含风电和光伏发电的综合能源系统的低频振荡

第３４卷第１期

电力科学与技术学报

JOURNALOFEIECTRICPOWERSCIENCEANDTECHNOLOGY

Vol􀆰３４No􀆰１

Mar􀆰２０１９

２０１９年３月

含风电和光伏发电的综合能源系统的低频振荡

和　萍,武欣欣,陈　婕,李从善,季玉琦

()郑州轻工业大学电气信息工程学院,河南郑州４５０００２

摘　要:综合能源系统通过综合利用风电和光伏发电,提升间歇性能源发电的能力和效率,可实现多种能源合理高效利用,然而,随着新能源渗透率的不断提高,其间歇性、随机性和不确定性的特点为电力系统稳定性带来新的挑战.在此背景下,针对含风电和光伏发电的综合能源系统,研究其对电力系统稳定性的影响.基于完整的风力和光伏发电系统的数学模型及控制结构图,采用特征根分析和时域仿真法,分别研究了不同风电和光伏消纳工况对电力仿真结果表明:不同风光接入点和容量配比,对电力系统低频２区电力系统为例对所提方法进行说明并验证有效性,振荡特性的影响程度有明显区别.

关　键　词:综合能源系统;电力系统;风电;光伏发电;低频振荡

系统低频振荡特性的影响,包括风光单独接入、不同的风光并网接入点、不同的风光互补容量配比等.以IEEE４机

()中图分类号:TM７１５　　　　文献标志码:A　　　　文章编号:１６７３Ｇ９１４０２０１９０１Ｇ００２０Ｇ０８

Lowfreuencscillationofaninteratedenersstemwithwindandsolarpowerenerationqyoggyyg

,WUX,,,HEPininＧxinCHENJieLIConＧshanJIYuＧiggq

(,)ZhenzhouUniversitfLihtIndustrZhenzhou４５０００２,Chinagyogyg

,snthesizedutilizinindandsolarpowerthecaabilitndutilizationefficiencfintermittentenerourcegenＧygwpyayogys,erationcanbeenhanced．WiththeeverＧincreasinenetrationofwindandsolarpowertheinfluenceofnewenerngpgyoowersstemstabilitasbecomeextensiveconcernsoftheindustrialandacademicsectorsinthepowersstemcomＧpyyhymunitBasedonthemathematicalmodelsandcontrolstructurediaramsofsstemswithwindpowerandsolarowＧy．gyp

:AbstractAninteratedenerstemcanpromotetherationalandefficientutilizationofvariousenerources．Bggysygysy

solarpoweroeratinodesbmlointheeienvalueanalsisanddnamictimeＧdomainsimulations．TheseoerＧpgmyepyggyyp,,ationalmodesincludewindandsolarpowerinteratedalonewindandsolarpowerinteratedindifferentointsandggpvariouswindandsolarhbridcaacitratios．AnIEEE２Ｇarea４ＧunitsstemisemloedtoveriftheproosedmethＧypyypyypmodes．

,ergenerationlowfreuencscillationcharacteristicsforpowersstemareanalzedunderdifferentwindpowerandqyoyy

od．Itisshownthatimactlevelonlowfreuencscillationcharacteristicsisdifferentunderdifferentoerationalpqyop:;;Keordsinteratedenerstem;owersstem;windpowersolargenerationlowfreuencscillationggysypyqyoyw

收稿日期:修回日期:２０１９Ｇ０１Ｇ２０;２０１９Ｇ０３Ｇ０８

;;基金项目:国家自然科学基金(河南省科技攻关项目(河南省高等学校青年骨干教师基金５１５０７１５７,５１６０７１５８)１８２１０２２１０１６１)

()２０１７GGJS０９３

),:通信作者:和　萍(女,博士,副教授,主要从事电力系统稳定性分析控制、风电并网等方面的研究;１９８０ＧE－mailhein＠zzuli．edu．cnpg

第３４卷第１期和　萍,等:含风电和光伏发电的综合能源系统的低频振荡

２１

为缓解环境污染问题,提高能源利用效率,多种tem,IES)已成为中国能源结构调整的重要方分配、转换、存储和消费,可实现能源的综合利用和协调优化,有助于实现中国节能减排的战略目标.

