風(fēng)電場(chǎng)并入末端電網(wǎng)穩(wěn)定性分析

陽(yáng)細(xì)斌

隨著大批風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)，風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)中所占比例越來越高。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的可控性遠(yuǎn)弱于火力發(fā)電機(jī)組和水力發(fā)電機(jī)組，所以給電網(wǎng)帶來了許多新的技術(shù)問題。我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)多建在薄弱電網(wǎng)，一定規(guī)模的風(fēng)電場(chǎng)接入局部電網(wǎng)后勢(shì)必帶來電壓穩(wěn)定問題，影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定。針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)并入薄弱電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性問題進(jìn)行分析研究，并進(jìn)行仿真，從靜態(tài)角度分析了影響風(fēng)電場(chǎng)電壓穩(wěn)定的不同因索。

電壓穩(wěn)定性；風(fēng)電場(chǎng)；短路容量

風(fēng)力發(fā)電是一種清潔的可再生能源，可以改善能源結(jié)構(gòu)，提高能源安全，積極應(yīng)對(duì)氣候變化，為經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展帶來顯著的效益。中國(guó)風(fēng)能資源較為豐富的地方往往地處偏僻，位于電網(wǎng)末端，遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，電網(wǎng)較弱，電壓不穩(wěn)定。由于風(fēng)能具有隨機(jī)性和間歇性的特點(diǎn)，隨著風(fēng)電裝機(jī)容量及在電網(wǎng)中所占比例的增加，給電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行帶來重大的影響，因此，如何維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性是亟需分析和解決的問題。

1.風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行引起的電壓波動(dòng)和閃變

風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行除了產(chǎn)生諧波之外，還會(huì)引起電網(wǎng)電壓波動(dòng)和閃變，根本原因是并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組輸出功率的波動(dòng)，下面將分析并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組輸出功率波動(dòng)引起電壓波動(dòng)和閃變的機(jī)理。

圖1為風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)示意圖，其中為風(fēng)電機(jī)組出口電壓相量；為電網(wǎng)電壓相量；分別為線路電阻和電抗；，分別為線路上流動(dòng)的有功功率電流和無功功率電流相量。一般而言，有功功率電流要遠(yuǎn)大于無功功率電流。

由圖lb)可見，是造成電壓降落的主要原因，與垂直，造成的電壓降落可以忽略不計(jì)。由圖l c)可見，是造成電壓降落的主要原因，與垂直，造成的電壓降落可以忽略不計(jì)。所以有功功率電流和無功功率電流都會(huì)造成明顯的電壓降落，分別為和。當(dāng)并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組的輸出功率波動(dòng)時(shí)，有功功率電流和無功功率電流隨之變化，從而引起電網(wǎng)電壓波動(dòng)和閃變。

影響風(fēng)電機(jī)組輸出功率的因素很多，其中風(fēng)速是主要因素。風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械功率可以表示為 （1）

式中：為功率；為空氣密度；為葉片掃風(fēng)面積；為風(fēng)速；為功率系數(shù)，表示風(fēng)電機(jī)組利用風(fēng)能的效率，它是葉尖速比和槳距角的函數(shù)。葉尖速比定義為（2）

式中為葉輪轉(zhuǎn)速，為葉輪半徑。

由式(1)和式(2)可見，空氣密度、葉輪轉(zhuǎn)速、槳距角和風(fēng)速的變化都將對(duì)風(fēng)電機(jī)組的輸出功率產(chǎn)生影響。風(fēng)速的變化是由自然條件決定的，隨機(jī)性比較強(qiáng)，且功率與風(fēng)速的三次方近似呈正比，因此當(dāng)風(fēng)速快速變化時(shí)，并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組的輸出功率將隨之快速變化。葉輪轉(zhuǎn)速和槳距角的變化由風(fēng)電機(jī)組類型和控制系統(tǒng)決定，龍高山風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)機(jī)為變速、變槳距風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)的輸出功率受風(fēng)速影響較大。

