大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性研究

吳麗娜，邵龍，秦召磊，劉觀(guān)起

（1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北保定 071003；2.國(guó)家電網(wǎng)山西省電力公司計(jì)量中心山西 太原 030002）

自20世紀(jì)70年代以來(lái)，世界各國(guó)的電壓崩潰事故發(fā)生頻率不斷上升，給國(guó)家和人民造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，電壓穩(wěn)定問(wèn)題開(kāi)始受到廣泛關(guān)注。電壓穩(wěn)定根據(jù)研究過(guò)程不同，可分為靜態(tài)電壓穩(wěn)定，暫態(tài)電壓穩(wěn)定和動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定。其中，靜態(tài)電壓穩(wěn)定能夠較好地反映系統(tǒng)的電壓水平，且計(jì)算量較小，是整個(gè)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的基礎(chǔ)和前提[1]。深入研究系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性可為電壓穩(wěn)定的后續(xù)研究奠定良好的基礎(chǔ)。

隨著風(fēng)電的不斷發(fā)展，風(fēng)電并網(wǎng)容量的不斷增加，大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)給電力系統(tǒng)帶來(lái)了很多新問(wèn)題。風(fēng)電輸出功率的隨機(jī)性和波動(dòng)性使得電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行受到嚴(yán)重威脅，因此對(duì)大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性進(jìn)行研究具有十分重要的意義。文獻(xiàn)[2-4]通過(guò)理論分析和仿真驗(yàn)證，研究了不同類(lèi)型風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)對(duì)電壓穩(wěn)定性的影響。文獻(xiàn)[5]利用戴維南等效理論和兩點(diǎn)潮流計(jì)算法，對(duì)預(yù)測(cè)負(fù)荷的臨界電壓和臨界功率做出快速預(yù)測(cè)，得出PV曲線(xiàn)以及VQ曲線(xiàn)，進(jìn)而研究系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。

文中以國(guó)內(nèi)某一風(fēng)電并網(wǎng)容量很大的實(shí)際電網(wǎng)為研究對(duì)象，對(duì)大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)后的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究。通過(guò)電力系統(tǒng)分析綜合程序（PSASP）軟件搭建模型，并進(jìn)行仿真，計(jì)算該電網(wǎng)在接入風(fēng)電場(chǎng)以及不接入風(fēng)電場(chǎng)兩種情況下的靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度和靜態(tài)儲(chǔ)備系數(shù)，并對(duì)在電壓薄弱環(huán)節(jié)配置無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備、提高風(fēng)力機(jī)機(jī)端電壓兩種措施對(duì)系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響進(jìn)行仿真分析。

1 PV曲線(xiàn)

電壓失穩(wěn)一般發(fā)生在系統(tǒng)最大傳輸功率點(diǎn)附近。在臨界點(diǎn)附近，如果負(fù)荷有一個(gè)較小的增量，系統(tǒng)電壓便會(huì)急劇下降，導(dǎo)致電壓失穩(wěn)。PV曲線(xiàn)分析法是靜態(tài)電壓穩(wěn)定性分析中一種重要的分析方法[6]。在PV曲線(xiàn)中，P表示某區(qū)域的總負(fù)荷，U表示關(guān)鍵母線(xiàn)或節(jié)點(diǎn)的電壓。根據(jù)系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)的PV曲線(xiàn)，可以得到關(guān)于電壓穩(wěn)定性的兩個(gè)重要參量：臨界電壓和極限功率[7]。這兩個(gè)參量可用來(lái)計(jì)算系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定裕度，判斷各節(jié)點(diǎn)電壓穩(wěn)定性的好壞。

2 靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的分析指標(biāo)

迄今為止，研究人員從不同角度提出了多種靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的分析指標(biāo)，總體上可分成狀態(tài)指標(biāo)和裕度指標(biāo)兩類(lèi)[8]。相對(duì)于狀態(tài)指標(biāo)而言，裕度指標(biāo)能夠針對(duì)系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行點(diǎn)到電壓崩潰點(diǎn)距離的量度，給運(yùn)行人員提供一個(gè)較為直觀(guān)的表示，且系統(tǒng)運(yùn)行點(diǎn)到電壓崩潰點(diǎn)的距離與裕度指標(biāo)的大小呈線(xiàn)性關(guān)系。因此，電壓穩(wěn)定裕度指標(biāo)分析方法受到了廣泛的重視。PV曲線(xiàn)的拐點(diǎn)為穩(wěn)定運(yùn)行的臨界點(diǎn)，根據(jù)PV曲線(xiàn)可求得電壓穩(wěn)定裕度，計(jì)算公式如下：

