不同控制策略下含直驅機組風電場的系統電壓穩定研究

趙海嶺，王維慶，姚秀萍，常喜強

(1.新疆電力公司昌吉電業局，新疆 昌吉 831100;2.新疆大學電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830047;3.新疆電力調度通信中心，新疆 烏魯木齊 830002)

0 引言

風力發電是目前技術最成熟、最具開發規模和商業化發展的可再生能源利用形式［1］。大規模地開發和利用風能成為世界新能源領域的一大重要研究課題。然而在電網接納不斷增加的風電穿透功率時，致使風電并網的電壓穩定問題逐漸凸顯。

變速永磁直驅風電機中全功率變頻器的采用，使得該風機有功與無功可控，擁有多種靈活控制策略［2］，具有的優勢越來越凸出，在實際風電場中占據比例越來越高，大規模基于直驅風電機組并網風電場越來越多，在基于直驅機組風電場與電網弱聯系時，其對電力系統電壓穩定影響值得研究。

電壓失穩的根源在于線路輸送功率與負荷所需的功率無法平衡，最終導致電壓崩潰［3］。文獻［4－6］對風電場接入電力系統的穩態進行了仿真，其中文獻［5］主要是分析風電場的輸出功率隨風速間歇性和波動性變化對所接入地區電網電壓的影響。風電場接入對于含風電場的電網電壓穩定、風電注入功率不定與其本身無功特性使得與傳統電壓穩定問題有著機理上［7－9］的一致。國內外進行了大量細致的研究。文獻［10］分析了隨風電場容量的不斷增加對地區電網電壓穩定的不利影響，若系統不能提供足夠的無功支持，將會導致地區電網電壓瓦解，采用連續潮流計算得出P－V曲線，對地區電網關鍵母線電壓與風場不同出力水平的關系進行了詳盡分析，并對某些節點加與不加無功補償裝置對節點電壓的影響進行了仿真。文獻［11－13］通過得出風場的不同出力下系統相關節點電壓，采用描點法繪制P－V曲線，詳細研究了含風電系統的電壓穩定問題。

針對永磁直驅風力發電技術不同控制策略進行研究，首先建立了永磁直驅同步風力發電機的數學模型，并對其構成的風電場進行等值，通過連續潮流計算，繪制風電場公共接入點(point of common coupling，PCC)、電網重要節點的PV及VQ曲線，針對直驅機組變頻器的完善的控制技術，對不同控制策略下含直驅機組風電場的電網靜態電壓穩定性進行了深入研究。

1 風電電網靜態電壓穩定機理分析

風電系統靜態電壓穩定分析的機理是采用連續潮流計算的方法［14］，研究并網風電場在小擾動情況下的風電電網電壓穩定問題。其實質是風電機組的有功和無功功率特性、電網堅強程度、電網或風電機組本身是否能夠在風電機組連續運行中提供足夠的無功電壓支持，以便在小擾動情況下保證機組與電網的電壓穩定性。圖1是單臺永磁直驅風力發電機與無窮大系統的接線連接圖，采用較為廣泛的是PV及QV曲線分析法。

圖1 直驅風機連接無窮大系統電壓分析簡圖

2 直驅機組風電場數學模型

2.1 永磁直驅風力發電機數學模型

在dq坐標系下，建立的永磁同步發電機組數學模型為［15］

式中，id和iq分別為發電機的d軸與q軸電流;Ld和Lq分別為發電機的d軸和q軸電感;Ra為定子電阻;ωe為電角頻率;ωe=npωg，np為發電機轉子極對數;ψ0為永磁體的磁鏈;ud為ug的d軸分量;uq則為ug在q軸的分量。定義q軸的反電勢eq=ωeψ0，d軸的反電勢為ed=0，假設發電機d軸與q軸電感相等，即Ld=Lq=L，則式(2)可以寫成式(3)。

直驅風電機組的電磁轉矩表達式為

若Ld=Lq=L，則式(4)可以簡化為

充分發揮病蟲害專業化防治服務組織的作用，適時組織開展應急防治，提高防治效率、效果和效益，解決小麥赤霉病預防控制窗口期短、時效性強等問題。

2.2 直驅機組風電場模型處理

根據直驅風電機組變頻器控制策略的不同，當直驅機組風電場(即該風電場全部由同步直驅風電機組構成，下同)恒功率因數控制方式時，其等效于火電機組發有功的同時，吸收或發出一定的無功，此時在潮流計算中將風電場模型處理為PQ節點［16］，同理，直驅機組風電場采取恒電壓控制方式時，將風電場模型處理為PV節點。則含風電場的等值系統見圖2。圖2中，平衡點恒定電壓標幺值U2∠0°。