风能和太阳能是目前利用最广泛的间歇性清洁型能源,其在资源和时间分布上有很强的互补

]４－５

.如果综合利用风能和光能组成风光互补能性[

综上所述,针对面向风光互补消纳的综合能源系统对传统电力系统的影响,国内外学者做了大量研究,但大多数研究都侧重于的风电和光伏在不同工况下对系统静态、暂态和电压稳定性的影响,对风光互补能源系统接入后对系统低频振荡的影响缺乏系统地分析.在此背景下,针对含风电和光伏发电的综合能源系统,研究风光单独接入、风光并网接入点以及风光互补容量配比等不同风光消纳工况对电力系统低频振荡特性的影响,并用IEEE４机２能源混合的综合能源系统(interatedenersＧggysy

]１－３

.向[输送、IES通过对多种能源形式进行生产、

源系统,并应用到传统的电力系统中,可在一定程度上提高间歇性能源的利用效率,缓解全球能源短缺问题.然而,风光互补能源系统的引入会对传统电力系统的稳定性造成一定程度的影响,因此风光互补能源系统的低频振荡特性在电力系统的工业和学术领域已受到普遍关注.

文献[力机接入系统的电气距离在一定范围内增加时６－７

]研究结果表明:当风电穿透率和风,系统阻尼有变强的趋势.文献[的输出功率存在着不确定性,８其值取决于风电场的]表明并网风电系统位置、装机容量以及风速的强弱程度.文献[了风电接入不同区域及不同出力时,对系统不同振９]研究荡模式阻尼特性的影响.文献[率一致的工况下,对比研究了不同风机类型对系统１０]在保持风电渗透小干扰稳定和暂态稳定的影响.文献[配置光伏电站的输出功率可以改善系统可靠性１１]表明合理.文献[善系统的电压稳定性１２]研究表明,提高并网点功率因数可以显著改.文献[入位置与接入容量对于区间低频振荡模式的影响也１３]表明不同的光伏接不尽相同.文献[１４－１５]搭建了IEEE１６机６８节点系统,研究光伏接入系统的位置变化及渗透率变化对系统稳定性的影响,研究结果表明,系统阻尼受到潮流变化的影响,随着光伏渗透率的增大,区域振荡模态的部分特征根会加剧恶化.文献[究了光伏渗透率的提高对互联输电网的静态１６－１、７小干]研扰及暂态稳定性的影响,仿真结果表明,光伏渗透率、干扰的种类及故障位置这些因素,均会改变光伏接入电力系统后对其稳定性的影响.文献[明风光接入可以有效地提高系统输出功率的１８稳]表定性.文献[量,可以提高能源利用效率１９

]表明合理配置风光互补发电系统的容.

区域电力系统为例进行说明.

　风力发电系统模型与控制

常用的双馈风力发电机组(iongenerator,DFIG)

及其控制结构如图doublyf

１edi所示nd.ucＧ图１　风力发电机系统控制结构

Fig

ure１　Thecontrolstructureblockdiagramof风力发电机组空气动力学数学模型为

awindpowergenerationsy

stemPm＝ρCp(λ,βλ＝ωR式中　P/)

vπR２v３/２((１２

))m为风电机组从风中获取的能量转化成的风电机组机械功率;v为风速;ρ为空气密度;R为风力机叶轮半径;λ为叶尖速比;β为桨距角;

ω为风力机转速;Cp为叶片的风能转换效率系数,是λ与β的函数,改变λ与β可以改变Cp的大小.当叶尖速比达到最大值λmax时,风能转换效率系数也将达到其最大值Cpmax风力发电最大功.

