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(fā)電機組的可控性遠弱于火力發(fā)電機組和水力發(fā)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(guī)模的風電場接入局部電網后勢必帶來電壓穩(wěn)定問題，影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定。針對風電場并入薄弱電網的電壓穩(wěn)定性問題進行分析研究，并進行仿真，從靜態(tài)角度分析了影響風電場電壓穩(wěn)定的不同因索。

電壓穩(wěn)定性；風電場；短路容量

風力發(fā)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(fā)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(wěn)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(wěn)定運行帶來重大的影響，因此，如何維持系統(tǒng)的穩(wěn)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(shù)，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(shù)。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(tǒng)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(xù)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(wěn)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(xù)運行過程中產生電壓波動和閃變，而且在啟動、停止和發(fā)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(fā)電機切換，其中發(fā)電機切換僅適用于多臺發(fā)電機或多繞組發(fā)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(jié)點的電壓波動和閃變。

2.風電場電壓穩(wěn)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(guī)則變化的噪音風的模型時，輸出的結果會發(fā)現(xiàn)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(tǒng)中風力發(fā)電規(guī)模的大小，以此作為計算分析和進行評價的依據(jù)。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(tǒng)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(wěn)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(jié)點。短路容量表示網絡結構的強弱，反映了該節(jié)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(jié)點與系統(tǒng)電源點的電氣距離小，聯(lián)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(tǒng)承受風電擾動的能力強。

聯(lián)絡線參數(shù)刀的影響。聯(lián)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(lián)絡線的阻抗參數(shù)；為風電場端電壓。

由此可見，當風電場向系統(tǒng)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(tǒng)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(lián)絡線的阻抗參數(shù)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(wěn)定性和短路容量比和聯(lián)絡線參數(shù)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(tài)的角度進行模擬仿真，以期得到2種參數(shù)對電壓穩(wěn)定性影響的定性的結論。

3.風場電壓穩(wěn)定性的靜態(tài)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(qū)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(tǒng)簡化為等值電源與等值阻抗。

穩(wěn)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(shù)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(tǒng)中，等效電源電壓的高低將影響系統(tǒng)節(jié)點的電壓水平，因此對節(jié)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(jié)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(tǒng)。

保持聯(lián)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(tǒng)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?shù)竭_30%時電壓穩(wěn)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(jù)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(lián)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?shù)闹翟黾訒r，風電場電壓會下降，電壓穩(wěn)定性也相應的降低。

4.結論

風電的快速發(fā)展和大規(guī)模接入電網賦予了電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定新的研究內容。不同的系統(tǒng)面臨的電壓穩(wěn)定問題可能有較大的差異，即使同一個電力系統(tǒng)，不同的發(fā)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(tǒng)的電壓穩(wěn)定問題變得不同，需要區(qū)別對待和解決。

為了風電接入系統(tǒng)后的電壓穩(wěn)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(tǒng)。另外，還應深入研究風機建模和進行風電接入系統(tǒng)后的長過程仿真。

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