風電場并入末端電網穩定性分析

陽細斌

隨著大批風電場的建設，風電機組在電網中所占比例越來越高。由于風力發電機組的可控性遠弱于火力發電機組和水力發電機組，所以給電網帶來了許多新的技術問題。我國風電場多建在薄弱電網，一定規模的風電場接入局部電網后勢必帶來電壓穩定問題，影響電力系統穩定。針對風電場并入薄弱電網的電壓穩定性問題進行分析研究，并進行仿真，從靜態角度分析了影響風電場電壓穩定的不同因索。

電壓穩定性；風電場；短路容量

風力發電是一種清潔的可再生能源，可以改善能源結構，提高能源安全，積極應對氣候變化，為經濟和社會發展帶來顯著的效益。中國風能資源較為豐富的地方往往地處偏僻，位于電網末端，遠離負荷中心，電網較弱，電壓不穩定。由于風能具有隨機性和間歇性的特點，隨著風電裝機容量及在電網中所占比例的增加，給電網的安全、穩定運行帶來重大的影響，因此，如何維持系統的穩定性是亟需分析和解決的問題。

1.風電場并網運行引起的電壓波動和閃變

風電場并網運行除了產生諧波之外，還會引起電網電壓波動和閃變，根本原因是并網風電機組輸出功率的波動，下面將分析并網風電機組輸出功率波動引起電壓波動和閃變的機理。

圖1為風電機組并網示意圖，其中為風電機組出口電壓相量；為電網電壓相量；分別為線路電阻和電抗；，分別為線路上流動的有功功率電流和無功功率電流相量。一般而言，有功功率電流要遠大于無功功率電流。

由圖lb)可見，是造成電壓降落的主要原因，與垂直，造成的電壓降落可以忽略不計。由圖l c)可見，是造成電壓降落的主要原因，與垂直，造成的電壓降落可以忽略不計。所以有功功率電流和無功功率電流都會造成明顯的電壓降落，分別為和。當并網風電機組的輸出功率波動時，有功功率電流和無功功率電流隨之變化，從而引起電網電壓波動和閃變。

影響風電機組輸出功率的因素很多，其中風速是主要因素。風電機組的機械功率可以表示為 （1）

式中：為功率；為空氣密度；為葉片掃風面積；為風速；為功率系數，表示風電機組利用風能的效率，它是葉尖速比和槳距角的函數。葉尖速比定義為（2）

式中為葉輪轉速，為葉輪半徑。

由式(1)和式(2)可見，空氣密度、葉輪轉速、槳距角和風速的變化都將對風電機組的輸出功率產生影響。風速的變化是由自然條件決定的，隨機性比較強，且功率與風速的三次方近似呈正比，因此當風速快速變化時，并網風電機組的輸出功率將隨之快速變化。葉輪轉速和槳距角的變化由風電機組類型和控制系統決定，龍高山風電場的風機為變速、變槳距風機，風機的輸出功率受風速影響較大。

此外，在并網風電機組持續運行過程中，由于受塔影效應、偏航誤差和風剪切等因素的影響，風電機組在葉輪旋轉一周的過程中產生的轉矩不穩定，而轉矩波動也將造成風電機組輸出功率的波動，并且這些波動隨湍流強度的增加而增加。并網風電機組不僅在持續運行過程中產生電壓波動和閃變，而且在啟動、停止和發電機切換過程中也會產生電壓波動和閃變。典型的切換操作包括風電機組啟動、停止和發電機切換，其中發電機切換僅適用于多臺發電機或多繞組發電機的風電機組。這些切換操作引起功率波動，并進一步引起風電機組端點及其他相鄰節點的電壓波動和閃變。

2.風電場電壓穩定性分析

當風電場連接到一個薄弱電網時，風速的波動會引起風機的無功功率和有功功率的波動，造成電壓波動（見圖2)，當進行模擬仿真時給定風速是一個類似不規則變化的噪音風的模型時，輸出的結果會發現實際輸出功率會隨著風速的波動而波動，機端電壓也會波動，但其波動方向與風速和輸出功率的波動方向相反。

