基于靜態(tài)電壓分岔點(diǎn)的風(fēng)電穿透功率評(píng)估

王一峰 王 維 張宗杰

（河北省電力公司，河北石家莊050021）

風(fēng)能屬于可再生能源，是一種取之不盡、用之不竭的新能源。風(fēng)力發(fā)電作為風(fēng)能利用的主要形式具有明顯的環(huán)境效益，表現(xiàn)在它不排放任何有害氣體和不消耗水資源。風(fēng)力發(fā)電不僅是風(fēng)能利用的主流形式，又是在新能源開發(fā)利用中技術(shù)最成熟、發(fā)電成本日益降低、商業(yè)化規(guī)模最大的發(fā)電方式。隨著世界環(huán)境的日益惡化和常規(guī)能源的日益枯竭，風(fēng)力發(fā)電在未來的能源結(jié)構(gòu)中將占有越來越重要的地位。

目前，風(fēng)力發(fā)電的主流形式是大型并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量很小，對(duì)于一個(gè)大電網(wǎng)影響可以忽略，但對(duì)于一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)來說，總裝機(jī)超過幾十萬千瓦，對(duì)于一個(gè)容量不大的弱電網(wǎng)，就會(huì)造成不可忽視的影響。風(fēng)力資源較好的地區(qū)往往人口稀少、負(fù)荷量小、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)相對(duì)薄弱、風(fēng)電功率的注入改變了局部電網(wǎng)的潮流分布，對(duì)局部電網(wǎng)的電能質(zhì)量和穩(wěn)定性有很大影響。隨著風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量和風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模的增大，大型風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行對(duì)電力系統(tǒng)的影響也越來越明顯。

1 雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)

目前，雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)已成為現(xiàn)在風(fēng)力發(fā)電的主流機(jī)型。此種機(jī)型的控制方案控制的是轉(zhuǎn)子側(cè)的轉(zhuǎn)差功率，該處的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備的容量要求比較小，一般只需達(dá)到總?cè)萘康?0%-30%即可，這將減少相應(yīng)的功率電子設(shè)備的損耗。而且電壓也很低，易于控制，設(shè)備成本相對(duì)得到了降低。同時(shí)，我們可以通過改變轉(zhuǎn)子側(cè)電流的幅值、相位、頻率、相序等，實(shí)現(xiàn)對(duì)有功功率和無功功率的控制，能夠幫助電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)無功功率補(bǔ)償。

2 本文使用仿真軟件簡(jiǎn)介

本文中使用的PSCAD是用于電力系統(tǒng)時(shí)域和頻域仿真計(jì)算的軟件包,由加拿大Manitoba大學(xué)高壓直流輸電研究中心Dennis Woodford博士等人研制。自1976年開始至今,經(jīng)過大量的研發(fā)、拓展、完善工作,軟件包已具有豐富、準(zhǔn)確的元件庫、模型庫,成為EMTDC為核心,以PSCAD為圖形界面友的新一代仿真程序。軟件包以精確、高效、便捷、界面友好等特點(diǎn)被廣大電力系統(tǒng)研究、分析人員所推崇,廣泛用于電力系統(tǒng)暫態(tài)過程計(jì)算、直流系統(tǒng)分析與工程研究、電能質(zhì)量現(xiàn)象分析和電力電子器件設(shè)計(jì)等領(lǐng)域[4]。

目前廣泛使用的雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)中有大量的電力電子器件，使PSCAD可以較準(zhǔn)確的構(gòu)建模型，并能清晰的觀察到風(fēng)電接入點(diǎn)的PV曲線。因此，在仿真中使用PSCAD作為仿真計(jì)算的軟件。

3 系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的要求

風(fēng)電場(chǎng)的容量在系統(tǒng)中所占的比例在不斷增加，風(fēng)力發(fā)電對(duì)系統(tǒng)的影響將越來越顯著。隨著風(fēng)電技術(shù)的不斷發(fā)展和風(fēng)機(jī)容量的不斷擴(kuò)大，電力系統(tǒng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的聯(lián)網(wǎng)要求越來越苛刻，可得到電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)提出了下列要求：

1）風(fēng)電機(jī)組有功和無功(0.95感性到0.95容性)可控。

2）頻率在47.5Hz到51.5Hz之間風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行且保持電壓在額定值80%以上。

3）電網(wǎng)擾動(dòng)時(shí)要求風(fēng)機(jī)保持運(yùn)行不允許切出，能夠提供一定的無功電流，故障恢復(fù)后立即提供有功出力。對(duì)電網(wǎng)故障時(shí)的風(fēng)機(jī)的故障穿越能力要求，風(fēng)機(jī)必須保持與電網(wǎng)的連接即使風(fēng)機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)的電壓跌落至零。

