一種風(fēng)電場(chǎng)無功能力評(píng)估方法

李雍睿，付百令，張冠鋒，趙清松

（1.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110006；2.吉林松江河水力發(fā)電有限責(zé)任公司，吉林 通化 134500；3.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006）

一種風(fēng)電場(chǎng)無功能力評(píng)估方法

李雍睿1，付百令2，張冠鋒3，趙清松3

（1.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110006；2.吉林松江河水力發(fā)電有限責(zé)任公司，吉林 通化 134500；3.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006）

為精確評(píng)估風(fēng)電場(chǎng)的無功輸出能力，從電網(wǎng)需求和風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況出發(fā)，建立了風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)仿真模型；以風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)電壓為約束條件，評(píng)估風(fēng)電場(chǎng)無功安全裕度，給出了風(fēng)電場(chǎng)全工況運(yùn)行模式下的無功裕度限值表，為風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)的無功電壓管理提供依據(jù)。

風(fēng)電場(chǎng)；無功功率；評(píng)估

隨著風(fēng)電在電力能源結(jié)構(gòu)中占的比例越來越高，大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)集中并網(wǎng)，電網(wǎng)的運(yùn)行特性受到嚴(yán)重影響。風(fēng)能具有隨機(jī)性和不可控性，使得風(fēng)電場(chǎng)有功出力和無功功率具有波動(dòng)性，進(jìn)而風(fēng)電場(chǎng)與電網(wǎng)相連的線路或電網(wǎng)中的送電通道上的潮流和無功功率不斷改變，影響電網(wǎng)電壓質(zhì)量和電壓穩(wěn)定性，經(jīng)長(zhǎng)距離與電網(wǎng)相連的風(fēng)電場(chǎng)更為突出，因此風(fēng)電場(chǎng)的無功補(bǔ)償對(duì)調(diào)節(jié)接入電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性就顯得尤為重要［1］。

目前，大多數(shù)風(fēng)電機(jī)組采用大功率四象限電力電子變流器與電網(wǎng)連接，通過變流器控制可以實(shí)現(xiàn)有功、無功功率解耦，其自身無功調(diào)節(jié)能力可以應(yīng)用于風(fēng)電場(chǎng)的無功功率調(diào)節(jié)［2－3］。此外并網(wǎng)的風(fēng)電場(chǎng)須配備無功補(bǔ)償設(shè)備，通過對(duì)風(fēng)電機(jī)組和無功補(bǔ)償設(shè)備協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)無功功率調(diào)節(jié)，從而滿足電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的無功要求［4］。

針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)無功功率運(yùn)行特性及控制策略已有大量研究，風(fēng)電場(chǎng)無功能力評(píng)估卻未見報(bào)道，然而為了更好地實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行無功和電壓控制，電網(wǎng)公司已逐漸開始實(shí)施所管轄電網(wǎng)內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)無功功率管理，以達(dá)到減少電壓波動(dòng)，提高電壓合格率的目的。本文結(jié)合電網(wǎng)需求和風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況，提出了一種風(fēng)電場(chǎng)不同工況運(yùn)行下的風(fēng)電場(chǎng)無功能力評(píng)估方法，評(píng)估了風(fēng)電場(chǎng)無功輸出能力，制定了不同工況運(yùn)行下無功出力限值表，為風(fēng)電場(chǎng)無功調(diào)度管理提供了理論依據(jù)。

1 風(fēng)電場(chǎng)有功出力與電壓穩(wěn)定性分析

在電力系統(tǒng)分析中，從并網(wǎng)點(diǎn)看進(jìn)去風(fēng)電場(chǎng)可以用1個(gè)等效的感應(yīng)發(fā)電機(jī)來代替。圖1描述了1個(gè)理想風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)的有功功率P和無功功率Q關(guān)系，并網(wǎng)點(diǎn)電壓V是P和Q的函數(shù)，通常用PV曲線來描述該點(diǎn)的有功功率和電壓的關(guān)系。風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行在恒功率因數(shù)方式下的PV曲線可以通過曲面V（P，Q）和垂直平面Q＝Ptanφ相交得到。

