電力系統運行方式對風電驗收的影響

南京師范大學電氣與自動化工程學院 何明遠

中國作為能源大國，擁有非常豐富的風能、太陽能等綠色可再生能源，并在各個領域得到廣泛應用，有效推動著中國經濟的發展。基于這一背景，相關部門需要高度重視風力發電技術的開發與利用，明確影響風力發電穩定性的各項因素，然后采取有效措施，對風電并網技術進行充分利用，并強化電能控制工作，不斷增強風力發電的穩定性，有效提升風電能源的質量，以此來進一步優化調整中國的能源結構。

風力發電有很多優點，如清潔、無污染、經濟等，廣泛運用于生活的方方面面，并緩解我國利用煤炭發電的主要發電方式，且取得一定的成效。2019年全球新增風電裝機量超過60GW，比2018年增長19%，總裝機容量達到650GW，比2018年增長10%。

美國宇航局噴氣推進實驗室首席技術專家Paul Dimotakis 表示，風能有可能提供世界未來能源的10%～15%。如果利用風力強的海洋區域來獲取風能，每平方米可能會收獲高達500～800瓦的風能，美國風能2050年將達到35%。但是風力發電機的缺點是相當明顯的。風能波動是風電場運行中常見的在風電場運行中經常發生。風速如果波動大，高波動性將使輸出功率不穩定。而并網的風電場可能對電力系統構成挑戰。雖說并網風電場可能對電力系統構成挑戰，但對風電場并網的研究越來越重要，風力發電的接受程度也越來越高。

為了評估風力發電的接受能力，對節點電壓的研究很重要。為了評估風電的接受能力，研究由風電注入引起的節點電壓變化非常重要。風電注入引起的節點電壓變化。在研究中，避免線路功率過載和節點電壓下降是必要的。節點的電壓下降是必要的。異常的電壓風力渦輪機的異常電壓可能導致異常停機和損失發電。因此，由風電注入引起的電壓變化是風電場建設的首要考慮因素。風力發電站的建設最初評估方法很復雜，譬如說限制因素法主要是通過考慮頻率、風力發電機組的瞬時變化來確定風力發電的接受度，考慮頻率、風機瞬態穩定性、準穩態和靜態穩定性作為約束條件。

數學優化方法是構建一個優化模型來估計系統允許的最大風功率；數值模擬是指數值仿真是在仿真平臺上建立一個模型，通過更改風力發電量，來計算允許的最大通過改變風力發電量來計算允許的最大風力發電量風力發電的輸出；工程方法是通過歷史經驗估計電網的風力發電接受能力通過歷史經驗。本文考慮了電力系統的運行模式，然后可通過利用率流的組合來評估風力發電的接受能力。

1 影響因素

傳統發電模式主要將熱能轉變為電能，但在能量轉變過程中對環境造成了嚴重的破壞，而且污染處理成本較高。風力資源為綠色可再生資源，其在轉變電能過程中不會產生任何污染物質，切實實現綠色環保目標，實現我國經濟綠色可持續發展。現階段我國重視風能資源的開發，風力發電廠規模不斷擴大，風力發電量逐漸增加，滿足人們的用電需求。

為了推進風力發電的快速發展，應重視風電并網技術的發展，實現離網型風電形式優勢充分發揮的目的。相比較于傳統火力發電風力發電技術具有眾多優勢，主要包含施工周期較短、占地面積較少、污染物排放較少，對推動智能化電網管理有積極意義。風力發電并網技術可實現電能的充分利用，并提高潔凈能源的運用價值。許多因素會直接或間接的影響風力發電的接受程度[1]。

PCC 的負載能力負載能力通常可通過短路能力來反映能力來反映。短路容量表示PCC 的能力受到干擾的能力。短路容量越高節點的電壓就越敏感；風電場與電網的連接是指連接線的阻抗、連接線的長度、電壓水平等。不同的連接會導致不同的潮流分布，這將影響風功率的接受度；風力渦輪機類型。SCAG 必須從電網中吸收大量的無功功率來建立其磁場，這對電網的電壓穩定性是一個巨大的挑戰。與SCAG 相比DFAG 有很多優點，如對風能的浪費少、電能質量好等。

電網中其他發電設備的調節。由于風力發電的限制，電力可能會出現波動和不穩定。它需要一定量的旋轉儲備能力，以避免因風力突然下降而導致的頻率下降。電網中其他設備的調節能力越強，它們就越能抵抗風能引起的系統頻率和電壓波動；區域負荷特性。負荷的大小和功率因數將對當地的功率流分布產生重要影響。從而影響對風電的接受程度。此外，負載的質量要求和負荷功率的質量要求也會限制對風電的接受。盡管影響風電容量的原因有很多，但本文主要討論的是系統運作模式的變化對風電接受能力的影響。

2 風力發電量估算方法

電壓和頻率是電力系統運行中的兩個核心問題，它們都必須保持在適應的范圍內，以滿足用戶的要求。風力發電站對電力流有重大影響，對當地電網的電壓水平和穩定性有很大影響。許多研究表明，風力發電的主要因素是電壓。因此本文將功率流分析方法和工程方法結合起來，分析風力發電的適應性。利用功率流計算，風力發電量是指當節點的電壓即將超過極限時的風力發電量，然后利用PCC 的短路容量比來驗證風功率接受度。在本文中，短路容量比不應該大于25%，過高的短路容量比意味著系統的承受能力較差。