風電場接入點負載能力的強弱。風電場接人點負載能力的強弱可用風電場接人點的短路容量來表征。國內外的學者和工程技術人員通常采用短路容量比來表征電力系統中風力發電規模的大小，以此作為計算分析和進行評價的依據。風電場短路容量比等于風電場額定容量對風電場與電力系統連接點PCC的短路容量SCC(Short Circuit Capacity)的比值。

短路容量比是電壓穩定問題的研究中經常使用的一個概念。PCC一般是指風電場變電站的高壓側節點。短路容量表示網絡結構的強弱，反映了該節點的電壓對風電注人功率變化的敏感程度，短路容量大說明該節點與系統電源點的電氣距離小，聯系緊密。因此短路容量比決定了該網絡承受風電擾動的能力，風電場短路容量比小表明系統承受風電擾動的能力強。

聯絡線參數刀的影響。聯絡線上的電壓降落近似為

≈（3）

式中：為風電場輸出的有功和無功功率，>0，<0；為聯絡線的阻抗參數；為風電場端電壓。

由此可見，當風電場向系統輸送有功功率時，在輸電線的電阻上產生使風電場端電壓上升的電壓分量，而風電場從系統吸收的無功功率，在輸電線的電抗上產生使風電場端電壓下降的分量。

因此，聯絡線的阻抗參數對風電場的功率電壓特性有很大的影響。

由上分析，可知風電場端電壓的穩定性和短路容量比和聯絡線參數有一定的關系。為了證實上述分析，用PSCAD針對上述2種情況并且從靜態的角度進行模擬仿真，以期得到2種參數對電壓穩定性影響的定性的結論。

3.風場電壓穩定性的靜態仿真分析

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圖3為風電場接在配電網的末端，通過雙回輸電線與電網相連。風電場接人末端電網，改變了局部地區的潮流分布和電壓水平。因為重點觀察風電功率注入對局部電網電壓的影響，所以將變壓器110kV以上電壓等級的外部系統簡化為等值電源與等值阻抗。

穩定風速在8m/s時，取無功補償電容=0.3時風電場端電壓初值為1.0，改變不同參數進行仿真。

A.短路容量比K的影響

電網中的短路容量或功率等于該點三相短路電流與額定電壓的乘積。如果短路電流用kA表示，相間電壓用kV表示，則短路容量MVA。短路容量比K是指在確定接入風電場的裝機容量時，通常采用基于耦合點的短路容量，用風電機的裝機容量與連接點的短路容量之比表示短路容量比。在圖3所示的系統中，等效電源電壓的高低將影響系統節點的電壓水平，因此對節點的短路容量有很大影響。令電源電壓取不同值時，將計算出不同的短路容量比。因此可以通過調節等效電壓源的容量大小來等效改變短路容量比。從=1.0時，電壓源代表無窮大系統。

保持聯絡線不變，在表2所示不同短路容量比情況下進行仿真，得到的波形見圖4。

表2和短路比對應表

圖4所示當風電場連接到一個無窮大系統時，機端電壓會基木維持在1.0。當短路容量比從5％~30％的不斷增大可以看到，電壓會慢慢震蕩下降，當到達30%時電壓穩定性會完全喪失。由此可以看出短路容量比與風電場電壓的波動密切相關。為了保證機端電壓質量，風電場的裝機容量不能超過耦合點短路容量的某一百分值。根據我國電網情況短路容量比一般不超過10％。

圖4機端電壓水平隨短路容 圖5機端電壓水平隨傳輸線量比變化曲線圖 阻抗比變化曲線圖

B.聯絡線的影響

保持短路容量不變，使＝1.0。風電場接入處于電網末端的傳輸線的阻抗比刀的值在2~6之間改變，從仿真結果看，如圖5所示，當的值增加時，風電場電壓會下降，電壓穩定性也相應的降低。

4.結論

風電的快速發展和大規模接入電網賦予了電力系統電壓穩定新的研究內容。不同的系統面臨的電壓穩定問題可能有較大的差異，即使同一個電力系統，不同的發展時期，網架結構的差異、負荷特性的差異以及風電接入容量的差異均使系統的電壓穩定問題變得不同，需要區別對待和解決。

為了風電接入系統后的電壓穩定應選擇技術性能好的風機、盡可能地將風電場分散接入系統。另外，還應深入研究風機建模和進行風電接入系統后的長過程仿真。

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