， １９９５，１９（１２）：６—１０． 时，引起的功率振荡幅度最大，对６３５水电站出力 影响也最大。随着该地区更多大容量风电场接入， 这种由风扰动和负荷扰动引起的系统强迫功率振 荡，必将给薄弱地区电网的安全稳定运行带来巨大 的影响。所以电网薄弱地区的发电机组在进行 ［６】解大，张延迟，项真．三种风力发电机组的建模与仿 真［Ｊ］．能源技术，２００８，２９（６）：３４３—３４９． ［７］汤涌．电力系统强迫功率振荡的基础理论［Ｊ］．电网 技术，２００６，３０（１Ｏ）：２９—３３． ［８］蔺红，晃勤．并网型风力发电机的建模与仿真［Ｊ］．可 再生能源，２００６，４（１２８）：６３—６５． ＰＳＳ整定时需要综合考虑风电影响的因素，需要验 证风电扰动的影响，以使得ＰＳＳ的效果更加全面。 参考文献 ［１］倪以信，陈寿孙，张宝霖．动态电力系统的理论与分 析［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００２． ［９］汤宏，吴俊玲，周双喜．包含风电场电力系统的小干 扰稳定分析建模和仿真［Ｊ］．电网技术，２００４，２８（１）： ３８＿４１． 收稿日期：２０１０—１０－０９ 作者简介：胡仁祥（１９８７一），男，硕士研究生，研究方向为电力系 ［２］徐衍会，贺仁睦，韩志勇．电力系统共振机理低频振荡扰 动源分析ｆ Ｊ］．中国电机工程学报．２００７，２７（１７）：８３＿８７． ９ｋｒ夸 ，９‘ 韭，统稳定与控制。 （本文编辑‘ｅ・ ：ｋ・９ ・：Ｉｋ ・ｓ ，９ ’ 夸妊，９ 。— 夸 夸 ９ｋ ９譬，— ｋ｝ 张永娜） ， 。业—§ ・９ ・ 毒妊ｒ・：Ｉｋｒ， ｋ｝’ｓ‘ ，９ ，９；ｅｒ窖 ， 夸 宣；ｅ，’囊ｋｒ’ｊ●｝’ｓ ｝，９ ’９‘ ，９ｋ，业（上接第８页） 以直观的方式表示给运行操作人员； （３）采用针对热电厂循环水系统改进分析方 法的主要优点是投入小，效果明显，不需对设备进 行改造。相对其它的节能措施来讲，该方法投资 较小。但是该方法的成功开发却能使热电企业的 Ｐ——机组单位时间发电量，ｋＷ； 一循环水泵单位时间耗电量，ｋＷ； 叩。——供热的价格，元／ｔ； 叼 ——供电的价格，ｙ／（ｋｗｈ）； Ｐ ——汽轮机抽气压力，Ｐａ； ——汽轮机进气流量，ｔ／ｈ； 运行经济性显著提高； （４）由于研究中燃料、给水泵耗电、风机耗电 Ｄ ——汽轮机抽气流量，ｔ／ｈ； ｐ。——主蒸汽压力，Ｐａ； ——等费用没有计入整厂收益，分析结果可能存在误 差。分析方法有待进一步完善。 参考文献 ［１］刘利，裘洵隽．火电厂循环水系统优化控制技术的研 究［Ｊ］．南京工业职业技术学院学报，２００９，９（２）：３４—３８． ［２］靳智平，王毅林．电厂汽轮机原理及系统［Ｍ］．北京： 中国电力出版社，２００４． —主蒸汽温度，ｃＩ＝； ｐ ——汽轮机背压，Ｐａ； Ｄ ——汽轮机排气量，ｔ／ｈ； Ｄ ——循环水流量，ｔ／ｈ； ｔ 。——循环水初温，℃； ．ｉ｝——凝汽器总传热系数，ｋＪ／（ｍ。・ｈ・Ｋ）； ——冷却水管外表总面积，ｍ ； 汽轮机排气干度； 蒸汽凝结温度，℃； —［３］石书雨，于刚，张光．不同判定准则确定循环水系统 ——优化运行的分析［Ｊ］．热力发电，２００８，３７（９）：ｌ５－１８． ——［４］郭立君，何川．泵与风机［Ｍ］．北京：中国电力出版社， ２００８． 凝汽器进口蒸汽焓，ｋＪ／ｋｇ； 了 ——凝汽器凝结水焓，ｋＪ／ｋｇ； ［５］Ｉｇｏｒ Ｎｅｄｅｌｋｏｖｓｋｉ，ｌｌｉｏｓ Ｖｉｌｏｓ，Ｔａｌｅ Ｇｅｒａｍｉｔｃｉｏｓｋｉ． Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｏｐｔｉｍａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｐｌａｎｔ Ｃｏｏｌｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ Ｃｐ——水的定压比热，对循环冷却水，可取 Ｃ。＝４．１８６ ８ ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ）。 ［Ｊ］．ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ａｐｒｉｌ ２００５：２０９—２１ １． 收稿日期：２０１０－０９－０３ 作者简介：孙灿辉（１９８７一），男，华北电力大学核热工安全与标 附录 文中出现符号意义及单位 ．，——热电厂单位时间的比较收益，元／ｈ； Ｄ——机组单位时间供热量，ｔ／ｈ； 准化研究所在读硕士研究生。 （本文编辑杜秋平）