風電集中接入對電網(wǎng)影響分析①

劉 岱， 龐松嶺

(1.?？诠╇姽?， 海口 570203； 2.海南電力試驗研究所， ?？?570203)

風電集中接入對電網(wǎng)影響分析①

劉 岱1， 龐松嶺2

(1.?？诠╇姽?， ?？?570203； 2.海南電力試驗研究所， 海口 570203)

以某地區(qū)電網(wǎng)風電集中接入的實際工程為例，主要分析風電接入對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響問題并提出相應的解決措施。文中研究了風電場整體與電網(wǎng)的相互作用，采用一臺容量與風電場容量相等的等值風電機組模型進行仿真計算，風機模型采用異步電機模型。通過仿真結果分析指出了風電場接入容量與電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性及功角暫態(tài)穩(wěn)定性的關系，以及提高地區(qū)電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性及增加風電接入容量時應考慮的措施，如增加靜止無功補償器。

風電場； 電壓穩(wěn)定； 暫態(tài)穩(wěn)定； 電力系統(tǒng)； 靜止無功補償器

隨著我國政府對開發(fā)利用可再生能源的高度重視及《可再生能源法》的頒布實施，包括風力發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電在內(nèi)的可再生能源發(fā)電在近幾年內(nèi)得到了較快的發(fā)展。其中，風力發(fā)電作為技術最成熟、最具規(guī)模化開發(fā)和商業(yè)化發(fā)展的新能源發(fā)電方式之一，其發(fā)展速度居于各種可再生能源之首。

截至2006年底，全國風電場累計裝機已達到2589 MW，而根據(jù)國家發(fā)改委風電發(fā)展的規(guī)劃，我國2010年風電規(guī)劃裝機容量將達到5000 MW，2020年風電總裝機將實現(xiàn)30 GW的目標。為了使風電場建設工程實現(xiàn)統(tǒng)籌規(guī)劃、有序開發(fā)、分步實施、持續(xù)發(fā)展的目標，國家發(fā)改委組織了全國風電場工程規(guī)劃工作，要求各省/自治區(qū)根據(jù)其風能資源儲量及其分布，綜合考慮電網(wǎng)承受能力和經(jīng)濟發(fā)展水平等因素，制定風電發(fā)展規(guī)劃，以促進風電場開發(fā)建設健康有序的進行。

國內(nèi)外專家學者已對風力發(fā)電技術及風電接入對電力系統(tǒng)的影響開展了廣泛而深入的研究。文獻[1～3]闡述了風電接入后風電場與電力系統(tǒng)的相互影響；文獻[4～7]研究了評價風電場運行情況、可靠性及確定風電最大注入功率的方法；文獻[8～12]對包含風電場的電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)仿真分析方法進行了研究。

本文以某地區(qū)電網(wǎng)進行大規(guī)模風電接入規(guī)劃的部分研究成果為例，研究風電機組及風電場建模、風電場集中接入對地區(qū)電網(wǎng)線路傳輸功率及電壓水平的影響、風電接入對電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響等，并針對風電接入后出現(xiàn)的相關問題提出了相應的改善措施。

1 風電機組運行特性分析及仿真系統(tǒng)

1.1 變速恒頻并網(wǎng)風力發(fā)電機組運行特性分析

就國內(nèi)風電場風機類型而言，目前大多數(shù)國內(nèi)風機類型屬于水平軸變速恒頻異步機發(fā)電系統(tǒng)。

變速恒頻風力發(fā)電機組如圖1所示。

圖1 變速恒頻風力發(fā)電機組Fig.1 Variable speed constant frequency generation system

風力發(fā)電機多為異步發(fā)電機，考慮動態(tài)過程的異步電機的模型如式(1)所示。

(1)

發(fā)電機轉(zhuǎn)子運動方程為

TJ=Mt-Me

(2)

式中Mt為機械轉(zhuǎn)矩，Me為電磁轉(zhuǎn)矩，TJ為發(fā)電機的轉(zhuǎn)子慣性時間常數(shù)。

定槳距風機利用槳葉翼形的失速特性，在高于額定風速，達到失速條件后，槳葉表面產(chǎn)生渦流，效率降低，達到限制輸出功率的目的。定槳距機型優(yōu)點是調(diào)節(jié)和控制簡單。缺點在于對葉片、輪轂、塔架等主要部件受力增大，而且風力超過額定風速后風機出力反而下降。

異步發(fā)電機運行中會從電網(wǎng)中吸收無功電流建立磁場，導致電網(wǎng)功率因數(shù)變差。因此，一般在風機出口處裝設可投切的并聯(lián)電容器組提供非連續(xù)可變的無功補償。通常采用可控硅軟并網(wǎng)技術將起動電流限制在額定電流的1.2～1.5倍之內(nèi)以防止并網(wǎng)失敗。同時，采用氣動剎車技術、偏航和自動解纜等技術解決風力發(fā)電機組并網(wǎng)運行的可靠性問題。