4 靜態(tài)電壓穩(wěn)定約束條件

4.1 電壓穩(wěn)定問題的引入

電壓穩(wěn)定指系統(tǒng)維持電壓的能力。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)擾動(dòng)、負(fù)荷增大系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變更而使電壓下降，并且運(yùn)行人員和控制系統(tǒng)的控制已無法終止這種電壓下降時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)入電壓不穩(wěn)定的狀態(tài)。這種電壓下降可能只有幾秒鐘，也可能長(zhǎng)達(dá)幾十分鐘，甚至更長(zhǎng)。如果電壓不停地降下去，電壓崩潰就會(huì)發(fā)生。而所謂電壓崩潰，就是指由于電壓不穩(wěn)定所導(dǎo)致的系統(tǒng)內(nèi)大面積、大幅度的電壓下降的過程。

2003年8月14 日發(fā)生美國(guó)東部大停電造成了巨大經(jīng)濟(jì)和社會(huì)損失，事故發(fā)生后，美國(guó)電力研究院的專家經(jīng)過對(duì)記錄到的電壓電流波形進(jìn)行分析，認(rèn)為本次美加大停電事故主要呈現(xiàn)一種快速的電壓崩潰現(xiàn)象。

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電壓穩(wěn)定性問題已經(jīng)成為電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的嚴(yán)重威脅。大量的電網(wǎng)崩潰事故表明，由于系統(tǒng)中無功容量不足，或由于系統(tǒng)中無功電源分布不合理，而導(dǎo)致的電壓穩(wěn)定性問題是影響和限制電力系統(tǒng)輸電能力的重要因素之一。鑒于此，本文將主要就電壓穩(wěn)定約束條件下的風(fēng)電接入能力進(jìn)行研究。

4.2 靜態(tài)電壓穩(wěn)定性研究方法

靜態(tài)電壓穩(wěn)定性研究方法只需考慮系統(tǒng)各場(chǎng)景時(shí)間框架的靜態(tài)模型，其模型簡(jiǎn)單，所需的參數(shù)較少，計(jì)算速度也相對(duì)快捷。

從實(shí)際應(yīng)用的角度來看，靜態(tài)電壓穩(wěn)定約束下的風(fēng)電接入能力指標(biāo)確實(shí)能夠?yàn)檫\(yùn)行調(diào)度人員提供非常有價(jià)值的信息，其計(jì)算模型與結(jié)果也滿足工程應(yīng)用的精度要求。而且輸電能力計(jì)算并不需要詳細(xì)地分析系統(tǒng)電壓失穩(wěn)的機(jī)理。

4.3 仿真算例

使用PSCAD進(jìn)行系統(tǒng)的仿真，采用9節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，在母線1接入雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)端口電壓為0.69kV，經(jīng)過幾次升壓至220kV，接入母線1，其中變壓器模型使用理想變壓器模型進(jìn)行仿真。

目前，單個(gè)雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般為1.5MW或2MW，一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)一般由20臺(tái)以上的風(fēng)機(jī)構(gòu)成，算例中調(diào)整了雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的參數(shù)使其可以輸出20MW以上的功率，模擬一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，考慮到陣風(fēng)對(duì)功率電壓造成的波動(dòng)比較明顯，本文使用基本風(fēng)速8m/s，最高時(shí)風(fēng)速為18m/s，時(shí)序時(shí)間為10s。風(fēng)速的變化在仿真開始的10s后，觀察這風(fēng)電對(duì)電網(wǎng)的影響。

雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)在風(fēng)速加大時(shí)發(fā)電機(jī)放有功，吸收無功，電壓下降?？梢娊尤腼L(fēng)電對(duì)電網(wǎng)電壓帶來了很多波動(dòng)，可能使電壓質(zhì)量下降至不符合要求。

當(dāng)風(fēng)電發(fā)出功率提升，則吸收更多的無功，電壓隨之下降，最后導(dǎo)致電壓崩潰。觀察曲線的拐點(diǎn)，得到風(fēng)電接入節(jié)點(diǎn)1的穿透功率為28MVA，接近電網(wǎng)總負(fù)荷的30%，與當(dāng)前實(shí)際規(guī)劃中的風(fēng)電比例相當(dāng)，認(rèn)為使用PSCAD進(jìn)行仿真得到PV曲線可以較好的得到風(fēng)電穿透功率。

5 結(jié)語

對(duì)含有風(fēng)電場(chǎng)的電力系統(tǒng),風(fēng)速變化對(duì)系統(tǒng)影響顯著。當(dāng)風(fēng)速過高時(shí)，風(fēng)機(jī)發(fā)出的功率并不能完全被電網(wǎng)所接受，并且會(huì)引起電網(wǎng)的電壓崩潰。另外隨著風(fēng)電穿透功率的增長(zhǎng)，風(fēng)電的隨機(jī)波動(dòng)性對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響將更為顯著。

本文通過PSCAD仿真，分析了風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電網(wǎng)的影響，并得到了風(fēng)電接入點(diǎn)的穿透功率。

［1] 王承煦，張?jiān)矗L(fēng)力發(fā)電[M] ．中國(guó)電力出版社，北京：2003(3).

［2] 申洪,梁軍,戴慧珠.基于電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析的風(fēng)電場(chǎng)穿透功率極限計(jì)算[J] .電網(wǎng)技術(shù),2002,6(8):8-11.