式中，Pmax為靜態(tài)電壓穩(wěn)定的功率極限值；P0為當(dāng)前運(yùn)行點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的負(fù)荷功率；Pmargin為電壓穩(wěn)定裕度值[9]。

根據(jù)電壓穩(wěn)定裕度，可進(jìn)一步求得靜態(tài)儲(chǔ)備系數(shù)KP，即：

3 仿真分析

3.1 仿真系統(tǒng)描述

本文以國(guó)內(nèi)某城市電網(wǎng)A為例，分析大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)對(duì)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響。在電網(wǎng)A中，35 kV以上變電站總計(jì)40座，主變一共76臺(tái)，總?cè)萘?715.5 MV·A，其中500 kV變電站兩座，主變4臺(tái)，總?cè)萘繛?000 MV·A，220 kV變電站主變26臺(tái)，總?cè)萘繛?646 MV·A，有載調(diào)壓變壓器22臺(tái)；66 kV變電站主變46臺(tái)，總?cè)萘?569.5 MV·A，有載調(diào)壓變壓器39臺(tái)。

220 kV線(xiàn)路67回，總長(zhǎng)度2790.03 km，最長(zhǎng)193.49 km，最短2.988 km；66 kV線(xiàn)路205回，總長(zhǎng)度4012.0739 km，最長(zhǎng)126.758 km，最短0.83 km。

火電廠(chǎng)11座，總?cè)萘?4521 MW。水電廠(chǎng)2座，總?cè)萘?3.3 MW。風(fēng)電場(chǎng)25座，總?cè)萘?584 MW。電網(wǎng)A的接線(xiàn)圖如圖1所示，圖中相應(yīng)線(xiàn)路和變壓器的參數(shù)參見(jiàn)表1—表3。

3.2 電壓穩(wěn)定裕度計(jì)算

計(jì)及風(fēng)電場(chǎng)時(shí)，對(duì)實(shí)際電網(wǎng)A在PSASP中搭建模型，設(shè)定系統(tǒng)中負(fù)荷逐漸增加，各個(gè)風(fēng)電場(chǎng)均不切出，通過(guò)計(jì)算得出系統(tǒng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的PV曲線(xiàn)。由于節(jié)點(diǎn)數(shù)目較多，這里不作羅列。

該電網(wǎng)A的有功負(fù)荷為2725 MW，在PSASP中的電壓穩(wěn)定計(jì)算作業(yè)中，將常規(guī)潮流方法設(shè)置為“牛頓功率法”，病態(tài)潮流方法設(shè)置為“按過(guò)渡方式修正法”，步長(zhǎng)設(shè)置為0.01，執(zhí)行計(jì)算作業(yè)，得出該電網(wǎng)的臨界點(diǎn)對(duì)應(yīng)的功率極限值為4015 MW。根據(jù)式（1），得出電壓穩(wěn)定裕度值為：

根據(jù)式（2），得出系統(tǒng)靜態(tài)儲(chǔ)備系數(shù)為47.3%。

當(dāng)不計(jì)及風(fēng)電場(chǎng)時(shí)，假定該電網(wǎng)未接入風(fēng)電場(chǎng)，其他條件均與計(jì)及風(fēng)電場(chǎng)時(shí)一樣，電網(wǎng)A的有功負(fù)荷仍為2725 MW，電網(wǎng)的發(fā)電機(jī)數(shù)據(jù)組中除去所有風(fēng)力發(fā)電機(jī)，再次運(yùn)行電壓穩(wěn)定計(jì)算作業(yè)，得出該電網(wǎng)的功率極限值為3898 MW，電壓穩(wěn)定裕度值為1173 MW，系統(tǒng)靜態(tài)儲(chǔ)備系數(shù)為43%。

表1 線(xiàn)路參數(shù)Tab.1 Line parameters

由上述計(jì)算可知，該電網(wǎng)接入風(fēng)電場(chǎng)后，其電壓穩(wěn)定裕度比未接入風(fēng)電場(chǎng)時(shí)略高，系統(tǒng)靜態(tài)儲(chǔ)備系數(shù)也略大，表明接入風(fēng)電場(chǎng)以后，電網(wǎng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性變好。其原因是由于該地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)容量較大，且都采用了雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，基本不需要從電網(wǎng)吸收無(wú)功，在風(fēng)電并網(wǎng)后，可以為電網(wǎng)提供一定的有功甚至是無(wú)功功率，對(duì)系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性形成有力的支撐。所以當(dāng)風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)時(shí)，能夠提高系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性。