率点跟踪(就是通过测量实时风速ointtracking,MPPT),调整风机转速控制中的最佳叶maximumpower

,使叶尖速比

尖速比法达到最大值λmax持在最大值C,从而使风能转换效率系数始终保pmaxDFIG在d、q.

坐标轴下的４阶数学模型为:

１tp２２

电　　力　　科　　学　　与　　技　　术　　学　　报２０１９年３月

式中　iiLsds和s分别是定子电流的d、q轴分量;q′′xixs－xLmì１′sddss′′ï()()ixiu１seeudr＝－r＋＋－－＋－s＋dsssdsrdssqq′′ïωsdtLrωsTωT０s０ï′′ïxixs－xLm１′sdqss′′)rii１－seeu＝－(s＋s－xsds＋us－(r)s－ds－rqqqq′′ïωsdtLrωsT０ωsT０ï

í′ïdeLm１′ds′′sωseuexs－xi＝rs－ωsr－′[ds＋(s)s]qqqïdtLTr０ïï′deLm１′qs′′ï[qs－(sωeωuxs－xi＝－＋－rsdssdrs)ds]ïd′eLrT０ît()３

由于光伏阵列通常由若干个光伏电池串并联而成,

是定子自感;Lr是转子自感;Lm是定转子互感;x′s是定子暂态电抗;Sr是转子转差率;ωs是发电机同

步转速;e′ds和e′qs分别是暂态电势的d′、q轴分量;０是转子时间常数;量、uds和uqs分别是定子电压的q轴分量;udr和uqr分别是转子电压的d.其风速模型、空气动力学模型、两质量模块机械

、q轴分传动系统和控制系统模型可参见文献[再赘述.

２０],在此不　光伏发电系统模型与控制

在光伏发电系统中,对光伏电池进行串并联等效可得到光伏阵列的模型.封装的光伏电池加上功率控制器等元件构成光伏发电装置.太阳能电池

板[２１－２２

]能直接将太阳光转化为电能,可供用户使用

或者并网发电.光伏发电系统控制结构如图２所示.

图２　光伏发电系统控制结构框图

Fig

ure２　Thecontrolstructureblockdiagramof基于光伏电池特性的等效电路如图aphotovoltaicpowergenerationsy

ste３m所示.图

中,Iph为光生电流;ID为二极管电流;I为光伏电池的输出电流;URoc为开路电压;RL为外接负载电阻;s和Rsh分别为等效串联和并联电阻.基于上述等效电路,由基尔霍夫定律,可得光伏

阵列的U－I方程:

I＝IIphq(U＋IRs)/nkT)－

０(e－１－(U＋IRs)/Rsh

(４

)且Rs很小,RIsh很大,

则光伏阵列输出特性方程为＝npIph－npI０e(q(U＋IRs)/nsnkT－１)(式中　I５)０为二极管反向饱和电流;

np和ns分别为光伏阵列中组件的并联数和串联数;q为电子电

荷,q＝１６．

×１０－１９

×１０－２３

J/K;T为绝对温度C;k为玻耳兹曼常数,k＝１．３８;n为光伏电池的理想

因数.

图３　光伏电池等效电路

Fig

ure３　Theequivalentcircuitofaphotovoltaiccell３　风光互补能源系统模型与控制

风光互补能源系统由风力发电系统和光伏发电系统联合组成,风电场与光伏阵列发出的电能经过一系列变流升压后统一并入电网.并网风光互补能源系统控制结构如图风光互补能源系统存在４所示.

