風電接入某地區配電網安全穩定分析

韓德順 ，李廣磊 ，陳玉名 ，馬琳琳 ，程 艷 ，孫樹敏 ，潘秀娟

（1.山東電力調度控制中心，山東 濟南 250001；2.山東電力集團公司電力科學研究院，山東 濟南 250002）

0 引言

21世紀是可再生能源的世紀，在常規能源緊張和生態環境遭受污染的今天，風力發電作為潔凈的可再生能源，潛力巨大，用之不竭，成為世界增長最快的能源之一，僅我國可有效利用的風能資源就達253億kW［1-2］。隨著國家對可再生能源發展的重視與《可再生能源法》的實施，我國越來越多的風電場接入到電力系統中。對于接入到大電網的風電場，風電裝機容量占電網總裝機容量中占的比例低于10%時［3］，風電功率的注入對大電網影響在正常范圍內，不是制約風電場規模的主要問題。但對于接入配電網的風電場，風電場多數處于人口稀少地區，當地負荷小、電網結構相對薄弱，風速波動、短路故障等擾動對風電場及當地電網的可靠運行造成較大的影響。因此，有必要對風電接入地區配電網進行穩定計算分析，制定保證系統安全穩定運行的措施。

1 含風電的配電網主接線

圖1所示為雙饋異步風力發電機組組成的風電場、一臺同步發電機、電力負荷等構成的某地區配電網系統，其中風電場共安裝7臺單機容量1.5MW雙饋異步風力發電機組，總容量10.5 MW，通過一回集電線路（25 km，電壓等級為35 kV）送至升壓站，再經50 MVA主變壓器升至110 kV電壓后經輸電線路并入當地110 kV高壓配電網。

圖1 含風電的配電網主接線

2 雙饋異步風力發電機組的數學模型

變速恒頻雙饋異步風力發電機組是當前國際風力發電的熱點新技術［4-5］，在國內風電場風電機組中占了較大比例，推導其數學模型對于研究風電機組運行特性具有重要意義。

2.1 風輪機數學模型

一般，風輪機連接有3個葉片，由玻璃鋼制成。葉片的形狀與曲線按空氣動力學原理設計，以保證風輪機實現風能—機械能的理想轉換，風力機通過葉片捕獲風能，將風能轉換為作用在輪轂上的機械轉矩，風速與轉矩之間的關系可表示為［6］：

式中：MW為風力機葉片機械轉矩；ρ為空氣密度；cp為風能利用系數（即在單位時間內，風輪所吸收的風能與通過風輪轉面的全部風能之比）；R為葉片的半徑；VW為風速；γ為葉尖速比；ΩN為葉片額定機械角速度；pN為風力機的額定功率。

2.2 傳動機構模型

風力機組的傳動機構由輪轂、傳動軸和齒輪箱組成。一般認為傳動機構屬于剛性器件，具有較大的慣性，常用一階慣性環節來表示：

式中：Mt為傳動機構輸出轉矩，pu；Tj為輪轂慣性時間常數，s；MW為傳動機構輸入轉矩。

2.3 雙饋異步發電機暫態數學模型

經推導和化簡得出雙饋式異步發電機在d-q-0 坐標系下基本方程［7］：

式（3）、（4）、（5）、（6）中：uds、uqs、udr、uqr分別為定子繞組和轉子繞組電壓的 d 軸和 q 軸分量；ids、iqs、idr、iqr分別為定子繞組和轉子繞組電流的d軸和q軸分量；ψds、ψqs、ψdr、ψqr分別為定子繞組和轉子繞組合成磁鏈的d軸和q軸分量；Tm、T分別為機械轉矩和電磁轉矩。

