并網(wǎng)運行風電機組電壓穩(wěn)定性分析

肖 春，韓肖清，王康寧

（1.太原理工大學電氣與動力工程學院，山西 太原 030024；2.山西省電力科學研究院，山西 太原 030024）

并網(wǎng)運行風電機組電壓穩(wěn)定性分析

肖 春1，韓肖清1，王康寧2

（1.太原理工大學電氣與動力工程學院，山西 太原 030024；2.山西省電力科學研究院，山西 太原 030024）

分析了并網(wǎng)運行的風電機組對電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的影響。從靜態(tài)電壓穩(wěn)定性角度，將風電機組等效成隨風速變化的有功和無功電源，分析了風電機組的控制方式、無功功率出力對電壓穩(wěn)定性的影響。動態(tài)穩(wěn)定性的研究中，采用IEEE39節(jié)點標準測試系統(tǒng)，仿真結(jié)果表明：在提高電壓穩(wěn)定性方面，恒電壓控制比恒功率控制具有明顯的優(yōu)越性。

電壓穩(wěn)定；并網(wǎng)運行；風電機組；極限傳輸功率

0 引言

風能作為一種清潔、可再生的能源，得到迅速發(fā)展。隨著大規(guī)模風電機組并網(wǎng)接入電力系統(tǒng)，會給電網(wǎng)的電能質(zhì)量、穩(wěn)定運行帶來影響，研究風電機組接入電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題［1－3］迫在眉睫。電壓穩(wěn)定性［3］是電力系統(tǒng)在正常情況下或遭受擾動之后所有節(jié)點維持可接受電壓的能力。當系統(tǒng)受到擾動而進入電壓不穩(wěn)定狀態(tài)時，負荷需求的增加或系統(tǒng)狀態(tài)的變化將引起電壓不可控的連續(xù)下降。引起電壓失穩(wěn)的主要因素是電力系統(tǒng)無功功率的嚴重不足。因此，研究并網(wǎng)運行的風電機組的系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性和動態(tài)穩(wěn)定性很有實用價值［4－6］。文獻［2］總結(jié)了國內(nèi)外對風電系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的研究現(xiàn)狀，提出需要深入研究電壓穩(wěn)定性。文獻［7］在PSCAD／EMTDC平臺上建立仿真模型，研究了雙饋風力發(fā)電機組并網(wǎng)后系統(tǒng)的穩(wěn)定性。文獻［8］基于雙饋風機的T型等值模型［9］，通過PSASP軟件仿真，表明對雙饋風電機組采用恒電壓控制的優(yōu)勢。但是都沒有涉及對線路極限傳輸功率的研究，對功角穩(wěn)定性的研究也比較有限。

本文將風電機組等效成隨風速變化的有功和無功電源，研究風電機組的電力系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性和動態(tài)穩(wěn)定性，分析了風電機組的控制方式、無功出力對線路極限傳輸功率的影響。采用美國邦納維爾電力局公司和中國電力科學研究院共同開發(fā)的BPA程序，對風電機組和常規(guī)同步發(fā)電機運行特性進行分析對比。

1 電壓穩(wěn)定性

電壓穩(wěn)定性可以通過P-V曲線進行描述，如圖1所示，即系統(tǒng)的傳輸功率與負荷節(jié)點電壓之間的關系。圖1中，P表示某負荷節(jié)點功率，V表示母線的電壓。P-V曲線的上半支是系統(tǒng)穩(wěn)定運行點，下半支是不穩(wěn)定運行點，而P-V曲線的上半支向下半支過渡時的拐點，為電壓穩(wěn)定的臨界點。

為保證電力系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定地運行，對電壓會有一定的限制，本文以電壓不超出±0.05為要求，提出了電壓的穩(wěn)定裕度，如圖2所示，圖2中，Pmax、Vmax為最大功率點，定義V＝0.95時的功率為系統(tǒng)的允許功率Pallow。因此，為保證系統(tǒng)運行有一定的穩(wěn)定裕度，傳輸功率只能小于等于Pallow。

2 風電機組的穩(wěn)定性分析

2.1 靜態(tài)穩(wěn)定性分析

根據(jù)風電機組的工作原理，將風電機組等效地用隨風速變化的有功和無功電源表示，如圖3所示，

圖1 負荷節(jié)點的注入有功功率與電壓之間的關系

圖2 穩(wěn)定裕度

圖3中，PWT為風電機組注入電網(wǎng)的有功功率；QWT為風電機組注入電網(wǎng)的無功功率，分別見式（1）和式（2）；UWT為風電場出口電壓；GWT為可變電導；BWT為可變電納。