圖2 風電場等值系統

風電場經變壓器jXb升高電壓，經輸電線路Z2=R2+jX2接入系統;風電場低壓側電壓為U1∠δ。

3 算例分析

3.1 新疆某地區電網概況

新疆中部地區風力資源較為豐富，目前在該地區建成的風電場一期與二期共包括66臺單機1.5 MW的直驅風電機組，總容量為99 MW。該地區電網處在電網的中部，是新疆主電網的樞紐，該地區主要電源為吐魯番電廠，將整個風電場等值處理為兩臺較大直驅同步機組，風機出口經箱式變壓器(690 V/35 kV)升壓，集電線路采取直埋電纜與架空線混合的形式送至風電場升壓主變壓器(35/110 kV)，升壓后經過50 km單回輸電線路(LGJ－200)送至110 kV小草湖變電站。吐魯番地區電網與風電場的地理接線圖如圖3所示。

圖3 直驅風電場與某地區電網的地理接線圖

3.2 仿真結果及分析

本算例選取吐魯番地區電網2008年冬大運行方式，風電場接入小草湖變電站，在整個地區電網負荷緩慢增加時，以風機機端、風場升壓站、風電場接入點、發電廠母線和中樞變電站母線以及電網末端神泉變電站母線電壓作為電壓監測點，繪制了吐魯番電廠220 kV母線、托克遜110 kV母線及神泉變電站110 kV母線作為重點監測母線，分別就以下不同算例做連續潮流計算。上述風電場接入系統后，在全網負荷成倍增長的方式下，繪制了重要節點的PV曲線，以分析系統的靜態電壓穩定性，如圖4所示。圖4中，P為風電場發出的功率;U為節點電壓。

1)基于直驅機組并網風電場采用恒功率因數(cosφ =1)控制方式

圖4 風電場恒功率因數1控制模式下的各變電站P－V曲線

圖5 風電場恒功率因數1控制模式下的并網點V－Q曲線

表1 風電場恒功率因數1控制模式下風電場出力與風電場并網點電壓對應關系表

風電場的功率注入改變了地區電網各變電站之間的潮流流向，使各線路傳輸功率大小發生改變，各變電站母線電壓的變化趨勢是先升后降，但總體均未出現電壓越限的情況。在風電場出力水平由0逐漸增加到49 MW時，其為風電接入地區的負荷供電，減少了由吐魯番主網饋送至風電接入地區的傳輸功率，減少了線路的無功損耗，使各變電站母線電壓有所上升。但隨著風電場的出力不斷增大，風電接入地區與吐魯番電網潮流反向，風電接入地區開始由受端系統變為送端系統，隨著線路傳輸功率的不斷增加，無功損耗不斷增大，最終引起各站電壓水平出現下降的趨勢，由表1也可以看出。

表2 風電場恒功率因數1控制模式下風電場出力與風電場并網點無功裕度對應關系表

由圖5風電場并網點的V－Q曲線可以看出，當風電場出力為49.5 MW時，其并網點的無功裕度為80 Mvar，如表2所示。但隨著風電場注入功率的不斷增大，并網點的無功裕度呈逐漸減少趨勢。在風電出力為99 MW時，同樣由表2其無功裕度僅為13 Mvar左右。這同樣說明隨著風電場注入功率的增大，線路消耗的無功功率增加，系統無功功率匱乏。綜上所述，從P－V曲線及對應的V－Q曲線可以得出一致的結論:隨著風電場注入功率的增加，地區電網的電壓穩定裕度減小。