圖1為風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行在4種不同功率因數(shù)情況下的PV曲線。曲線1，2，3分別為滯后功率因數(shù)的感性負(fù)載曲線，曲線4為超前功率因數(shù)的容性負(fù)載曲線。未超出電壓限制Vmin時(shí)，隨著功率因數(shù)的增大，有功功率P越大。相對(duì)于某一PV曲線，隨著風(fēng)電場(chǎng)有功功率輸出的增加電壓會(huì)降低，當(dāng)有功功率達(dá)到Pmax時(shí)電壓會(huì)崩潰。以曲線3為例（功率因數(shù)為1），a點(diǎn)電壓為正常運(yùn)行值，b點(diǎn)電壓為風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的最低限制值，而c點(diǎn)處的電壓過低而崩潰。由曲線4可知，功率因數(shù)超前時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)過電壓?jiǎn)栴}。電壓穩(wěn)定性反映了系統(tǒng)維持電壓穩(wěn)定性的能力，當(dāng)負(fù)荷導(dǎo)納增大或者功率增大時(shí)，功率和電壓都是能控的。電壓崩潰是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，其所帶來的擾動(dòng)非常大。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)發(fā)生故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致等效的發(fā)電機(jī)阻抗X發(fā)生變化，最終使風(fēng)電場(chǎng)最大有功和無功輸出能力受到影響。因此，就系統(tǒng)可靠性角度而言，在各種不同的故障情況下，防止電壓崩潰可以通過在發(fā)生故障后提供足夠的有功和無功功率儲(chǔ)備以及在最惡劣情況下切除部分有功和無功負(fù)荷實(shí)現(xiàn)。

圖1 不同功率因數(shù)的PV曲線

2 風(fēng)電場(chǎng)無功功率調(diào)節(jié)過程

風(fēng)電場(chǎng)無功控制系統(tǒng)應(yīng)該能夠調(diào)節(jié)現(xiàn)有無功補(bǔ)償設(shè)備容量范圍（包括風(fēng)電機(jī)組和無功補(bǔ)償裝置），實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的連續(xù)調(diào)節(jié)維持并網(wǎng)點(diǎn)電壓穩(wěn)定，其調(diào)節(jié)速度應(yīng)能符合系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)的規(guī)定。風(fēng)電場(chǎng)參與電壓調(diào)節(jié)的手段主要包括調(diào)整風(fēng)機(jī)自身的無功出力、調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的無功出力、調(diào)節(jié)風(fēng)電場(chǎng)有載變壓器分接頭位置，并按照電網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)的指令進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整［4－6］。整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)無功功率調(diào)節(jié)原理如圖2所示。

圖2 風(fēng)電場(chǎng)整體無功調(diào)節(jié)方案圖

3 風(fēng)電場(chǎng)中無功功率負(fù)荷

風(fēng)電場(chǎng)的無功損耗主要包括發(fā)電機(jī)無功損耗、變壓器無功損耗（風(fēng)電機(jī)組箱變和風(fēng)電場(chǎng)主變壓器）、輸電線路無功損耗（集電線路和風(fēng)電場(chǎng)送出線路）3部分［7－9］。

a.發(fā)電機(jī)無功損耗

風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組主要由感應(yīng)發(fā)電機(jī)（不考慮永磁同步發(fā)電機(jī)）組成，發(fā)電機(jī)在風(fēng)電場(chǎng)或電力系統(tǒng)負(fù)荷中占的比重較大，風(fēng)電場(chǎng)無功負(fù)荷的電壓－無功特性主要由發(fā)電機(jī)決定，感應(yīng)發(fā)電機(jī)消耗的無功功率QM為

式中：Qm為勵(lì)磁功率；Qσ為漏抗功率；Xm為勵(lì)磁電抗；Xσ為漏電抗；U、I分別為機(jī)端電壓和電流［7］。

b.變壓器無功損耗

風(fēng)電場(chǎng)的變壓器損耗為所有箱變損耗和主變壓器損耗的總和。變壓器的無功損耗QLT包括空載損耗（勵(lì)磁損耗）ΔQo和漏抗中的損耗ΔQT，即：

式中：I0%為空載電流；US%為短路電壓；PN、UN分別為額定功率和額定電壓；S、U分別為變壓器的功率和電壓；BT為變壓器的對(duì)地電納；XT為變壓器的電抗。勵(lì)磁功率大致與電壓的二次方成正比，漏抗中損耗的無功功率與電壓的二次方成反比，因此變壓器的無功損耗電壓特性與感應(yīng)發(fā)電機(jī)相似。

c.輸電線路的無功損耗

風(fēng)電場(chǎng)輸電線路無功損耗為集電線路損耗和送出線路損耗。針對(duì)高電壓、長(zhǎng)距離并網(wǎng)的風(fēng)電場(chǎng)，線路電納影響較明顯，所以本文采用Π形等值電路表示輸電線路，線路串聯(lián)電抗的無功損耗ΔQL與線路流通電流的二次方成正比，即：