變速恒頻風機功率曲線如圖2所示。

圖2 1500 kW風電機組功率曲線Fig.2 Power characteristic curve of 1500 kWwind power generator

變速恒頻風機具體運行過程為：

(1)當風速持續(xù)10 min(可設置)超過3.5 m/s，風機將自動啟動。為了避免并網(wǎng)時對電網(wǎng)的沖擊，當電機轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時，發(fā)電機通過可控硅實現(xiàn)軟并網(wǎng)，并網(wǎng)后接觸器將可控硅旁路。

(2)隨著風速的增加，發(fā)電機的出力隨之增加，當風速接近14～15 m/s時，達到額定出力，超出額定風速機組失速。

(3)當風速高于25 m/s持續(xù)10 min，將實現(xiàn)正常剎車。

(4)當風速高于33m/s并持續(xù)2 min時，實現(xiàn)正常剎車。

(5)當風速高于50m/s并持續(xù)1 min時，實現(xiàn)安全剎車。

(6)當遇到一般故障時，實現(xiàn)正常剎車。

(7)當遇到特定故障時，實現(xiàn)緊急剎車。

1.2 風電場模型

本文在研究風電場接入對電力系統(tǒng)的影響時，主要研究風電場作為一個整體與電網(wǎng)之間的相互作用，而風電場內(nèi)部的潮流分布及風電場中各風電機組之間的相互影響不在本文研究的范圍內(nèi)。由于所研究的風電場還處于規(guī)劃階段，且沒有詳細的風電場內(nèi)部接線規(guī)劃，因此本文采用一臺容量與風電場容量相等的等值風電機組模型代替整個風電場。

1.3 仿真系統(tǒng)

本文的研究對象是我國某省一個即將大規(guī)模接入風力發(fā)電的地區(qū)電網(wǎng)，該地區(qū)電網(wǎng)以220 kV線路構成主干網(wǎng)架，線路距離長，距電網(wǎng)樞紐點較遠，沒有強大的電源支撐。其地理位置接線如圖3所示。三個風電場的總裝機容量為200 MW，通過匯集站接入主網(wǎng)。匯集站至變電站A為風電的主要送出通道。A、B兩個火電廠的裝機容量分別為400 MW和2 100 MW。

圖3 地區(qū)電網(wǎng)地理位置主接線Fig.3 Geographic diagram of reginal network

2 電網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性及線路傳輸功率

2.1 線路傳輸功率

規(guī)劃接入風電場接入?yún)R集站，再通過導線型號為LGJ-2×400、長91 km的220 kV線路接入變電站A。表1列出該線路輸電能力的各項指標?？梢钥闯?，線路的輸送能力大于規(guī)劃的約200 MW風電裝機容量，為將來風電裝機的進一步發(fā)展奠定了基礎。

表1 220 kV線路輸電能力Tab.1 Transmission Capacity of 220 kV lines

2.2 靜態(tài)電壓穩(wěn)定性

計算接入?yún)R集站的風電場最大容量時，增加的風電場裝機按照采用變速恒頻風機考慮。假設接入西郊變風電場的容量達到400 MW，隨風電場出力持續(xù)增加時，相關母線電壓變化如圖4(a)所示。在風電場總體出力達到260 MW、310 MW、345 MW時，風電場側分批投入共120 Mvar電容器組。從電壓曲線可以看出，當出力超過300 MW時，風電場側電壓隨功率增長的變化幅度愈來愈大，電壓穩(wěn)定性水平也越來越差，普通電容器組的投切操作無法滿足實際運行的要求；且由系統(tǒng)向風電場注入的無功功率超過100 Mvar，導致赤峰220 kV電網(wǎng)的主要發(fā)電機組如A廠G1、B廠G1的無功出力也急劇增加，其變化曲線如4(b)所示，A廠機組的調(diào)壓能力接近底線，系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)能力接近邊緣。這種情況下，風電場總出力水平很難超過340 MW甚至更低。

(a) 風電場出力增加母線電壓變化曲線

(b) 風電場出力增加電廠無功出力變化曲線圖4 風電場出力增加相關參量變化曲線Fig.4 Related parameters curve when output powerof wind farm increases

(a) 風電場出力增加母線電壓變化曲線

(b) 風電場出力增加電廠無功出力 變化曲線圖5 風電場出力增加相關參量變化曲線(加裝SVC后)Fig.5 Related parameters curve when output powerof wind farm increases (with SVC)

由于風電場無法提供充足的無功支持，其升壓變及送出線路消耗的無功需從電網(wǎng)遠距離向風電場輸送，從而導致了線路壓降增大，風電場接入地區(qū)電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性變差。

要想提高風電場的出力水平的同時保證一定的電能質(zhì)量，且考慮到實際的可操作性，除了要在風電場側補償風電場消耗的無功功率，還需在電網(wǎng)側增加更先進靈活的無功補償措施來滿足電網(wǎng)側因傳輸有功功率增加導致的無功需求。圖5為匯集站低壓側裝設容性SVC后隨風電場出力增加母線電壓及主要火電機組的無功出力變化曲線，可以看出風電場側的無功補償只需要兩組電容器，且電壓變化相對平緩，電壓穩(wěn)定性得到提高。

