風電集中并網運行對系統電壓穩定性的影響研究

付小偉 王 進 郭 偉 鄭劍武

（長沙理工大學電氣與信息工程學院，長沙 410114）

國家電監會近期發布的《風電安全監管報告》顯示，“十一五”期間，我國風電裝機容量連續五年翻番，成為全球裝機規模第一大國。隨著江西最大風電場并網發電成功以及中國首臺 6MW 風電機組的正式出產，大規模風電接入電網已成為必然趨勢。

風電系統在向電網注入有功功率的同時需要從電網吸收大量的無功功率，對于電網來說風電場可以看作一種特殊的負荷。隨著接入風電容量的增大，風電場從系統中吸收的無功功率逐漸增大，如果系統不能提供充足的無功，就可能引起電壓穩定性降低，嚴重時會造成電壓崩潰。

自從世界范圍內的幾個大電網相繼發生電壓崩潰事故，造成巨大損失以來，對于電壓穩定性的研究受到了普遍重視[1]。風機的電壓敏感性及低電壓脫網特性使風電接入系統后的電壓穩定性問題面臨著新的挑戰和新的研究內容[2]。

本文詳細研究了風電接入系統后影響系統電壓穩定性的主要因素,以恒速恒頻風力發電系統為研究對象，通過Simulink仿真平臺，對風電場在不同因素擾動下下進行仿真研究，分析了引發系統電壓崩潰風險的相關因素，并提出了改善系統電壓穩定性的措施。

1 異步發電機數學模型

研究風電系統的暫態特性需要考慮異步發電機的機電暫態過程，異步發電機三階模型能夠較準確地描述其動態過程。忽略定子電磁暫態過程，異步發電機電壓方程為

異步發電機轉子電磁暫態方程為

異步發電機轉子運動方程式為

式中，ω0為定子磁場角速度；ω為轉子運動角速度；s為異步發電機的轉差率； TJ為機組的慣性時間常數； Pm為風機機械功率； Pe為發電機電磁功率。

發電機電磁轉矩方程為

式中，Pe為發電機的電磁功率；Re[·]為取實部；ω為發電機電角速度。

2 影響系統電壓穩定的主要因素

我國風力資源分布極不均勻，風資源豐富的地區往往人口稀少，風電基地大都遠離負荷中心，處于供電網絡的末端，電網結構十分薄弱，承受沖擊的能力很差。隨著風電裝機容量的增加，在電網中所占的比例增大，使得風電并網運行對電網的安全穩定運行帶來重大的影響，其中最為突出的問題就是使系統的電壓穩定性降低，甚至導致電壓崩潰。

2.1 風電機組的低電壓穿越能力

風機的低電壓穿越能力[3-5]是風機的一項重要特性，直接關系到風電接入系統后的電網穩定性。

在風電發展初期，由于風電在電網中所占的比例很小，一般不要求風電場參與系統控制。當電網發生故障時，由于風電場本身的電壓穩定性無法保證，通常都采用切除風電機組的措施來保證風電場及電網穩定[6]。隨著風電穿透功率的提高，電網發生故障時，風電機組電壓越限保護或轉速越限保護動作會使風電機組脫離電網，這樣會加速系統的電壓失穩，甚至會引發電壓崩潰。

鑒于風電機組脫網帶來的嚴重后果，歐洲國家根據各自的網絡構架和風電場情況對風機組的低電壓穿越能力提出了相應的標準。其中影響最大的是德國的E.ON標準：故障后電壓恢復期間，必須保證風電場能連續運行而不脫離電網，還要求風電機組動態發出無功功率以支持電網電壓，加速系統電壓恢復，防止風電機組由于電壓過低導致的跳閘。風電機組這種故障期間保持不間斷并網運行的能力稱為低電壓穿越能力（Low Voltage Ride Through，LVRT）。

2.2 短路容量

電網的強弱可以用風電場與電力系統連接點（Point of Common Coupling，PPC）的短路容量來表示。短路容量大表明該節點與系統電源點的電氣距離小，聯系緊密，網絡結構強，由擾動引發的電壓變化量小，有利于擾動后的電壓恢復。

