基于特征结构分析法的风电系统静态电压稳定分析

景小东林丽蓉

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摘要：针对风电场（基于异步风电机组构成）并网对原有电力系统静态电压稳定性的影响，结合异步发电机组的无功－电压特性，采用收敛潮流雅克比矩阵特征结构分析法，分析风电场的接入对系统静态电压稳定性的影响。在标准IEEE－30节点系统中并入风电场进行仿真分析，研究表明风电场的接入使得原有系统静态稳定裕度降低，弱稳区域扩大，负荷裕度降低。与其他方法相比此方法更好的实用性和灵活性，适用于大型电力系统。

关键词：特征结构；风电场；静态电压；弱稳区域；稳定

引言

与常规发电机组相比，风电并网具有显著的特点，如风能的随机性和不确定性、风电场远离主电力系统和负荷中心、风力发电机组（恒速恒频机组）运行时向系统发送有功功率但吸收无功功率、原有的地方电力系统按常规设计缺乏电压控制设备和措施等。鉴于此，风电并网系统中存在的电压稳定性问题值得研究和解决。目前，对风电场静态电压稳定问题研究主要是针对提高电能质量和确定风电场容量和系统安全裕度，其研究方法主要集中于静态分析法中的最大功率法和灵敏度分析法。而电力系统静态分析法中的特征结构分析法不仅能够提供电压失稳的机理性信息，而且可以确定系统的电压薄弱区域、关键节点，有利于在合适的位置进行电压控制，以提高系统的电压稳定性，防止系统出现电压失稳或电压崩溃事故。

1系统雅克比矩阵的特征结构分析

1.1特征结构分析法原理假设所研究的电力系统有N个节点，其中n个PV节点，m个PQ节点和一个平衡节点，则极坐标下系统潮流方程为式（1）：

式中：vki，uki分别为系统潮流方程雅可比矩阵J的第i个特征值λi相对应的左、右特征向量的第k个分量；Pki是无量纲的纯数，称为参与因子。定义相关比：

式中M为风电场中并联运行的异步发电机台数，Pik和Qik为第k台机组的有功和无功输出；其中Pik由风电场风速决定，Qik是机端电压函数，由式（8）决定。在应用牛顿－拉夫逊法计算潮流过程中，只需修改雅克比矩阵中对应元素ViΔQi/ΔVi即可，其他元素的表达式及计算步骤与传统电力系统的潮流计算无差别。

图1IEEE-30节点系统接线图

3风电系统特征结构分析步骤

由特征结构分析原理可以看出，当系统从运行点向极限状态过渡时，系统总是以最小模特征值λmin确定的模态首先发生电压不稳定，因此，只要计算出λmin以及对应的左右特征向量，就可以找出与λmin确定的模态强相关的节点，构成系统的弱稳区域。具体步骤可以分为如下三步：第一步：根据初始条件，计算风电场有功输出，利用异步电机的Q-V特性，修改风电场对应节点的雅克比矩阵元素进行潮流分析；第二步：提取最后一次迭代收敛的潮流雅克比矩阵，利用数值解法求解λmin及其对应的左右特征向量；第三步：计算λmin模态下各节点参与因子，找出强相关节点构成系统弱稳区域，确定系统保护方案。4算例分析本文以IEEE-30节点系统作为算例进行分析，系统接线图如图1所示，拟将13号节点的常规发电机组换为同等功率由异步风电机组构成的风电场，分析风电的接入对系统静态稳定裕度和弱稳区域的影响。分析过程中记录最小特征模式下节点参与因子大于0．3的节点，构成系统的弱稳区域。

结语

特征结构分析法在本质上是对传统灵敏度法在雅克比矩阵特征空间中进一步剖析，风电场并网后根据异步风电机组的无功-电压特性，通过修改传统电力系统潮流计算中风电场并网节点对应元素求解系统潮流（风电场节点的有功输出通过风速确定），提取最后一次迭代收敛的潮流雅克比矩阵进行特征结构分析，通过在IEEE-30节点系统中的13号节点接入风电场进行仿真分析，得到以下结论：（1）系统潮流雅克比矩阵的最小模特征值提供了系统静态稳定裕度信息；（2）风电场的接入使得原有电力系统的静态稳定裕度降低，弱稳区域扩大；（3）风电场的接入对系统的失稳方式影响不大，但是系统的负荷裕度降低，母线电压有所上升；（4）通过和其他研究电力系统静态稳定方法相比，此方法物理概念清晰，在计算和实用性方面有明显的优越性。

参考文献：

［1］陈金富，陈海焱，段献忠．含大型风电场的电力系统多时段动态优化潮流［J］．中国电机工程学报，2006（3）：31－35．

［2］黄亚峰，苑田芬，兰文博等．大型风电场并网对电力系统静态电压稳定性的影响［C］．中国电机工程学会第十届青年学术会议，2008．