此外，在并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組持續(xù)運(yùn)行過程中，由于受塔影效應(yīng)、偏航誤差和風(fēng)剪切等因素的影響，風(fēng)電機(jī)組在葉輪旋轉(zhuǎn)一周的過程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定，而轉(zhuǎn)矩波動(dòng)也將造成風(fēng)電機(jī)組輸出功率的波動(dòng)，并且這些波動(dòng)隨湍流強(qiáng)度的增加而增加。并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組不僅在持續(xù)運(yùn)行過程中產(chǎn)生電壓波動(dòng)和閃變，而且在啟動(dòng)、停止和發(fā)電機(jī)切換過程中也會(huì)產(chǎn)生電壓波動(dòng)和閃變。典型的切換操作包括風(fēng)電機(jī)組啟動(dòng)、停止和發(fā)電機(jī)切換，其中發(fā)電機(jī)切換僅適用于多臺(tái)發(fā)電機(jī)或多繞組發(fā)電機(jī)的風(fēng)電機(jī)組。這些切換操作引起功率波動(dòng)，并進(jìn)一步引起風(fēng)電機(jī)組端點(diǎn)及其他相鄰節(jié)點(diǎn)的電壓波動(dòng)和閃變。

2.風(fēng)電場(chǎng)電壓穩(wěn)定性分析

當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)連接到一個(gè)薄弱電網(wǎng)時(shí)，風(fēng)速的波動(dòng)會(huì)引起風(fēng)機(jī)的無功功率和有功功率的波動(dòng)，造成電壓波動(dòng)（見圖2)，當(dāng)進(jìn)行模擬仿真時(shí)給定風(fēng)速是一個(gè)類似不規(guī)則變化的噪音風(fēng)的模型時(shí)，輸出的結(jié)果會(huì)發(fā)現(xiàn)實(shí)際輸出功率會(huì)隨著風(fēng)速的波動(dòng)而波動(dòng)，機(jī)端電壓也會(huì)波動(dòng)，但其波動(dòng)方向與風(fēng)速和輸出功率的波動(dòng)方向相反。

風(fēng)電場(chǎng)接入點(diǎn)負(fù)載能力的強(qiáng)弱。風(fēng)電場(chǎng)接人點(diǎn)負(fù)載能力的強(qiáng)弱可用風(fēng)電場(chǎng)接人點(diǎn)的短路容量來表征。國(guó)內(nèi)外的學(xué)者和工程技術(shù)人員通常采用短路容量比來表征電力系統(tǒng)中風(fēng)力發(fā)電規(guī)模的大小，以此作為計(jì)算分析和進(jìn)行評(píng)價(jià)的依據(jù)。風(fēng)電場(chǎng)短路容量比等于風(fēng)電場(chǎng)額定容量對(duì)風(fēng)電場(chǎng)與電力系統(tǒng)連接點(diǎn)PCC的短路容量SCC(Short Circuit Capacity)的比值。

短路容量比是電壓穩(wěn)定問題的研究中經(jīng)常使用的一個(gè)概念。PCC一般是指風(fēng)電場(chǎng)變電站的高壓側(cè)節(jié)點(diǎn)。短路容量表示網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)弱，反映了該節(jié)點(diǎn)的電壓對(duì)風(fēng)電注人功率變化的敏感程度，短路容量大說明該節(jié)點(diǎn)與系統(tǒng)電源點(diǎn)的電氣距離小，聯(lián)系緊密。因此短路容量比決定了該網(wǎng)絡(luò)承受風(fēng)電擾動(dòng)的能力，風(fēng)電場(chǎng)短路容量比小表明系統(tǒng)承受風(fēng)電擾動(dòng)的能力強(qiáng)。

聯(lián)絡(luò)線參數(shù)刀的影響。聯(lián)絡(luò)線上的電壓降落近似為

≈（3）

式中：為風(fēng)電場(chǎng)輸出的有功和無功功率，>0，<0；為聯(lián)絡(luò)線的阻抗參數(shù)；為風(fēng)電場(chǎng)端電壓。

由此可見，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)向系統(tǒng)輸送有功功率時(shí)，在輸電線的電阻上產(chǎn)生使風(fēng)電場(chǎng)端電壓上升的電壓分量，而風(fēng)電場(chǎng)從系統(tǒng)吸收的無功功率，在輸電線的電抗上產(chǎn)生使風(fēng)電場(chǎng)端電壓下降的分量。

因此，聯(lián)絡(luò)線的阻抗參數(shù)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的功率電壓特性有很大的影響。

由上分析，可知風(fēng)電場(chǎng)端電壓的穩(wěn)定性和短路容量比和聯(lián)絡(luò)線參數(shù)有一定的關(guān)系。為了證實(shí)上述分析，用PSCAD針對(duì)上述2種情況并且從靜態(tài)的角度進(jìn)行模擬仿真，以期得到2種參數(shù)對(duì)電壓穩(wěn)定性影響的定性的結(jié)論。