３种运行状态:一是风

电机组单独发电状态;二是光伏阵列单独发电状态;

图４　风光互补发电系统控制结构框图

Fig

ure４　ThecontrolstructureblockdiagramofawindＧsolarhybridenergysy

stemTd２第３４卷第１期和　萍,等:含风电和光伏发电的综合能源系统的低频振荡

２３

三是风光互补发电状态.风速、光照强度、负荷用电量和储能装置的充放电能力共同决定了风光互补能

]２３

.由于这些影响因素都有很源系统的运行状态[

荡,模式３为区域１和区域２内发电机组之间的区域振荡.风电场与光伏阵列分别接入时,系统分别增加了一个与风机和光伏相关的区域间振荡模式风电与光伏单独接入４.与风电和光伏接入前相比,

时,模式１的阻尼比均有所下降,模式２与模式３的阻尼比均有所上升.风电单独接入与光伏单独接入时相比,模式２的阻尼比相同,但风电单独接入时模式１的阻尼比较大,而光伏单独接入时模式３与模大的随机性,为使风光互补能源系统始终运行在最优状态,控制器尤为重要.控制器的作用主要有以下几个方面:①控制风电机组和光伏阵列的输出功输出进行协制;④对系统进行保护和监测.率;②控制储能装置的充放电状态;③对系统的输入

　风光互补消纳方式对电力系统低频

振荡影响分析

．１　算例系统

在EEE４MA机２TL区A互B/联Si系mu统li,nk下构建如图包括２个相似的５所示的

区域系统,并通过密耦合的机组１条联络线连接,每个区域各有.系统基准容量为２台紧频率为便于分析５０H,这里采用风机单机模型来代替整个风电z.系统详细参数可参见文献１００MV􀅰[２A０,]基准.为场,光伏单机模型来代替整个光伏阵列.

图５　IEEE４机Fig

ure５　TheIEEE２Ｇare２区域电力系统

a４Ｇunitinterconnection．２　风电和光伏发电单power独sy

s接te入m对电力系统阻尼特性的影响

为分析互联系统在风光单独接入时系统的阻尼特性,在此主要针对以下CCas３种工况进行特征根分析:

未接入风电场与光伏阵列.Caasese１e２:

３::只接入风电场,风电场出力为３０MW为３.MW.

只接入光伏阵列,光伏阵列出力０表表１给出的是,系统原有３种情况下系统部分特征根.由

分别为区域１可知１和区域３个振荡模式:模式２内发电机组之间的局部振

１和模式式入系统均可在一定程度上提高系统的稳定性４的阻尼比较大.由此说明:风电与光伏单独接,同时,

两者之间存在互补性.

表１　风光单独接入下系统部分特征根

Table１　Partialeigenvaluesofthesy

stemwithwindpowerandsolarpowerseparateinteg

ration工况

特征根

频率/－０．９８３５±j６．９１０９１．１１１０Hz阻尼比/相关机组Case１－－１．２０６０±j

７．１９５２１．１６１１１１４６．０．５９％

３G１G２－０７．４７

G３G４G１G３－０．３１．９０．２８２５４３３±j４．０３７７０．６４４４４３±±j

j

６７．９．１１７２６３９１１．１．１１５１３Case２－０．３０９６±j

４．０４３３０．６４５４８８１１４７．０８G１G２７．０．６９３G３G４－０．４０２７±j０．８４７６０．１４９４４２．９１GG１G３

１－－０１．９．２７４５９４３±±j

j６７．９．１１７４１３７１１．１．１１５１３１Case３－０．３１６１±j

４．０２４５０．６４２５８８１３DＧFG４IG,７．９G１７．０８．８９３

GG２３GG４１－０．３４５２±j０．６８８３０．１２２６４４．８３

GＧGG３１４PV,４．３　风光接入点不同对电力系统阻尼特性的影响

为分析互联系统在不同接入点消纳新能源时系统的阻尼特性,在此主要针对以下接入方式进行特征根分析、小干扰分析与三相短路分析:

C场出力为Caassee４５:

:未接入风电场与光伏阵列风电场与光伏阵列均接入区域.１,风电２,Case６３:０风MW电场,光伏阵列出力为接入区域１,光伏４０阵MW列接.

