風電與柔性交流輸電系統(tǒng)優(yōu)化選址對配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定的影響分析

曹 紅，姜 萌，陳 俊，張晶晶，曹 輝

(1. 國網(wǎng)上海市電力公司松江供電公司，上海 201600；2. 國網(wǎng)上海市電力公司青浦供電公司，上海 201707)

與其他清潔能源相比，風力發(fā)電技術開發(fā)規(guī)模在逐漸增大的同時，其開發(fā)成本卻相對較低，較成熟的技術優(yōu)勢使其逐漸成為我國能源結構的重要環(huán)節(jié)。風速的隨機波動性，導致風電場接入配電網(wǎng)會對系統(tǒng)潮流以及電壓穩(wěn)定等造成明顯影響[1]，因此對接入配電網(wǎng)的風電場選址和無功補償?shù)难芯慷季哂兄匾囊饬x。

目前，國內外研究者對配電網(wǎng)的風電接入和無功補償?shù)难芯恳呀?jīng)取得了一定成果。文獻[2]通過搭建33節(jié)點配電系統(tǒng)研究了隨機風速下風電場的選址定容問題。文獻[3]通過建立三機九節(jié)點系統(tǒng)分析柔性交流輸電系統(tǒng)(Flexible AC Transmission System，簡稱FACTS)裝置對電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性分析發(fā)現(xiàn)靜止同步補償器(Flexible AC Transmission System, 簡稱STATCOM)模型能有效提高系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定水平。文獻[4]在Matlab/Simulink平臺搭建了仿真模型分析系統(tǒng)故障下，對比分析了投入靜止無功補償器(Staticvar Compensttor，簡稱SVC)前后系統(tǒng)到動態(tài)穩(wěn)定性的變化情況，仿真發(fā)現(xiàn)故障發(fā)生后SVC能夠有效減少系統(tǒng)故障恢復時間。文獻[5]建立數(shù)種FACTS裝置模型，研究各無功補償裝置對系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的影響。這些研究均有側重點，本文主要研究測試系統(tǒng)配電側并入風電場和SVC、STATCOM對系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的影響。

1 電壓穩(wěn)定性的定義和影響因素

電力系統(tǒng)具有復雜的非線性特性，其穩(wěn)定性影響因素復雜。如果負荷導納增大時，負荷消耗的功率增加，功率和電壓均可控，并且系統(tǒng)能維持電壓則稱系統(tǒng)電壓穩(wěn)定；反之就稱系統(tǒng)電壓不穩(wěn)定。

隨著區(qū)域互聯(lián)、電壓等級升高等發(fā)展，現(xiàn)代電力系統(tǒng)面臨著諸如電壓不穩(wěn)定或電壓崩潰等威脅電網(wǎng)穩(wěn)定運行的安全隱患。電力系統(tǒng)無功不平衡對電力系統(tǒng)電壓有著負面影響，易造成電壓失穩(wěn)。注入母線的無功功率決定了單條母線的負荷參數(shù)。當系統(tǒng)運行到最大負載點或電壓崩潰點時，系統(tǒng)的有功和無功損耗將大大增加，此時可以通過特定母線向系統(tǒng)提供所需無功支撐以降低系統(tǒng)損耗。

電壓崩潰的研究和相關的工具通常是基于以下微分代數(shù)方程研究：

(1)

式中x=[x1，x2，…，xn]T——系統(tǒng)狀態(tài)向量；u=[u1，u2，…，ur]T——系統(tǒng)輸入向量；y=[y1，y2，…，ym]T——系統(tǒng)輸出向量；f，g——x和u的非線性方程組。

基于式(1)，電壓崩潰點可以定義為系統(tǒng)運行在平衡節(jié)點時系統(tǒng)的雅可比矩陣是奇異的。即運行點(x1，u1)存在以下關系：

(2)

式(2)中運行點(x1，u1)即為鞍結分岔(Saddle-Node Bifurcation，簡稱SNB)點。連續(xù)潮流(CPF)是廣泛使用的電壓崩潰分析方法，本文所采用的連續(xù)潮流算法是通過母線所接負荷容量的平滑變化實現(xiàn)的。

2 FACTS裝置建模

本文研究的FACTS裝置為SVC和STATCOM兩種無功補償裝置，分析其對含風電系統(tǒng)配電側電壓穩(wěn)定的影響。因此本文需要針對SVC和STATCOM進行建模研究。

SVC模型是電力系統(tǒng)靜止無功調節(jié)裝置，可以調節(jié)節(jié)點電壓等系統(tǒng)特定參數(shù)。SVC的穩(wěn)態(tài)等值電路可以表示為一個可變電納。本文所采用SVC模型如下：

(3)

式中bSVC——等效總電抗；Kr——穩(wěn)定器時間常數(shù)；Vref——參考電壓；V——母線實際電壓；Tr——時間常數(shù)。

該SVC模型注入節(jié)點無功功率：

Q=-bSVCV2

(4)

式中Q——SVC注入系統(tǒng)無功功率。

本文所采用的STATCOM模型是電流注入類模型。節(jié)點電壓非常低是依然能夠為系統(tǒng)提供電容式無功功率，其能夠產生最大的電容功率與節(jié)點電壓無關。在系統(tǒng)出現(xiàn)故障或電壓崩潰等不利情況時，STATCOM模型可仍然有效調節(jié)無功功率。