3 風電接入配電網運行分析

根據前面的理論推導，建立含風電的配電網計算模型，選取幾種典型的、對系統影響較嚴重的運行方式進行分析［8-9］。

3.1 風速變化對風電場及電網的影響

風速從8 m/s變化到14 m/s時，風電場輸出的電壓、電流、有功功率和無功功率如圖2所示。 從圖2可以看出，隨著風速增加，風電場并網點電流隨之增加，風電出力不斷增大，并在風速達到14 m/s時穩定在額定值10.5 MW附近。雙饋風電機組通過背靠背變流器實現有功功率與無功功率的解耦控制，在風電出力不斷增大時，無功功率下降幅度不大，風電場出口電壓基本上維持在1.0（pu），無功功率在20 s時出現微小的波動，但變化不大，基本上在0附近。在風速突然變化情況下，風電并網電壓保持穩定。

風速變化對電網的影響如圖3所示。 在仿真圖3中，風速變化引起的局部電網電壓波動不顯著，風電場出力大幅度增加引起本地發電廠的有功功率大幅度降低，功率的缺額由風電場提供。另外，為了補償風電場的無功功率需求，本地發電廠發出的無功功率明顯增多。計算分析表明，這樣的風速變化對系統的穩定運行沒有明顯影響。

圖2 風速變化對風電場的影響

3.2 單相接地故障對風電場及電網的影響

假定在集電線路上某一點發生單相接地故障，發生短路時刻t=5 s，故障持續時間150 ms，風電場及電網運行情況如圖4、圖5所示。

圖3 風速變化對電網的影響

圖4 單相接地對風電場的影響

圖5 單相接地對電網的影響

從圖4、圖5可以看出，發生單相接地故障后，風電場出口電壓迅速下降至0.79（pu），但仍高于風電機組電壓保護臨界值 0.75（pu）［10］，單相接地故障切除后，風電場出口電壓升高，在變頻器控制下恢復至1.0（pu）；升壓站35 kV電壓出現波動，在風電場恢復運行后，穩定在1.0（pu）；單相接地故障期間由于風電機組有功功率變為零，本地發電廠有功功率迅速增大來實現電力系統平衡，同時風電場需要從電網吸收無功來維持并網運行。可見集電線路某點發生短路接地故障時，風電并網點電壓波動很大，風電場需要從電網側吸收無功；在故障切除后，風電場、電網最終恢復正常運行，但在風電并網容量占當地總裝機容量比例較大時，發生單相短路接地故障將會對電網造成較大的影響。

3.3 三相短路故障對風電場及電網的影響

假定在集電線路上某一點發生三相短路故障，風電場及電網運行情況如圖6、圖7所示。

圖6、圖7表明，發生三相短路故障時，風電場出口電壓急劇下降至零，風電場有功功率也降為零，風電場迅速與電網解列；升壓站35 kV電壓出現波動，故障消除后逐漸恢復至正常值；風電場與電網解列后，本地發電廠有功功率迅速增大，變化劇烈，三相短路故障消除后，本地發電廠為整個系統提供有功和無功支持。可見三相短路故障造成風電場與電網解列，引起了電網較大的波動，不利于電力系統安全穩定；故障消除后，風電場并網不成功，系統切除部分負荷，依賴本地發電廠來實現電力系統供需平衡。

圖6 三相短路故障對風電場的影響

圖7 三相短路故障對電網的影響

4 結語

利用Matlab/simulink建立含風電的某地區電網模型，針對風速變化、集電線路上單相接地短路及三相短路故障三種典型運行模式，從接入風電場和局部電網的電壓水平和穩定性出發，用動態仿真方法分析了整個系統穩定運行情況。 風速突變情況下，風電場出力、風電并網點電壓出現波動，對系統正常運行影響不大，在故障消除后風電場及電網都能恢復至正常運行；但在單相接地和三相短路故障時，風電出力、風電并網點電壓急劇下降，風電機組電壓低至0.75（pu），低壓保護裝置動作，風電場與電網解列。為保證風電場及電網安全穩定運行，必須制定合理穩定措施，例如優化風電場低壓側中性點節點方式、設置合理的風電機組保護定值、開展風電機組低電壓穿越能力測試等，這些內容將在后續研究中陸續開展。