风电场出力为入区域表２给出的３是０３MW种接,光伏阵列出力为入方式下系统部４０分MW特征

.根.由此可知,系统原有３个振荡模式:模式２分别为区域１和区域１和荡,模式３为区域１和区域２内发电机组之间的局部振

２内发电机组之间的区

４４I４２２４

电　　力　　科　　学　　与　　技　　术　　学　　报２０１９年３月

表２　不同接入点下系统部分特征根Table２　Partialeigenvaluesofthesy

stemunderdifferentinteg

rationpoints工况

特征根

频率/Case４－－０１．９．２８０３５６０±±jj

６７．９．１１９０９５２１１．１．１１６１０Hz阻尼比/相关机组１１１－１４６．０％

．５９G１G２－００．３．９０７２５５９±±jj

４６．０．９３１７７２３０１．６．１４１４４１０７．４３G３G４Case５－－０１．３．２２９５３４８±±j

j

４７．０．１２４２７２３０１．６．１４５２３５３１７

G１１３７．９GG３１G２８．８８．０４６G３G４－０．４０４９±j０．８５７５０．１５０９４２．７０GG１G３

１ＧG４,－－０１．９．２８８４８５１±±j

j６．９１２６１１．１．１１５１３１４．DFGIG,PV

１Case６－０．３２４６±j

４７．０．１４６６４１７０．６４６１８０１７１G２８．６１．０６９

G３GG４１－０．４０６３±j０．８４９８０．１４９９４３．１３

DGG３１FIＧGG,４P,V

域振荡.风电场与光伏阵列接入时,系统增加了一个与风机和光伏相关的区域间振荡模式入点的不同对系统阻尼振荡有一定的影响４.,风光接风光同时接在送电侧时,与接入之前相比,模式,模式光分别接在送电侧和受电侧时２与模式３的阻尼比有所上升１的阻尼比有所下降.风,与接入之前相比,模

式１、模式２以及模式３的阻尼比均有所上升.且与风光同时接在送电侧相比,仅模式１、模,风光分别接在送电侧和受电侧比同式３与模式４的阻尼２阻尼比略微下降,模式比均有所上升.由此说明时接入送电侧时系统更易趋于稳定.

假设母线波动７上的负荷在１．０~１．０５s期间向上别给出在小１０％,仿真时间为干扰工况下２０风s光,频率为不同接５０H入点z时.发图电６分机G１功角与母线统双回联络线接地,t＝１．０５s８０

~９电压的时域仿真图.假设互联系时故障消除９中一回在t＝１．０s时三相短路,仿真时间设置为系统频率为５０Hz,初始条件下,风机出力２为０s３０

,MW况下,,风光出力相同光伏出力为４０,改变接入点时发电机MW,图７给出在三相短路工G２功角与母线１１电压的时域仿真图.

在角曲线的稳定时间和振幅均变化不大３种接入方式下,由图６可知,发电机.在风光接入G１功系统后,母线０９的电压曲线在风光分别接在送电侧

图６　不同接入点下小干扰响应曲线

Fig

ure６　Smallinterferenceresponsecurvesunderdifferentinteg

rationpoints图７　不同接入点下三相短路响应曲线

Fig

ure７　ThreeＧphaseshortＧcircuitresponsecurves和受电侧时的稳定时间较短underdifferentinteg

r,a振幅较小tionpoints.由图发电机G线的稳定时间和振幅均７可知,２功角曲变化不大.母线受电侧时曲线的振幅最小１１电压曲线在风光分别接在送电侧和,稳定时间相对较短.由此说明,风光分别接在送电侧和受电侧比同时接入送电侧系统在发生小干扰和三相短路时更易趋于稳定.

经过对风光在析、小干扰分析以及三相短路分析３种不同接入方式下的特征根分

,可以得出:风光分别接在送电侧和受电侧比同时接入送电侧时系统

的阻尼特性更好,更易趋于稳定.

．４　风光互补容量不同对电力系统阻尼特性的影响

针对风光分别接在送电侧和受电侧工况下不同容量配比时对系统稳定性影响进行分析.设置的容量配比为:为３０CaMWse７se８.:风电场出力为１０MW,光伏阵列出力为４０CaMW.:风电场出力为３０MW,光伏阵列出力为７５CaMWse９.