國內外學者和工程技術人員通常用風電場短路容量比來衡量并網點接納風電的適宜程度，它是指風電場額定容量與該風電場和電力系統連接點的短路容量之比，如式（5）所示。

式中， Swind為風電場額定容量； Ssc為風電場接入點的短路容量。

風電場接入點的短路容量反映了該節點的電壓對風電注入功率變化的敏感程度。風電場短路容量比小，表明系統承受風電擾動的能力強。通常采用風電場短路容量比來重點考察風電功率的注入對局部電網的電壓質量和電壓穩定性的影響。對于短路容量比K的取值，歐洲國家給出的經驗數據為4%～5%[7]。而在我國受風力資源分布的影響，適合建風電場的地區，電網結構比較薄弱，風電場接入點的短路容量較小，如要滿足短路容量比為 4%～5%的要求，則風電場的規模要受到很大的限制。在網絡結構一定時，如果風電接入容量增大，使得風電場短路容量比K增加，系統承受風電擾動的能力減弱，將會嚴重影響系統的電壓穩定性。

2.3 系統風電穿透功率

風電穿透功率是指風電場裝機容量占系統總負荷的比例[8]。由于風的隨機性，所以風電場對系統產生的影響大多是負面的。當系統中風電穿透功率較小時，系統本身的調節作用可以減小這些負面影響；當系統中風電穿透功率增大時，并入電網的風電容量隨之增大，同時意味著常規發電機組的容量減少，而帶普通感應電機的風力發電機組對電壓沒有控制能力，這樣系統對電壓的控制作用就會降低，進而會消弱系統的電壓穩定性。因此，若能計算出電網中風電功率穿透極限，則會對風電的規劃起到重要的指導意義。

2.4 無功補償裝置

異步發電機組在向電網輸出有功功率的同時，還需要從電網吸收滯后的無功功率，并隨著發電機輸出有功功率的變化而變化[9]。因此每臺風力發電機組機端都配有補償電容器。在通常情況下，風電機組出于自身保護的需要，在遭受大擾動后風電場將與系統解列，大型風電場退出運行會導致系統更大的功率缺額，將嚴重影響系統的穩定性。因此，在系統故障期間，更需要吸收大量的無功功率以完成電壓的恢復。

目前常用的無功補償裝置仍屬于離散控制，調節速度緩慢，在補償量的各個階段中有功功率的變化引起的無功需要仍然需要由電網提供，而且電容器組發出的無功功率與機端電壓的平方成正比，當電網水平降低時，無功補償容量迅速下降，導致風電場對電網的無功需求上升，進一步惡化電壓水平，易造成電壓崩潰[10]。

3 數字仿真與結果分析

在Matlab的Simulink環境下建立圖2所示的風電場接入系統仿真模型，風力發電機參數（以額定容量為1.5MW為基準的標幺值）選取如下

額定電壓u=690V，頻率f=50Hz，定子電阻Rs=0.0048，定子電抗 Ls= 0 .1248，轉子電阻 Rr= 0 .0043，轉子電抗 Lr= 0 .1791，勵磁電抗 Lm= 6 .77，慣性時間常數 H = 5 .04s。

圖1 風電場接入系統圖

風電場由6臺1.5MW普通異步風力發電機組組成，發電機出口電壓為690V，通過集點變壓器將電壓升至 10kV，然后經過 1km的集電線路送至風電場升壓變電站，再經由 25km的輸電線路與 110kV無窮大系統相連，如上圖1所示PPC即為風電場接入系統的并網點。

為分析風電并網運行對系統電壓穩定的影響，根據風電場接入系統圖，利用Matlab/Simulink構建仿真模型，分別基于以下幾種方案進行動態仿真。

方案1：6臺風電機組同時并網發電，風電場輸出有功功率為 9MW，基本風速為 7m/s，持續時間為15s,陣風強度分別為3m/s、4 m/s、5 m/s，5s時開始持續時間為5s，其中測量點為風電場高壓側。

圖2 不同強度陣風下的仿真結果

圖2分別給出了風速、電壓、無功的仿真波形，其中電壓和無功波形中的1、2、3分別對應陣風風速為3m/s、4m/s、5m/s時的仿真結果。由圖可以看出，無功波形對應幅值為負，說明風電場在向系統傳送有功的同時，還需要從系統吸收大量的無功。強度為3m/s和4m/s陣風過后，電壓能夠恢復到穩定運行點，且風速越大，電壓波動就越大。當陣風風速為5m/s時，由于機組不平衡轉矩過大，轉速迅速上升，無功需求增大，此時系統無法提供足夠的無功支持，最終導致電壓崩潰，如曲線3所示。

