李東坡，殷鴻雁，張明理

(1．深圳市禾望電氣有限公司，廣東 深圳 518055;2．錦州供電公司，遼寧 錦州 121001;3．遼寧省電力有限公司規(guī)劃評審中心，遼寧 沈陽 110058)

電壓穩(wěn)定問題是風力發(fā)電并入配電網的關鍵技術之一。近些年來，隨著電網內風力發(fā)電裝機容量的不斷增加，傳統(tǒng)配電網的運行迎來了新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)配電網一般為開環(huán)運行的單輻射網絡，由于其配電線路的R/X值通常較大，導致線路電壓降落及網絡損耗較大，其負荷又具有很大的波動性，負荷高峰期間一個短暫的高水平負荷都有可能威脅到系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性，甚至導致電壓崩潰。而風力發(fā)電作為一種分布式電源，接入配網后，改變了其網絡結構，作為饋線末端的電源將引起網絡的潮流改變，從而改變系統(tǒng)的電壓分布。另外，風力發(fā)電自身的間歇性和波動性又不可避免地對配網的電壓穩(wěn)定性帶來負面影響［1－3］。因此研究含風力發(fā)電的配網電壓穩(wěn)定性十分必要。

G.B.Jasmon等人較早研究了配電網電壓穩(wěn)定性，得出兩節(jié)點的配電網電壓穩(wěn)定性指標L，并通過定義等效阻抗等方式將該指標推廣應用于多節(jié)點的配電網。但在指標L的推導過程中，若從網損等值的角度將復雜配電系統(tǒng)等值成簡單系統(tǒng)，則誤差較大且得到的穩(wěn)定指標表達式沒有考慮節(jié)點電壓。R.Ranjan和D.Das等提出了旨在反映負荷分布的配電網電壓穩(wěn)定性指標，但是它并不嚴格，因其僅僅是配電網電壓穩(wěn)定的必要條件而非充分條件［4－7］。

本文在前人工作的基礎上，結合配電網潮流解的存在性，推導了一種適用于含風力發(fā)電的配網電壓穩(wěn)定指標，并搭建典型的配網網絡模型，在其線路末端接入風力發(fā)電，最后利用推導指標討論了風電接入容量、接入位置以及電網故障對配網電壓穩(wěn)定性的影響。

1 電壓穩(wěn)定指標

任何的傳輸網絡都可以等效成以下模型，如圖1所示。假設母線i是輸電端，母線j是受電端。輸電端母線i的電壓可以表示為

圖1 配電網典型支路

則電壓的幅值為

若保證式 (3)有解，則需滿足以下條件:

隨著受電端功率需求Pj+j Qj的增長，式 (4)左邊逐漸接近0，兩節(jié)點網絡到達功率傳輸極限。即節(jié)點電壓變得不穩(wěn)定?？蓮氖?(4)獲取電壓穩(wěn)定指標。

用K(Pj+j Qj)代替Pj+j Qj，那么K將有以下特性:

a． 當傳輸線處于傳輸極限以內，K大于1;

b． 當傳輸線達到傳輸極限，K等于1;

c． 當傳輸線超過傳輸極限，K小于1，電壓不穩(wěn)定。

將式 (4)中的Pj+j Qj用K(Pj+j Qj)代替，可以得到:

令式 (5)左邊等于0，得到K，即為雙節(jié)點的電壓穩(wěn)定指標。在配電網中，監(jiān)測設備通常在變電站，即輸電端i，所以需要將式 (5)中受電端的變量用輸電端測量數(shù)據(jù)代替，在圖1中，母線j上的功率可以母線i上的功率代替為

整理可得:

結合式 (5)和式 (6)可以得到式 (7):

由于K值總是大于等于0，可以忽略負值。

由式 (8)，可得到配網電壓穩(wěn)定指標:

根據(jù)推導出的電壓穩(wěn)定指標，在PSCAD中自編程了計算模型，部分程序如圖2所示。

圖2 PSCAD中的指標程序

2 系統(tǒng)仿真計算及分析

選取典型的配網網絡進行分析研究，其結構圖如圖3所示，負載同時由輸電網和風場供電。外部系統(tǒng)為恒壓220 kV的無窮大電源。母線1和母線2的額定電壓分別為220 kV和35 kV。并網風機選擇直驅型變速恒頻發(fā)電機，其通過升壓變壓器連接在母線2上。負荷為1+0.5jMW。仿真將考慮分布式電源的接入位置和接入容量以及故障對配網電壓穩(wěn)定性的影響。

圖3 典型配網結構圖

2.1 接入位置

2臺額定功率為2 MW的風機在恒風速12 m/s下運行。1.0 s時在母線1處接入5+2.5j MW的干擾負荷。圖4中曲線 (a)、(b)和 (c)分別是配電線路長度為25 km、15 km和8 km時的電壓指標變化情況。從圖中這3條曲線可見，配電線路越短，風電接入對配網電壓的支持作用越明顯。配電線路為25 km時，K值最小為0.3，而當其為8 km時，K值最小為0.5，且由圖4中曲線 (c)可見，當配電線路為8 km時負荷波動0.5 s后電壓穩(wěn)定指標K逐漸趨向于1，這說明擾動后電網電壓又恢復了穩(wěn)定。