帶有DFAG 的系統的功率流計算：計算帶有DFAG 的電力系統的功率流有三個步驟：第一步是確定發電機控制模式的運行，即恒定電壓或恒定功率因素；第二步是將幾臺發電機合并為一臺，這意味著總功率是每臺發電機的總和；第三步是使用數學迭代方法計算趨勢(Newton-Raphson 方法)。

驗證風力發電的工程方法：驗收短路容量的大小是判斷母線電力強度的一個直接指標。它表明母線與電源的連接是否緊密。短路容量越大，風電場與系統之間的電氣距離就越短，電力系統就越能承受更多的風力干擾。PCC 的短路容量反映了電壓對風力注入的敏感性，風場短路容量比K 定義為風電場額定容量與PCC 短路容量的比率[1]。K 值可反映出當地電網的風力發電能力，也可反映當地電網對風力干擾的承受能力。同時K 值也與電壓穩定性有關。

在研究中，使用K 值來驗證風功率。如果計算出的K 值小于25%，則該結果為合格。K=Pwind/Ssc，Pwind 為風電場額定容量，Ssc 為PCC 短路能力，Ssc＊=1/Zk＊，Ssc=SBSsc＊，Zk＊是短路阻抗的單位值，Ssc＊是PCC 短路容量的單位值，SB是參考容量、為100MVA。

3 案例研究

3.1 本地電網概述

建立了一個本地電網模型如圖1所示。

圖1 當地電網

風電場接入10kV 配電網。節點B1和B2的額定電壓為110kV，節點B3和B4的額定電壓為10kV。節點B5的額定電壓為690V。B1節點連接到無限大系統，B1的電壓是電源電壓、表示為Us；B1和B2之間的線路代表傳輸線，B2和B3之間的設備是一個變壓器；B3的負荷為60+j24MVA，B3和B4之間的線路表示風電場和配電網的聯絡線；節點B4是風電場的接入點（PCC）。在B4和B5節點有一個風電場的變壓器；B5被連接到幾個DFAG，一個DFAG的額定容量為2MW，切入和切出風速為5m/s 和25m/s。切入風速為5米/秒，切出風速為25米/秒。它在恒定功率因數下運行、即0.95。該模型的參考容量為100MVA。

3.2 電源電壓對風力發電的影響

國標要求允許的電壓偏差為是690 V，+5%～10%；10kV，+7%～7%。本文分析了運行模式對風力發電驗收的影響。電源電壓直接影響到五個節點的電壓，所以電源電壓對風電接受能力有很大影響。對電源電壓的分析是1.05、1.03、1.02、1，分析了電源電壓的變化曲線。風力發電站的電壓變化曲線如圖2所示。

圖2 不同電源電壓下風電場終端電壓的變化(正常負荷)

根據圖2，不同功率下的最大允許容量在不同的電源電壓下，風力發電的最大允許容量（風力發電接受量）見表1。表1顯示了不同電源電壓下的最大允許風電容量（風電接受量）。表1顯示，在不同的電源電壓下，整個當地電網的電壓隨著升壓而降低。在不同的電源電壓下接受的風功率負載下的風電接受能力（正常負載）。當電源電壓為1.05時風力發電的接受能力最強。當電源電壓為1.0時風電接受能力最弱。電源電壓越高風力發電的接受程度就越高。

表1 在不同電源電壓下的風力接受能力（正常負載）

3.3 負荷大小對風力發電接受度的影響

負荷大小對風力發電接受度的影響圖3顯示，當負荷降低50%時，風電場電壓和當地電網電壓隨著風電輸出的增加而降低。負荷減少50%時，風電場的電壓和當地電網的電壓都在下降。表2顯示，整個當地電網的電壓隨著風電場輸出的提升而降低。

圖3 不同電源電壓下風電場終端電壓的變化（負荷減少50%）

表2 在不同的電源電壓下接受的風力發電量 電源電壓(負載減半)

圖4是比較正常負載情況和電源電壓為1.03時的正常負載情況。當電源電壓為1.03時，風電場在不同負荷水平下的電壓曲線隨風電場輸出功率的變化而變化。當負荷降低50%時，風電場的接受能力增強。原因是：當負載較小時，各節點的電壓水平的時候每個節點的電壓水平都很高，負載的DFAG 相對較小。超限電壓出現得比較晚，所以最大風力發電量變得更大。

圖4 當電源電壓為1.03時，風電場的電壓曲線隨風電場的輸出功率變化而變化

3.4 利用風電場驗證風力發電的驗收

風電場短路容量比K 被定義為風電場額定容量與PCC 短路容量的比率。K 值可反映當地電網抵御風力干擾的能力。同時K 值也與電壓穩定性有關，由于整個系統的電阻比較小，所以電阻值被忽略了。表3和表4是不同情況下的K 值。

表3 正常負載下的K 值

表4 50%正常載荷下的K 值

從表3和表4中可看出，當負荷減少一半時風電場的短路率為零。負荷減少一半時，風電場的短路容量較大。K 值都小于5%，這說明當地電網抵抗風力干擾的能力很強。

綜上，本文首先討論了影響風力發電的因素，如PCC 負荷能力、風電場和電網連接、風機類等，風力發電機組類型等。然后確定了研究風電接受度的方法，即結合功率流計算方法和工程方法。分析了系統運行模式的變化對風電接受能力的影響，最后風電場短路容量K 被用來驗證風力發電量。穩態分析結果表明，對本地電網來說，較高的供電電壓和負荷的減少會導致增強風力發電的接受能力。