當變頻器電流到達極限時，風力發(fā)電機可以看成是電流一定的恒電流源，其導納有如下關系：

圖3 風電機組等效電路

此時，電流達到變頻器最大電流，風電機注入電網(wǎng)的電流為：

2.2 動態(tài)穩(wěn)定性分析

風電機組控制方式有恒功率因數(shù)控制和恒電壓控制兩種。當按恒功率控制時，即風電機組的電導和電納隨端電壓變化而變化；當按恒電壓控制時，風電機組的電導和電納隨功率因數(shù)的變化而變化。

對于風電機組的動態(tài)仿真，需要研究風電機組的特性。例如，變速恒頻風電機組通過變頻器與電網(wǎng)相連，電力電子元件對過電流非常敏感，當電網(wǎng)故障時，變頻器的控制器會立即發(fā)現(xiàn)，為了保護變頻器，變速風機會與電網(wǎng)分裂，從而引起大范圍的電壓降落，甚至會影響到整個系統(tǒng)。為此，根據(jù)《國家電網(wǎng)公司風電場接入電網(wǎng)技術規(guī)定》，風電場低電壓穿越要求為：“風電場內(nèi)的風電機組具有在并網(wǎng)點電壓跌落至20%額定電壓時能夠保持并網(wǎng)運行625 ms的低電壓穿越能力”。

為了準確描述風電機組的動態(tài)性能，本文采用BPA計算程序，給出了風電機組的動態(tài)模型，如圖4所示，主要包括發(fā)電機、變頻器模塊，電氣控制模塊和渦輪機及其控制模塊。

圖4 風電機組動態(tài)模型

3 算例分析

3.1 靜態(tài)分析仿真系統(tǒng)

將如圖5所示電壓穩(wěn)定性測試系統(tǒng)［10］中節(jié)點3的同步發(fā)電機組用同容量的風電機組代替后的系統(tǒng)，作為風電機組穩(wěn)態(tài)分析的算例系統(tǒng)。簡化后的等值電路如圖6所示。

圖5 仿真算例系統(tǒng)

圖6中，從負荷兩端向左看去，進行戴維南等效，則等值電勢和等值阻抗分別為：

式中，a＝Xl（Bl＋BWT）；b＝XlGWT。因此，當負荷功率因數(shù)cosφ一定時，提供給負荷的最大功率為：

圖6 等值系統(tǒng)

相對應的負荷電壓為：

當風電機組發(fā)出無功功率增加時，意味著 a增加，因此，提供給負荷的最大傳輸功率極限增加；同時，相應的負荷最大電壓也增加。

3.2 靜態(tài)分析仿真

節(jié)點3的風電機組分別采用恒電壓控制和恒功率因數(shù)兩種控制方式，記為Case1和Case2。低風速條件下，所有負荷功率因數(shù)為0.9滯后，節(jié)點7和節(jié)點10的負荷均由50%恒功率負荷、25%恒電流負荷和25%恒阻抗負荷組成。

3.2.1 風電機組的控制方式對最大極限傳輸功率的影響

圖7為節(jié)點10負荷增加時的P-V曲線。由圖7可見：運行電壓0.95時，風電機組采用恒電壓控制要比恒功率因數(shù)控制的負荷極限傳輸功率增加450 MW，提高了13.2%。

3.2.2 風電機組無功功率出力對極限傳輸功率的影響

恒功率因數(shù)控制下的風電機組，節(jié)點10的Pmax和相應的Pallow隨無功功率變化情況如圖8所示。圖8中，隨著風電機組注入系統(tǒng)無功的增加，Pmax從3 600 MW增加到3 800 MW；Pallow從3 300 MW增加到3 500 MW。

圖7 節(jié)點10的P-V曲線

圖8 風機無功出力與節(jié)點10的功率極限關系

3.2.3 有載調(diào)壓變壓器分接頭調(diào)節(jié)對穩(wěn)定性的影響

為了分析有載調(diào)壓變壓器自動調(diào)整分接頭對穩(wěn)定性的影響，現(xiàn)假設節(jié)點6和節(jié)點8之間的變壓器為有載調(diào)壓變壓器。若t＝1 s節(jié)點5和節(jié)點6之間的一回線路發(fā)生三相短路被切除，故障暫態(tài)過程中系統(tǒng)電壓急劇下降；t＝6.8 s時，有載調(diào)壓變壓器動作，自動調(diào)整節(jié)分接頭，觀察節(jié)點6、節(jié)點8電壓和風力發(fā)電機組無功出力隨時間的變化情況，如圖9所示。

情況1：分接頭調(diào)節(jié)可以使變壓器低壓側(cè)節(jié)點8電壓升高0.4。但是節(jié)點6電壓卻由于分接頭調(diào)節(jié)還略有減小，下降了0.02。此時，風電機組的無功功率出力由于其端電壓下降而增大，從而使節(jié)點電壓維持在擾動之前的水平。