2)基于直驅機組并網風電場采用恒功率因數(cosφ =0.99滯相)控制方式

將風場內所有的永磁直驅風電機組的功率因數設置為恒功率因數滯相0.99運行，所計算出的各變電站P－V變化曲線如圖6。圖7為對應風電場并網點的V－Q曲線。

圖6 風電場功率因數滯相0.99控制模式下的各變電站P－V曲線

圖7 風電場功率因數滯相0.99控制模式下的并網點V－Q曲線

由P－V曲線可以看出，當所有直驅風電機組采取恒定功率因數滯相0.99運行時，各變電站的電壓總體也是先升后降。但是與恒定功率因數1的計算相比，由于滯相運行后風電機組發出有功的同時，也在發出一部分無功功率，導致部分變電站母線電壓超過了標準規定的電壓上限。與之對應風電場并網點V－Q曲線也得出了一致的結論:和恒定功率因數1方式相比，在風電場出力為99 MW時，恒定功率因數1運行時無功裕度為13 Mvar，功率因數滯相0.99運行時，由表3可以得出，無功裕度增大為38 Mvar，電網的無功裕度充足，導致部分母線電壓越限。因此在實際電網出現此方式運行時，不建議直驅機組并網風電場采取滯相功率因數運行。

表3 風電場功率因數滯相0.99控制模式下風電場出力與風電場并網點無功裕度對應關系表

3)基于直驅機組并網風電場采用恒功率因數(cosφ = －0.99進相)控制方式

將風場內所有的永磁直驅同步風電機組的功率因數設置為恒功率因數進相0.99運行，圖8為計算出的各變電站P－V變化曲線，從圖8可以看出，隨著風電場有功出力增加，各變電站母線電壓幅值逐漸降低，但總體均在規定的電壓范圍內，只是在風電場出力大于80 MW時，機端與風電場升壓站電壓出現越下限的情況。

圖9為與之對應風電場并網點的V－Q曲線，風電場注入系統功率越大，其無功裕度越小，在風電場出力水平為69 MW時，其無功裕度約為40 Mvar，在出力水平相同時，恒功率因數1的無功裕度為近60 Mvar，由此可見，直驅風電機組進相功率因數運行時，其無功功率裕度減少了約20 Mvar。這是因為，進相運行使直驅風機在發出有功的同時，吸收電網的無功功率，導致整體電壓偏低。

4)基于直驅機組并網風電場采用恒電壓控制方式

圖8 風電場功率因數滯相0.99控制模式下的各變電站P－V曲線

圖9 風電場功率因數滯相0.99控制模式下的并網點V－Q曲線

圖10 風電場恒電壓控制下各變電站P－V曲線

由圖10的P－V曲線明顯可以看出，當直驅機組采取恒電壓控制方式運行時，直驅機組機端電壓始終為1.0 p.u.。風電場注入系統功率在100 MW以內時，地區電網各變電站母線電壓均在規定的偏差范圍內，不會出現越上限或越下限的情況。與之前的恒定功率因數下的電網電壓穩定水平相比，顯而易見，基于直驅機組風電場采取恒電壓控制方式的系統靜態電壓穩定性要優于恒定功率因數控制方式下的電網電壓穩定性。

圖11 風電場恒電壓控制下并網點的V－Q曲線

從圖11并網點的V－Q曲線也可以看出，風電場出力水平分別為15 MW、69 MW、99 MW時，其對應的電網無功裕度相差不大。這是由于直驅風電機組網側變頻器采取恒電壓的控制策略。在實際運行中風電場相當于電網中的PV節點，隨著機組出力的增加，當機端電壓或電網電壓有變化時，直驅風電機組的無功功率可以在較大范圍內變化調整，以保證機組端電壓始終為1.0 p.u.，使電網電壓近似維持不變。這也是恒電壓控制方案下所得出的風電電力系統電壓靜態穩定性好的原因。

4 結論

風電場穿透功率的增加使其對電網的影響逐漸擴大。尤其是在風電場與電網弱聯系時，其對地區電網電壓穩定性的影響不容忽視。通過調整直驅機組風電場的不同控制策略，其對含直驅機組風電場的系統靜態電壓穩定性進行了詳細研究，得出的結論如下。

①風電場在處于低出力水平時，可以較好地改善地區電網的靜態電壓穩定性。但隨著風電場注入功率的增加，線路的無功損耗增大，致使風電場接入地區需要從地區主網受入大量無功功率，電網無功裕度減少，最終導致電網靜態電壓穩定性降低。

②基于直驅機組并網風電場采取恒功率因數與恒電壓兩種調控方案相比，恒電壓控制方式下含直驅機組風電場的電壓穩定性要優于恒功率因數控制方式下的。

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