要提高接入風電場的地區(qū)電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性及增加風電場的最大接入容量，可以考慮采取以下措施：

(1)整個風電場采取恒功率因數(shù)控制或恒電壓控制方式將并網(wǎng)點的功率因數(shù)或電壓控制在某一恒定值；

(2)采用靜止無功補償器SVC(static var compensator)、靜止同步補償器STATCOM(static synchronous compensator)等動態(tài)無功補償設備代替普通的并聯(lián)電容器組，動態(tài)平衡風電出力變化導致的無功需求變化，平滑無功補償設備投切過程帶來的電壓急劇變動；

(3)加強電網(wǎng)網(wǎng)架結構。

3 電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性

冬天火電大發(fā)(簡稱冬大)冬大方式下，在網(wǎng)內(nèi)對火電機組穩(wěn)定性影響較大的故障線路設定故障后0.12 s線路開斷，通過各發(fā)電機的功角變化判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。圖6分別為B廠～變電站C#1線路在元寶山廠側發(fā)生三相短路故障，現(xiàn)有風電場停運和滿發(fā)時，B廠1號機組及A廠1號機組相應的功角變化曲線。

可以看出，無論現(xiàn)有風電場停運或滿發(fā)，系統(tǒng)發(fā)生故障后火電機組都能維持穩(wěn)定，但風電接入拉大了網(wǎng)內(nèi)機組與主網(wǎng)機組之間的功角差。表2為其他線路發(fā)生故障后主要火電機組功角的最大搖擺幅度(正反向最大兩個功角之差)。從功角搖擺曲線及功角的最大搖擺幅度來看，現(xiàn)有320 MW風電場對于該地區(qū)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響，與故障線路有關，有些情況下風電會使電網(wǎng)穩(wěn)定性加強，而有些情況下會使得電網(wǎng)穩(wěn)定性減弱，但從總體上看，現(xiàn)有風電對網(wǎng)內(nèi)故障時地區(qū)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響較小。

(a) 三相短路故障時主要火電機組的 功角變化曲線(風電停運)

(b) 三相短路故障時主要火電機組的 功角變化曲線(風電滿發(fā))圖6 三相短路故障時主要火電機組的功角變化曲線Fig.6 Power angle curve of the main thermal powerplant when three-phase short-circuit failure happens表2 冬大方式主要線路故障主要火電機組最大功角變化量Tab.2 Max change of power angle of main lines failure

故障線路B廠G1功角的最大搖擺角/(°)A廠G1功角的最大搖擺角/(°)風電場停運風電場滿發(fā)風電場停運風電場滿發(fā)B廠～C變#163.683.443.559.5C變～D變24.121.321.616.3B廠～E變70.921.549.216.5

風力發(fā)電機組在發(fā)電狀態(tài)下可以以不同的轉(zhuǎn)速運行，風電機組之間不存在功角穩(wěn)定問題。在系統(tǒng)故障期間，電磁轉(zhuǎn)矩和機械轉(zhuǎn)矩不平衡會導致風電機組加速，很大一部分不平衡能量暫存在風電機組葉片和軸系加速旋轉(zhuǎn)的動能中，這部分能量會降低風電機組在暫態(tài)過程中對電網(wǎng)的沖擊。

4 結論

風電集中接入主要在潮流、電壓以及暫態(tài)穩(wěn)定對電網(wǎng)產(chǎn)生一定的影響。風電場集中接入前應根據(jù)風電機組特性及風電場所在地電網(wǎng)的實際情況，因地制宜地制定合適的系統(tǒng)接入方案，特別是電網(wǎng)比較薄弱的地方，需要通過完善配套設施來提高電網(wǎng)的可靠性和風電場運行的經(jīng)濟性。

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SystemImpactsAnalysisforInterconnectionofWindFarmandPowerGrid

LIU Dai1， PANG Song-ling2

(1.Haikou Power Supply Company, Haikou 570203, China;2.Hainan Electric Power Test & Research Institute, Haikou 570203, China)

Taking a wind power integration project for an example, the impact on the power system stability of large integrated wind farms is analyzed. The interaction between wind farm and power system is studied, so a windmill generator model equivalent capacity to a wind farm is used in simulation. Asynchronous model is used in simulation. Relationship between wind farm capacity, voltage stability and transient stability was studied by simulation.Measures for enhancing system stability and inereaing wind farm capacity is presented for example static synchronous compensator.

wind farm； voltage stability； transient stability； power system； static synchronous compensator

2009-10-23

2009-12-10

TM614； TM712

A

1003-8930(2011)03-0156-05

劉 岱(1981-)，女，碩士，助理工程師，主要從事電力系統(tǒng)運行工作。Email:ldai2000@tom.com

龐松嶺(1981-)，男，碩士，助理工程師，主要從事電力系統(tǒng)分析工作。Email:SL_PANG@163.com