3.3 無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備對(duì)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響

根據(jù)電壓穩(wěn)定裕度的計(jì)算結(jié)果，在接入風(fēng)電場(chǎng)時(shí)，該系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定裕度為1290 MW。隨著負(fù)荷的增加，寶龍山（BLS）與開(kāi)魯（KL）兩個(gè)變電站電壓下降幅度最大，這兩個(gè)點(diǎn)即被認(rèn)為是該地區(qū)電壓穩(wěn)定性最差的兩個(gè)點(diǎn)。

考慮到電壓穩(wěn)定性的降低主要是由于局部無(wú)功不足造成的，所以配備無(wú)功電源是改善靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的重要方法。為了研究無(wú)功補(bǔ)償裝置對(duì)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響，在這兩個(gè)電壓穩(wěn)定性最差的節(jié)點(diǎn)裝設(shè)一定容量的固定無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，再對(duì)其電壓穩(wěn)定性進(jìn)行分析，進(jìn)一步探討無(wú)功補(bǔ)償裝置對(duì)電壓穩(wěn)定性的影響。

在BLS、KL兩個(gè)節(jié)點(diǎn)分別裝設(shè)30 Mvar、50 Mvar、80 Mvar的固定無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，得出配備了無(wú)功設(shè)備之后這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的PV曲線(xiàn)，分別如圖2、3、4所示。

可見(jiàn)，在加裝了固定無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備后，這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性都有了一定的提高，而且配備的無(wú)功設(shè)備容量越大，電壓穩(wěn)定性提高越明顯。

在這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)安裝無(wú)功設(shè)備，對(duì)該電網(wǎng)的無(wú)功裕度也有一定的提升。通過(guò)計(jì)算表明，在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)安裝30 Mvar的固定無(wú)功設(shè)備后，該電網(wǎng)的無(wú)功裕度

圖2 配備30 M var固定補(bǔ)償裝置的PV曲線(xiàn)Fig.2 PV curves w ith 30 M var fixedcompensation device

圖3 配備50 M var固定補(bǔ)償裝置的PV曲線(xiàn)Fig.3 PV curves w ith 50 M var fixed compensation device

圖4 配備80 M var固定補(bǔ)償裝置的PV曲線(xiàn)Fig.4 PV curves with 80 M var fixed compensation device

從原來(lái)的1290 MW升高到1332 MW，提高了42 MW；安裝50 Mvar的固定無(wú)功設(shè)備后，無(wú)功裕度從原來(lái)的1290 MW升高到1408 MW，提高了118 MW；安裝80 Mvar的固定無(wú)功設(shè)備后，無(wú)功裕度從原來(lái)的1290 MW升高到1489 MW，提高了199 MW。由此可以看出，配備的無(wú)功設(shè)備容量越大，電壓無(wú)功裕度提升越大。

3.4 提高機(jī)端電壓對(duì)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響

由之前的計(jì)算可知，在接入風(fēng)電場(chǎng)之后，電網(wǎng)A的靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度為1290 MW。為了評(píng)估提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓對(duì)靜態(tài)電壓穩(wěn)定的影響，仍然選取了開(kāi)魯變電站和寶龍山變電站進(jìn)行研究。

開(kāi)魯變電站共接有5個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，將這5個(gè)風(fēng)電場(chǎng)中的所有風(fēng)電機(jī)組的機(jī)端電壓分別升高0.02 pu和0.05 pu，以此來(lái)提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的有功與無(wú)功功率，并研究其對(duì)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的影響。開(kāi)魯變電站的PV曲線(xiàn)如圖5所示。

圖5 提高機(jī)端電壓后開(kāi)魯變電站PV曲線(xiàn)Fig.5 PV curves of KL Substation after im proving the term inal voltage

機(jī)端電壓提高0.02 pu時(shí)，經(jīng)過(guò)計(jì)算可得，該電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定裕度從1290 MW提高到1342 MW，提高了52 MW。機(jī)端電壓提高0.05 pu時(shí)，電壓穩(wěn)定裕度從1290 MW提高到1457 MW，提高了167 MW。

寶龍山變電站共接有4個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，將這4個(gè)風(fēng)電場(chǎng)中的所有機(jī)組的機(jī)端電壓分別升高0.02 pu和0.05 pu，并研究其對(duì)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的影響。寶龍山變電站的PV曲線(xiàn)如圖6所示。