3.風(fēng)場(chǎng)電壓穩(wěn)定性的靜態(tài)仿真分析

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圖3為風(fēng)電場(chǎng)接在配電網(wǎng)的末端，通過雙回輸電線與電網(wǎng)相連。風(fēng)電場(chǎng)接人末端電網(wǎng)，改變了局部地區(qū)的潮流分布和電壓水平。因?yàn)橹攸c(diǎn)觀察風(fēng)電功率注入對(duì)局部電網(wǎng)電壓的影響，所以將變壓器110kV以上電壓等級(jí)的外部系統(tǒng)簡(jiǎn)化為等值電源與等值阻抗。

穩(wěn)定風(fēng)速在8m/s時(shí)，取無功補(bǔ)償電容=0.3時(shí)風(fēng)電場(chǎng)端電壓初值為1.0，改變不同參數(shù)進(jìn)行仿真。

A.短路容量比K的影響

電網(wǎng)中的短路容量或功率等于該點(diǎn)三相短路電流與額定電壓的乘積。如果短路電流用kA表示，相間電壓用kV表示，則短路容量MVA。短路容量比K是指在確定接入風(fēng)電場(chǎng)的裝機(jī)容量時(shí)，通常采用基于耦合點(diǎn)的短路容量，用風(fēng)電機(jī)的裝機(jī)容量與連接點(diǎn)的短路容量之比表示短路容量比。在圖3所示的系統(tǒng)中，等效電源電壓的高低將影響系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的電壓水平，因此對(duì)節(jié)點(diǎn)的短路容量有很大影響。令電源電壓取不同值時(shí)，將計(jì)算出不同的短路容量比。因此可以通過調(diào)節(jié)等效電壓源的容量大小來等效改變短路容量比。從=1.0時(shí)，電壓源代表無窮大系統(tǒng)。

保持聯(lián)絡(luò)線不變，在表2所示不同短路容量比情況下進(jìn)行仿真，得到的波形見圖4。

表2和短路比對(duì)應(yīng)表

圖4所示當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)連接到一個(gè)無窮大系統(tǒng)時(shí)，機(jī)端電壓會(huì)基木維持在1.0。當(dāng)短路容量比從5％~30％的不斷增大可以看到，電壓會(huì)慢慢震蕩下降，當(dāng)?shù)竭_(dá)30%時(shí)電壓穩(wěn)定性會(huì)完全喪失。由此可以看出短路容量比與風(fēng)電場(chǎng)電壓的波動(dòng)密切相關(guān)。為了保證機(jī)端電壓質(zhì)量，風(fēng)電場(chǎng)的裝機(jī)容量不能超過耦合點(diǎn)短路容量的某一百分值。根據(jù)我國(guó)電網(wǎng)情況短路容量比一般不超過10％。

圖4機(jī)端電壓水平隨短路容 圖5機(jī)端電壓水平隨傳輸線量比變化曲線圖 阻抗比變化曲線圖

B.聯(lián)絡(luò)線的影響

保持短路容量不變，使＝1.0。風(fēng)電場(chǎng)接入處于電網(wǎng)末端的傳輸線的阻抗比刀的值在2~6之間改變，從仿真結(jié)果看，如圖5所示，當(dāng)?shù)闹翟黾訒r(shí)，風(fēng)電場(chǎng)電壓會(huì)下降，電壓穩(wěn)定性也相應(yīng)的降低。

4.結(jié)論

風(fēng)電的快速發(fā)展和大規(guī)模接入電網(wǎng)賦予了電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定新的研究?jī)?nèi)容。不同的系統(tǒng)面臨的電壓穩(wěn)定問題可能有較大的差異，即使同一個(gè)電力系統(tǒng)，不同的發(fā)展時(shí)期，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的差異、負(fù)荷特性的差異以及風(fēng)電接入容量的差異均使系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定問題變得不同，需要區(qū)別對(duì)待和解決。

為了風(fēng)電接入系統(tǒng)后的電壓穩(wěn)定應(yīng)選擇技術(shù)性能好的風(fēng)機(jī)、盡可能地將風(fēng)電場(chǎng)分散接入系統(tǒng)。另外，還應(yīng)深入研究風(fēng)機(jī)建模和進(jìn)行風(fēng)電接入系統(tǒng)后的長(zhǎng)過程仿真。

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