:风电场出力为７５MW,光伏阵列出力表３给出了３种不同容量配比下系统的部分特４第３４卷第１期和　萍,等:含风电和光伏发电的综合能源系统的低频振荡

２５

征根.可知,当接入点相同时,改变风机与光伏的出力,模式１、模式２和模式３的阻尼比均有所升高,与风机和光伏相关的区域间振荡模式４的阻尼比有所降低.由此说明,风光容量配比影响风光互补能源系统的稳定性.

,.图８分波动１仿真时间为２频率为５０％,０s０Hz电机G３电压的时域仿真图.假设１功角与母线０假设母线７上的负荷在１．０－１．０５s期间向上

图９　不同容量配比下三相短路响应曲线Fiure９　ThreeＧhaseshortcircuitresonsecurvesppg

underdifferentcaacitatiospyr

别给出在不同风光容量配比下系统遭受小干扰后发

互联系统双回联络线＝１．０５s８－时故障消除９中一回在t＝１．０s时三相短路接地,t,仿真时间设置为风光容量配比下２０s,系统频率,为发电机５０HGz.图９分别给出在不同２功角与母线时域仿真图.

０９电压的表３　不同容量配比下系统部分特征根Table３　Partialeigenvaluesofthesy

stemunderdifferentcapacityr

atios工况

特征根

频率/－０．９８３７±j

６．９１６０１．１１１８Hz阻尼比/相关机组Case７－－０１．３．２１４７９４８±±j

j

４７．０．１５８６２７６０１．６．１４６７５１０１％

１４．０８G１７７．８．０１

６GG２３GG４１－０．４０２３±j０．８０７８０．１４３６GG３

４４．５８１ＧG４,－－０１．９．２８８４８５１±±j

j６７．９．１１６２６１７１１．１．１１５１３Case８－０．３２４６±j

４．０４６４０．６４６１８０１４．DFGIG,PV

１１８７１１．０．６９

６GG２３GG４１－０．４０６３±j０．８４９８０．１４９９GG３４３．１３１ＧG４,－－０１．９．３８９６７３０±±j

６．９０３６１．１０９９１DFGIG,PV

１Case９－０．３４３３±４．０２６４０．６４１４．G２j

j７．０８１８１．１４３１８７８９１５．５．３０

０G３G４３－０．３４５２±j０．９９３８０．１６７４３２．８１

DGG１G１FIＧGG,４P,V

图８　不同容量配比下小干扰响应曲线Fig

ure８　Smalldisturbanceresponsecurvesunderdifferentcapacityr

atios在为１０MW３种容量配比下,由图,光伏阵列出力为８可知,当风电场出力

母线３０MW时,发电机G１功角曲线的振幅最小,最短.由图列出力为９可知,风电场出力０３电压曲线的稳定时间为１光伏阵线的振幅最小３０MW时,,且母线G０MW,最短.由此说明,风电场和光伏阵列的出力较小时０２功角曲线与母线９电压曲线趋于稳定的时间０

９电压曲,

系统在发生小干扰和三相短路下更易趋于稳定.

经过对系统在不同风光容量配比下的特征值分析、小干扰分析以及三相短路分析,可以得出:风光容量配比影响风光互补能源系统的稳定性,并且风

电场和光伏阵列的出力较小时,系统的稳定性更好.

　结语

针对风光互补消纳的综合能源系统对电力系统低频振荡特性的影响问题,该文基于完整的风力发电与光伏发电系统模型,以IEE风光并网接入点与风E４机２区电力系统为例,研究了风光单独接入、光互补容量配比等不同风光消纳工况对电力系统低频振荡特性的影响.仿真结果表明:在提升系统阻尼比方面,风光具有互补性;风光分别接在送电侧和受电侧比同时接入送电侧时系统的阻尼特性更好,更易趋于稳定;不同的风光容量配比对互联电力系统的稳定性的影响也不同.参考文献:

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