機(jī)端電壓提高0.02 pu時(shí)，經(jīng)過(guò)計(jì)算可得，該電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定裕度從1290 MW提高到1337 MW，提高了47 MW。機(jī)端電壓提高0.05 pu時(shí)，電壓穩(wěn)定裕度從1290 MW提高到1431 MW，提高了141 MW。

通過(guò)上面的分析可知，提高風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓可以改善電網(wǎng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性。其原因是提高了機(jī)端電壓，既增大了發(fā)電機(jī)輸出的有功功率，有力支撐了電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性，還增大了無(wú)功功率的輸出，使得風(fēng)力機(jī)不需要從外界吸收無(wú)功功率，甚至可以向電網(wǎng)提供一定的無(wú)功，所以提高機(jī)端電壓可以有效提高電網(wǎng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性。

圖6 提高機(jī)端電壓后寶龍山變電站PV曲線(xiàn)Fig.6 PV curves of BLS Substation after im proving the term inal voltage

4 結(jié)論

文中采用電力系統(tǒng)分析綜合程序（PSASP）建立了國(guó)內(nèi)某實(shí)際電網(wǎng)A的模型，并分析了該電網(wǎng)在接入風(fēng)電場(chǎng)時(shí)與不接入風(fēng)電場(chǎng)時(shí)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性，研究了在系統(tǒng)中薄弱環(huán)節(jié)配置無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備、改變風(fēng)力機(jī)機(jī)端電壓兩種措施對(duì)電網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響。最終得出結(jié)論：風(fēng)電并網(wǎng)后，電網(wǎng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度以及靜態(tài)儲(chǔ)備系數(shù)均有所提高，即風(fēng)電并網(wǎng)能夠提高系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性；在系統(tǒng)中裝設(shè)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備、提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓兩種措施均可以有效地提高系統(tǒng)的無(wú)功裕度，改善系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性。

[1] 劉春曉.大型風(fēng)電場(chǎng)對(duì)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響研究[D].天津：天津大學(xué)，2009:2-3.

[2] ZHOU F Q，JOOS G，ABBEY C.Voltage stability in weak connection wind farms[C].Power Engineering Society General Meeting，IEEE Vol.2，Jun 12-16，2005，San Francisco，USA，2005:1483-1488.

[3] SMITH J，BROOKS D.Voltage impacts of distributed wind generation on rural distribution feeders[C].Transmission and Distribution Conference and Exposition，IEEE/PES，Vol1，Oct 28-Nov 2，2001，Atlanta，USA.2001（1）:492-497.

[4] HA L T，SAHA T K.Investigation of power loss and voltage stability limits for large wind farm connections to a subtransmission network[C].Power Engineering Society General Meeting，Denver，USA，2004:2251-2256.

[5] 李興源，王秀英.基于靜態(tài)等值和奇異值分解的快速電壓穩(wěn)定性分析方法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2003，23（4）:1-4.LI Xingyuan，WANG Xiuying.Fast voltage stability analysis methods based on static equivalence and singular value resolution[J].Proceedings of the CSEE，2003，23（4）:1-4（in Chinese）.

[6] 杜曉明，趙冬梅.改進(jìn)連續(xù)潮流法追蹤PV曲線(xiàn)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2006，30（1）:278-281.DU Xiaoming，ZHAO Dongmei.An improved continuation power flow tracing PV curve[J].Power System Technology，2006，30（1）:278-281（in Chinese）.

[7] Billin R，Bai G.Generating capacity adequacy associated with wind energy[J].IEEE Trans on Energy Conversion，2004，19（3）:641-646.

[8] 王亮，邱夕兆，劉道偉，等.山東電網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定和無(wú)功補(bǔ)償評(píng)估[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39（22）:46-51.WANG Liang，QIU Xizhao，LIU Daowei，et al.Assessment of static voltage stability and reactive power compensation of Shandong power grid[J].Power System Protection and Control，2011，39（22）:46-51（in Chinese）.

[9] 吳政球，李日波，鐘浩，等.電力系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限及裕度計(jì)算綜述[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2010，22（1）:126-132.WU Zhengqiu，LI Ribo，ZHONG Hao，et al.Summary of power system’s static voltage stability limitation and load margin calculation[J].Proceedings of the CSU-EPSA，2010，22（1）:126-132（in Chinese）.