（华中科技大学中欧清洁与可再生能源学院 武汉 430000）
摘要：在风火打捆外送系统的背景下，分析了3种可能的风火打捆电源结构，即新增风电接入平衡新增负荷方案，新增风电后同步电机减出力方案，新增风电替换同步电机方案。在相同风电比例的条件下，比较了各接入方案对送端系统暂态稳定性的影响，分析结果表明新增风电后同步电机减出力方案暂态稳定性优。
关键词：风火打捆；双馈风机；暂态稳定
风力发电是最具前景，可大规模开发的清洁能源技术。随着送端电网风电比例的逐步提高，风力波动的随机性，间歇性对电力系统的稳定运行提出了挑战。风火打捆外送作为一种近期解决酒泉等大规模风电基地风电消纳问题的最可行选择，能够有效平抑风机出力波动带来的影响。
1 风火打捆外送系统电源结构类型
一般而言，风电出力的不确定性是风电作为可再生能源的主要缺陷，比如在负荷高峰出现缺电，又或者在用电低谷出现满发状态，造成系统有功供求不平衡。为解决这个问题，在大规模风电并网的省份（甘肃，内蒙等），一种风火打捆的技术思路被提出，即采用风电和火电联合外送的方案，在风电场因为少风或无风、减少出力的情况下，火电机组能够补充出力，达到总体出力平衡的效果，这种方案一方面可以增大风电的上网比例，另一方面也为过剩的火电机组提供了新的出路。
在相同的风电比例下，风火打捆外送方案按风电接入方案可分为三种类型。第一种是不改变原有同步电机出力的情况下提高风电比例，即新增的负荷由新增的风电直接平衡（方案一）；第二种是在提高风电比例的同时减小同步电机出力但不改变同步电机的启停状态（方案二）；第三种是在提高风电比例时关停部分同步电机以平衡新增风电（方案三）。以上方案各有优劣，本文从暂态稳定角度切入对以上三种方案进行对比。
2电力系统的暂态稳定性
电力系统是一个十分复杂的系统，大到区域性的停电，小到设备的故障，都可能引发系统无法正常运行。电力系统的暂态稳定性，是指电力系统受到大扰动（短路，断路，大规模甩负荷等）后，系统内同步电机能够维持功角差稳定（维持现状或过渡到新稳定态）的特性。在没有风电并网的系统中，同步电机的暂态稳定性主要受到外部电网的影响，在含风电的系统中，同步电机的暂态稳定性可能还会受到风电场的影响
3现有成果对该问题的结论
在相同风电比例的前提下，不同风电接入方案对送端系统暂态稳定性存在不同影响。从已有的研究成果来看，若在北美39节点系统上进行仿真验证，方案三优于方案一；但在我国云贵电网上进行比较，方案一优于方案三。不同环境下，研究结果不尽相同，因此需要对研究变量进行控制，方便得出某些条件下的最优解。本文即只从暂态稳定的角度出发，对三种电源结构进行比较。
4 对风火打捆外送系统电源结构安排的思考
我国陆上风能基地通常远离负荷中心，送受端之间通过远距离超高压输电线路相连，单个风电场与其附近同步电机组成的送端系统的总容量与主网容量相比很小，因此可将单个风电场及其附近同步电机组成的系统对主网等值为风火-无穷大系统，这是下文分析的前提。
一般地，整个风电场的暂态出力变化和一台风机的暂态出力变化类似，为了简化分析，将整个风电场等值为一台风机，除了功率和直流电容相应发生变化外，其余参数在分析中不变。
考虑到风电场暂态有功出力中包含有功和无功成分，且在不断变化中，因此将等效风机进一步等值为可变电阻和可变电抗。若规定风电出力为正方向，则风机可等效为可变负电阻和可变负电抗。一般的，风机和同步电机进行并联发电，当风机负阻抗变小时（风机减少出力），同步电机等效阻抗变小，同步电机增大电磁功率，此时系统暂态稳定性变好。另一方面，同步电机的暂态稳定性也受到同步电机转动惯量的影响，转动惯量越大，则系统的暂态稳定性越好。基于以上两点分析，首先考虑风机直接并网满足新增负荷的情况，此时同步电机转动惯量不变，但风机的加入略微增加了同步电机的电磁功率，相比于原来的情况，系统暂态稳定性会基本不变。再考虑新增风电后同步电机减少出力的情况，此时系统转动惯量不变，但同步电机电磁功率大幅度减少，意味着稳态时的机械输入功率大幅度减少，两者加起来的效果就是比直接并网拥有更好的暂态稳定性。再考虑风电并网后替换同步电机的场景，此时剩余同步电机的电磁功率未发生变化，且关停的同步电机转动惯量未知，所以该场景下系统的暂态稳定性有待进一步观察，若关停小出力大转动惯量的机组，则可能削弱系统暂态稳定性。综上，方案二即风电并网后同步电机减出力不停机是最好的。
5 软件仿真验证
为了进一步加强结果的可信度，笔者在中国电力科学研究院电力系统综合仿真程序（PSASP）中搭建了一个单机无穷大系统进行仿真验证，分别考虑了三种方案，所得结果如下图所示：
可以看出，三种方案中，方案二初始功角最小，第一摆幅度也最小，仿真结果验证了本文分析的正确性。
6 结论
本文对送端风火打捆系统三种风电接入方案进行比较后，结论如下：
1）单个风电场与其附近同步电机组成的送端系统的总容量与主网容量相比很小，因此可以建立为风火-无穷大系统模型来研究风机并网对送端同步电机的影响。
2）在相同的风电比例下，采用同步电机减小出力但不停机方案接纳风电并网时系统具有最优的暂态稳定性。
参考文献
[1] 汪宁渤，王建东，何世恩.酒泉风电跨区消纳模式及其外送方案[M].电力系统自动化，2011，35(22):82-89.
作者简介
徐宗畅（1992-12），男，汉族，籍贯: 湖北，研究方向：新能源。
论文作者:徐宗畅
论文发表刊物:《电力设备》2017年第31期
论文发表时间:2018/4/16
标签：风电论文; 方案论文; 同步电机论文; 系统论文; 稳定性论文; 风机论文; 惯量论文; 《电力设备》2017年第31期论文;