式中：P1、P2、Q1、Q2分別為線路首末兩端的有功功率和無功功率；U1、U2分別為首末兩端的電壓；X為線路的電抗。

線路對(duì)地電容的充電功率與電壓二次方成正比，與線路無功損耗負(fù)號(hào)相反。

線路的無功總損耗為

4 風(fēng)電場(chǎng)無功能力評(píng)估分析

基于風(fēng)電場(chǎng)無功功率負(fù)荷數(shù)學(xué)模型，搭建風(fēng)電場(chǎng)的Matlab仿真程序，結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)電壓穩(wěn)定性與無功能力的關(guān)系，進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)的無功輸出能力評(píng)估，風(fēng)電場(chǎng)參數(shù)信息如表1所示。

不同電壓和有功出力情況下風(fēng)電場(chǎng)容性無功能力輸出能力QWF1＝QSVG（SVG容性無功出力）＋QFC（電容器組容性出力）＋QG（風(fēng)電機(jī)組容性無功）＋ΔQB（集電線路充電功率）－QM（發(fā)電機(jī)組無功損耗）－QLT（主變損耗＋箱變損耗）－ΔQL（集電線路無功損耗），仿真結(jié)果如圖3和表2所示。

計(jì)算結(jié)果包含了風(fēng)電場(chǎng)在不同電壓水平下的容性無功輸出能力，本文采用在不同電壓水平下的風(fēng)電場(chǎng)最小容性無功輸出能力作為考核指標(biāo)，得到風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)當(dāng)具備如表3所示的容性無功調(diào)節(jié)能力。

由表3可知，在不考慮風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓情況下，對(duì)應(yīng)不同的有功出力，風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)具備的最小容性無功輸出能力，保證并網(wǎng)點(diǎn)或風(fēng)電場(chǎng)發(fā)生故障時(shí)，能夠提供一定的無功支撐。

表1 風(fēng)電場(chǎng)主要設(shè)備參數(shù)

不同電壓和有功出力情況下風(fēng)電場(chǎng)感性無功輸出能力QWF2＝QSVG＋QG＋ΔQB＋QM＋QLT＋ΔQL，仿真結(jié)果如圖4和表4所示。

計(jì)算結(jié)果包含了風(fēng)電場(chǎng)在不同電壓水平下的感性無功輸出能力，得到風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)當(dāng)具備如表5所示的感性無功調(diào)節(jié)能力，表明在不同電壓水平下的風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)具備最小感性無功輸出能力。

通過對(duì)風(fēng)電場(chǎng)不同出力及電壓水平下的無功輸出能力計(jì)算可知，風(fēng)電場(chǎng)在零出力的情況下風(fēng)電場(chǎng)無功輸出能力為－4.61～7.63 Mvar，風(fēng)電場(chǎng)在滿出力的情況下無功輸出能力為－28.13～10.07 Mvar。

表2 不同電壓和有功出力情況下風(fēng)電場(chǎng)容性無功輸出能力Mvar

表3 風(fēng)電場(chǎng)容性無功輸出能力

表4 不同電壓和有功出力情況下風(fēng)電場(chǎng)感性無功輸出能力Mvar

表5 風(fēng)電場(chǎng)感性無功輸出能力

圖3 不同電壓和有功出力情況下風(fēng)電場(chǎng)容性無功能力輸出能力

圖4 不同電壓和有功出力情況下風(fēng)電場(chǎng)感性無功輸出能力

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)無功能力評(píng)估問題，建立了風(fēng)電場(chǎng)無功功率負(fù)荷與電源模型，提出不同工況無功充裕度評(píng)估方法，全面評(píng)估了風(fēng)電場(chǎng)無功輸出能力，給出風(fēng)電場(chǎng)不同工況運(yùn)行下無功出力限值，為調(diào)度控制中心對(duì)風(fēng)電場(chǎng)無功管理提供了理論依據(jù)。

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An Assessment Method of Wind Farm's Reactive Power Capacity

LI Yong?rui1，F(xiàn)U Bai?ling2，ZHANG Guan?feng3，ZHAO Qing?song3
（1.State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China；2.Jilin Songjianghe Hydropower Co.，Ltd.，Tonghua，Jilin 134500，China；3.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyng，Liaoning 110006，China）

In order to accurately asses the reactive power output capacity of wind farm，this paper establishes wind farm simulation model based on the demand of grid and actual operation of wind farm.With voltage constraints of wind farm，assessing windfarm reac?tive safety margin，wind farm reactive margin limit tables of all operating conditions are proposed which provides basis for reactive volt?age management of connected wind farm.

Wind farm；Reactive power；Assessment

TM614

A

1004－7913（2016）08－0018－04

李雍睿（1984—），男，學(xué)士，工程師，從事電力市場(chǎng)負(fù)荷預(yù)測(cè)及調(diào)度運(yùn)行技術(shù)研究工作。

2016－05－10）