圖4 風電接入位置對配網電壓穩(wěn)定性影響

2.2 接入容量

保持配電網線路長度不變，將風電并網裝機容量由4 MW增加到12 MW。1.0 s時在母線1處接入5+2.5j MW的干擾負荷。從圖5的 (a)、(b)、(c)3條曲線可見，隨著風電接入容量的增大，其對配網電壓穩(wěn)定水平的支持效果越好。

從圖5曲線 (b)和 (c)可見，在經歷了負荷干擾后，由于風電接入對配網電壓的支持作用，指標K經過短暫的下降后又逐漸趨向于1，根據(jù)前面的推導，說明母線1上的電壓經過一段時間的波動后基本恢復了穩(wěn)定。但是，風電的容量并不是越大越好，如果注入容量大于負荷，則會造成功率逆向傳輸，使線路末端電壓高于系統(tǒng)電壓，甚至越限。另外，隨著容量增大，風電自身的間歇性和不穩(wěn)定性也會給配網電壓帶來更大的影響，且在其接入電網和退出運行時會造成更大的沖擊，對配網電壓穩(wěn)定性造成不利影響。

圖5 風電接入容量對配網電壓穩(wěn)定性的影響

2.3 風速變化及故障

保持配網線路長度不變，0.3 s時加入隨機風，持續(xù)到0.6 s，1.5 s時在風機端口設置短路故障，持續(xù)0.2 s，則配網電壓穩(wěn)定指標曲線如圖6(a)、(b)和 (c)所示。可以看出，風電接入量越大，配網線路長度越短，在風速變化和故障情況下對配網電壓的沖擊力越大。由于隨機風的作用引起風機輸出功率變化。圖6(a)、(b)和 (c)中K值最小值分別為0.82、0.6和0.7，這種情況下，雖然圖6(c)的K值比圖6(b)中的大，但其振蕩最大值明顯要大于圖6(b)，因此更加不穩(wěn)定。由于故障原因引起的振蕩中，圖6(a)中K值最小值達到0.2，而圖6(b)和 (c)中K值最小值已經低于0.1，幾乎接近于0，電網電壓已經崩潰，且在故障切除后，都沒有重新恢復穩(wěn)定。因此，雖然風機接入配網對其電壓有明顯的支持作用，但在考慮風機的接入位置和接入容量時，也需要考慮其自身的不穩(wěn)定性因素給配網帶來的影響。

圖6 不同風電容量及接入位置情況下故障對配網電壓的影響

3 結論

本文利用配網的潮流解的存在性推導了適用于含風力發(fā)電的配網電壓穩(wěn)定指標，搭建了典型的配網模型，利用指標研究了風電作為分布式電源接入配網時不同位置和容量以及故障情況下對配網電壓的影響。

風電接入配電網以后，一方面能抬高節(jié)點電壓及減少配電網網損，從而對配網電壓進行支持。另一方面，其接入可能會對原有的配電網產生沖擊性影響，如大容量風電的接入可能會將功率逆送至大電網。同時，風力發(fā)電自身的間歇性和不穩(wěn)定性也會對傳統(tǒng)配電網帶來影響。通過分析得到以下結論。

a． 配網線路長度越短，風電接入對配網電壓的支持作用越明顯。

b． 風電容量越大，其對配網電壓的支持作用越明顯。但是，風電的容量并不是越大越好，如果注入容量大于負荷，則會造成功率逆向傳輸，使線路末段電壓高于系統(tǒng)電壓，甚至越限。

c． 配網線路長度越短，風電容量越大，風電自身的間歇性和不穩(wěn)定性以及故障對配網電壓造成的負面影響越大。因此在考慮配網規(guī)劃的過程中也應充分考慮這一點以確保電網安全穩(wěn)定運行。

［1］ 葉 萌，劉文霞，張 鑫．考慮電壓穩(wěn)定的分布式發(fā)電最優(yōu)配置 ［J］．現(xiàn)代電力，2010，27(4):30－34．

［2］ 曾順意．考慮電壓穩(wěn)定的分布式發(fā)電最優(yōu)配置［D］．湖南大學碩士學位論文，2010．

［3］ 丁思敏．分布式發(fā)電對配電網電壓穩(wěn)定性影響的研究［D］．南京理工大學碩士論文，2010．

［4］ Jasmon G B，Lee L H C C．Distribution network reduction for voltage stability analysis and loadflow calculations［J］．International Journalof Electrical Power and Energy Systems，1991，13(1):9－13．

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［6］ 武曉朦，劉 健，畢鵬翔．配電網電壓穩(wěn)定性研究 ［J］．電網技術，2006，30(24):31－35．

［7］ 陳海焱，段獻忠，陳金富．分布式發(fā)電對配網靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響［J］．電網技術，2006，30(19):27－30．