STATCOM模型的電流始終保持與母線電壓矢量的正交，因此交流系統(tǒng)和STATCOM模型之間的只存在無功功率轉換。STATCOM模型電流和注入無功功率，分別為

(5)

式中iSH——STATCOM輸出電流；KR——穩(wěn)定器時間常數(shù)；VREF——參考電壓；V——母線實際電壓；TR——時間常數(shù)。

Q=-iSHV

(6)

式中q——STATCOM模型輸出無功功率。

SVC和STATCOM均可為IEEE-14節(jié)點系統(tǒng)提供足夠的無功功率支撐，以保障系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定。

3 仿真分析

采用IEEE-14測試系統(tǒng)分析配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定影響系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定，該測試系統(tǒng)包括14條母線，2臺發(fā)電機、3臺同步補償器，16條線路，4臺變壓器和11處負載。IEEE-14測試系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 IEEE-14測試系統(tǒng)

本文主要通過3個參數(shù)的對比，選定風電場以及FACTS裝置最佳接入位置，分別為弱母線靈敏度指數(shù)、連續(xù)潮流電壓分布以及系統(tǒng)P-V曲線，根據(jù)3種分析結果對比選出最優(yōu)接入點弱母線靈敏度指數(shù)[6](Weakest Bus Sensitivity Index，簡稱WBSI)是用來選取可再生能源和FACTS最佳接入位置有效選擇方法，系統(tǒng)各線路WBSI值如表1所示。

表1 系統(tǒng)各線路WBSI值

從表1中可以看出，線路(12-13)，(9-14)，(14-13)對系統(tǒng)的穩(wěn)定更加敏感。

連續(xù)潮流(Continuation Power Flow，簡稱CPF)電壓分布是分析系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的有效方法，對最弱電壓幅值節(jié)點電壓補償是提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的有效方法。系統(tǒng)CPF電壓幅值分布如圖2所示。

圖2 IEEE-14測試系統(tǒng)CPF電壓幅值分析

從圖2中可以看出，9，10，11，12，13和14都是電壓幅值較低節(jié)點。在這些節(jié)點中，節(jié)點14為最弱的電壓分布，最弱母線電壓幅值(標幺值)為0.686 5.

P-V曲線是分析系統(tǒng)極限功率的重要研究手段，通過計算電壓和負載之間的關系，獲得電壓崩潰時系統(tǒng)最大接入負載。

測試系統(tǒng)的部分弱節(jié)點PV圖如圖3所示。

圖3 IEEE-14測試系統(tǒng)的部分弱節(jié)點PV圖

從圖3可以看出，該系統(tǒng)提出了一個最大負荷點(Maximum Load Point，簡稱MLP)，即保持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的接入最大負荷為(標么值)2.37。

結合系統(tǒng)WESI、電壓幅值以及P-V曲線參數(shù)對比，選擇在母線14處接入風電場提高系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。系統(tǒng)中連接到所選總線的風電場。風電場包括30個風力渦輪機發(fā)電機的總容量為30 MW。替補風電場是通過母線15接入總線14。

為雙饋開步風力發(fā)電機(Double Fed Induction Generator, 簡稱DFIG)接入14號節(jié)點時，系統(tǒng)臨界母線的P-V曲線圖如圖4所示。對比圖3和圖4可以發(fā)現(xiàn)，DFIG風電場的接入使得系統(tǒng)各母線最大負荷均有所增，其中14號母線的λ值從2.37增加到了2.62，這主要是因為DFIG風電場能夠為系統(tǒng)提供部分無功支撐，從而改善了系統(tǒng)電壓穩(wěn)定特性。

圖4 含風電 IEEE-14測試系統(tǒng)

為保障風電場的穩(wěn)定運行狀態(tài)，目前廣泛采用的是FACTS設備提高電壓穩(wěn)定極限值。本文主要對比SVC和STATCOM裝置對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。IEEE-14風電系統(tǒng)投入SVC和STATCOM裝置后，系統(tǒng)部分節(jié)點P-V曲線圖如圖5和圖6所示。

圖5 投入SVC含風電IEEE-14系統(tǒng)PV圖

圖6 投入STATCOM裝置含風電IEEE-14系統(tǒng)PV圖

從圖5和圖6中可以看出，投入SVC和STATCOM裝置后，系統(tǒng)最大接入負荷(標幺值)分別為2.675和2.690。

IEEE-14系統(tǒng)14節(jié)點P-V曲線對比圖如圖7所示。圖7中，STATCOM系統(tǒng)的MLP是最高的，并且電壓降是最低的。很明顯，風電的接入和STATCOM、 SVC裝置的投入使得IEEE-14系統(tǒng)具備了更好、最大的負載裕度，系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性得到大幅提升。

圖7 IEEE-14系統(tǒng)14節(jié)點PV曲線

4 結語

本文主要分析了DFIG以及FACTS裝置接入IEEE-14節(jié)點系統(tǒng)對配電側電壓穩(wěn)定影響分析。通過仿真結果分析表明：風電系統(tǒng)有效改善了配電網(wǎng)絡的電壓穩(wěn)定性，并且FACTS裝置同樣改善了系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，STATCOM對最大負載系數(shù)的優(yōu)化效果優(yōu)于設置SVC的配電網(wǎng)絡。本文的研究結果將對配電網(wǎng)絡風電系統(tǒng)就地消納和無功補償提供參考。