情況2：有載調(diào)壓變壓器動作試圖使節(jié)點8電壓升高，但是效果不明顯，卻使節(jié)點6電壓隨之下降。由于恒功率因數(shù)控制風電機組沒有無功出力的支持，系統(tǒng)無功功率水平下降，使得最終的穩(wěn)態(tài)電壓均有下降。

3.3 動態(tài)分析系統(tǒng)

本文采用IEEE39節(jié)點標準測試系統(tǒng)［11］作為研究風電機組的動態(tài)特性的算例系統(tǒng)，系統(tǒng)參數(shù)見文獻［12－13］。仿真中針對同一節(jié)點，分別以常規(guī)同步發(fā)電機、恒功率因數(shù)控制的風電機組和恒電壓控制的風電機組為電源進行分析對比，記為情況1、情況2和情況3。風電機組和同步發(fā)電機組按同容量仿真。

3.4 動態(tài)分析仿真

3.4.1 系統(tǒng)擾動的響應

發(fā)電機出口側(cè)線路始端發(fā)生三相短路，持續(xù)0.04 s后切除故障線路。風電機組運行在高風速下。3種情況的發(fā)電機出口電壓、無功功率和有功功率隨時間的變化情況，如圖10所示。

從圖10中可以看出：暫態(tài)過程中同步發(fā)電機組的電磁功率的振幅較大，最大變化幅度425.85 MW，而風電機組的幅度比較小，恒功率因數(shù)控制的風電機組電磁功率變化幅度為78.17 MW，恒電壓控制的風電機組為39.085 MW。

圖9 風電機組電壓和無功功率曲線

風電機組運行在高風速下，其無功調(diào)節(jié)能力比同步發(fā)電機差，在暫態(tài)過程中無功出力基本不變，穩(wěn)態(tài)電壓也低，同步發(fā)電機電壓為0.96，恒電壓控制風電機組為0.91，恒功率因數(shù)控制為0.89。

3.4.2 系統(tǒng)頻率變化的響應

發(fā)電機的機組容量為830 MW，情況2、情況3系統(tǒng)的風電穿透功率為13.4%。切除容量為180 MW的同步發(fā)電機后，系統(tǒng)的頻率隨時間變化的情況如圖11所示。

情況1、情況2和情況3的頻率偏差分別為0.54 Hz、1.40 Hz和1.65 Hz。

同步發(fā)電機與風電機組相比，有很好的頻率支持能力。但從圖11也可以明確看到：在暫態(tài)過程中，風電機組可以提供給系統(tǒng)短暫的頻率支持，這部分能量儲存在風電機組轉(zhuǎn)子中，在暫態(tài)過程中釋放出來。

采用恒電壓控制方式，可以通過支持系統(tǒng)無功，提高運行電壓，減少有功損耗，從而減少系統(tǒng)有功功率缺額，間接地支持系統(tǒng)頻率。從圖11中可以看出：恒電壓方式的最終頻率偏差比恒功率因數(shù)方式要小。

4 結(jié)論

（1）通過對靜態(tài)電壓穩(wěn)定性分析，得到如下結(jié)論：增加風電機組的無功出力，可以提高線路輸送功率的水平；變速恒頻風電機組的恒電壓控制與恒功率因數(shù)控制相比，可以提高輸電線路傳輸功率極限。有載調(diào)壓變壓器分接頭調(diào)節(jié)可以提高負荷側(cè)節(jié)點電壓，但是卻有可能由于系統(tǒng)無功功率不足，使得系統(tǒng)其他節(jié)點電壓下降，最終有可能引發(fā)電壓崩潰。為了提高系統(tǒng)的無功功率水平，風電機組采用恒電壓比恒功率因數(shù)控制效果好。

（2）通過對動態(tài)電壓穩(wěn)定性分析，得到如下結(jié)論：風電機組可以提高系統(tǒng)的極限切除時間；恒電壓控制與恒功率控制相比，有利于暫態(tài)后電壓的快速恢復。

圖10 同步機和風機兩種控制方式對比曲線

圖11 同步發(fā)電機和風電機組的頻率曲線

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TM76

A

1672－6871（2014）06－0047－05

國際科技交流與合作專項基金項目（2010DFB63200）；山西省高等學校中青年拔尖創(chuàng)新人才支持計劃基金項目

肖 春（1987－），女，山西永濟人，碩士生；韓肖清（1964－），女，山西太原人，教授，博士，博士生導師，研究方向為電力系統(tǒng)運行與控制、新能源技術.

2014－03－22