圖3 不同強度陣風下的電壓波形

方案 2：將風力發電臺數翻倍，風電場裝機容量增為18MW，其他條件同方案1。

圖3中的曲線1、2、3分別對應陣風風速為3m/s、4m/s、5m/s時的仿真結果。比較圖2與圖3的電壓波形可以看出，方案2只在陣風風速為3m/s時電壓能夠恢復穩定，但電壓波動比方案1更大，并且穩定運行電壓比額定值略低，而在另外兩種陣風下，都出現了電壓崩潰現象。

方案 3：風電場裝機容量為 9MW，基本風速為7m/s，不考慮陣風擾動，1s時在風電場10kV母線上發生三相短路故障，故障切除時間分別為0.1s和0.35s。

仿真結果如圖4所示，系統在兩個不同作用時間的三相短路故障下，都能恢復穩定運行，但是當0.35后切除短路故障，電壓到3s時才能恢復穩定，而故障切除時間為0.1s時，電壓在2 s時就能恢復穩定。由此可知繼電保護動作時間也會對系統電壓穩定性產生影響。

圖4 風電場10kV母線三相短路故障時的電壓波形

方案 4：在風電場低壓側加裝靜止同步補償器（STATCOM），分別在陣風和短路故障擾動下進行仿真，結果如圖5所示。

圖5 陣風和三相短路故障擾動下STATCOM補償效果仿真

由圖5（a）可知，當陣風強度為4m/s時，如果風電場沒有加裝STATCOM，則電網電壓會跌至0.85倍的額定電壓，加裝STATCOM之后，電網電壓波動很小且能迅速恢復穩定；當陣風強度為5m/s時，在沒有 STATCOM 情況下會發生電壓崩潰，加裝STATCOM 之后，電壓跌落最低點也能維持在 0.9倍的額定值以上，使系統在以前可能發生電壓崩潰的情形下繼續保持穩定運行。

仿真圖5（b）是在風電場高壓側母線上發生三相短路時的電壓波形，短路故障從1s開始，持續時間為0.4s。可以看出，在風電場沒有加裝STATCOM時，故障后母線電壓降低至 0.6倍的額定值，保護裝置會切除風電機組，使之不能繼續并網運行，風電場大量機組脫網可能會引發系統發范圍的電壓失穩；加裝STATCOM之后，電壓在故障后3s內就恢復到了額定值，增強了風電場的低電壓穿越能力。

4 結論

利用Matlab/Simulink建立風電場模型，仿真結果表明，風電并網運行會對影響電網的電能質量，引起電壓波動和閃變，嚴重時將導致電壓崩潰。通過加裝STATCOM 對風電場進行動態的無功補償，抑制了由風速、故障引起的電壓波動，提高了風電場的低電壓穿越能力，改善了風電場接入后電網的電壓穩定性。

[1]段獻忠,何仰贊,陳德樹.電壓崩潰理論探討[J].電力系統及其自動化學報,1991,3(2):1-7.

[2]金海峰,吳濤.風電接入系統后的電壓穩定性問題[J].電力自動化設備,2010,30(9):82-84.

[3]HOLDSWORTH L,WU X G,EKANAYAK J B,et al.Comparison of fixed-speed and doubly-fed induction generator wind turbines during power system disturbances[J].IEE Proe C-Gener Transm Distrib,2003, 150(3):343-352.

[4]WU X G, ARULAMPALAM A, ZHAN C, et al.Application of a static reactive power compensator(STATCOM)and a Dynamic Braking Resistor(DBR)for the stability enhancement of a large wind farm[J].Wind Engineering Journal,2003,27(2)：93-106.

[5]EKANAYAKE J B, JENKINS N, COOPER C B.Experimental investigation of an advanced static var compensator[J]. Proc IEEE, Genev Transm Distrib,1995,142(2):202-210.

[6]遲永寧,王偉勝,戴惠珠.改善基于雙饋感應發電機的并網風電場暫態電壓穩定性研究[J].中國電機工程學報,2007,27(25):25-31.

[7]吳俊玲,周雙喜,孫建鋒,等.并網風力發電的最大注入功率分析[J].電網技術,2004,28(20)：28-32.

[8]申洪, 梁軍, 戴慧珠.基于電力系統暫態穩定分析的風電場穿透功率極限計算[J].電網技術,2002,26(8): 8-11.

[9]任普春,石文輝,許曉艷,等.應用SVC提高風電場接入電網的電壓穩定性[J].中國電力,2007,40(11):97-101.

[10]周雙喜.電力系統電壓穩定性及其控制[M].北京:中國電力出版社,2003.