風電場接入電網末端后系統穩定性分析

李曉龍

(華北電力大學，河北 保定 071003)

風力發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，為經濟和社會發展帶來顯著的效益。受自然條件的限制，風電場一般建設在人跡罕至的邊遠地區，遠離負荷中心，屬于電網的末端。由于電網末端與主網架之間電氣聯系薄弱，系統穩定性較差，尤其是在有間歇式能源接入的情況下，如何維持系統的穩定性是亟需分析和解決的問題。

1 蔚縣風電場運行方式

河北省南部電網(簡稱“河北南網”)蔚縣風電場一期工程建設容量為49.5 MW，現有風機33臺，單臺風機容量為1 500 kW，接入系統方式為單回線接至白石山110 kV側母線。風電場并網地區局部電網結構示意見圖1。

圖1 風電場并網地區局部電網結構示意

以下利用PSASP暫態分析軟件，對蔚縣風電場接入河北南網后系統的穩定性進行詳細的建模和仿真計算。

2 風電場最大接入容量分析

風電接入容量按照風電場短路容量(電流)比計算。風電場短路容量比定義為風電場額定容量Swind與該風電場和電力系統的連接點(Point of Common Connection，PCC)的短路容量Ssc之比，即k=Swind/Ssc×100%。短路容量表示網絡結構的強弱，短路容量大說明該節點與系統電源點的電氣距離小、聯系緊密。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。風電場短路容量比按國際上通行的最大取值10%計算，可得110 kV電網的風電場最大接入容量為144 MW(96臺1 500 kW的風機)，也就是說，蔚縣風電場還可擴建63臺同型號風機。由于110 kV線路輸送功率有限，LGJ-120輸電線路的極限輸送功率為72.3 MW，因此，當蔚縣風電場擴建后，需要再增加2條110 kV輸電線路，輸電線路的型號可選為LGJ-150。

3 風電場穩態分析

將蔚縣風電場裝機容量從0 MW增加至144 MW(風電場最大接入容量)，以考查風電場不同出力水平下的系統電壓和靜態穩定情況。當風電機組的功率因數在0.95(滯后) ～0.98(超前)之間變化時，風電場出力與相關母線和接入系統母線電壓的關系曲線，見圖2。

(a) 風電場出口側380 V母線電壓

(b) 風電場出口側35 kV母線電壓

(c) 風電場出口側110 kV母線電壓

通過計算可知，在正常方式下現有風電場容量為49.5 MW(0.495 p.u.)時，風電場具備無功調節能力，則通過風電機組自身無功調整可維持各相關母線電壓在合理范圍內，若風電場運行于恒功率因數1.0控制狀況下，各相關母線電壓也基本在可接受范圍內。

4 風電場暫態分析

風電場的動態特性影響接入系統的電壓、頻率和暫態穩定性，因此需要通過仿真方法檢驗系統在某些擾動下是否會失去安全性和穩定性。在發生故障的情況下，電網和風電場是否能夠維持自身的穩定性是電網穩定運行的關鍵。在風電場出力為49.5 MW，cosφ=1時，設置110 kV出線距白石山5%處三相短路，故障切除時間0.12 s，鄰近母線電壓、發電機頻率曲線見圖3、圖4。

圖3 0.12 s切除故障后各母線電壓曲線

圖4 系統運行頻率曲線

風電場出口三相短路時，系統附近保定熱電廠-國華定洲發電有限責任公司(簡稱“保熱-定電”)機組的相對功角如圖5所示。

圖5 三相短路時保熱-定電機組相對功角

從大量仿真結果可以看出，在風電場現有規模下，系統可保持同步穩定運行，電網電壓、頻率和功角均可維持穩定，并具有足夠長的故障切除時間，系統穩定性并沒有因為風電場容量的增加而變差。但是，當35 kV母線附近發生接地故障時，故障恢復后35 kV母線電壓明顯升高。因此，應實時監測35 kV側母線電壓并增設過電壓聯切裝置，在35 kV母線運行電壓接近極限值時，切除風電場部分風機。

5 風機低電壓穿越測試

風力發電機低電壓穿越 (Low Voltage Ride Through,LVRT) 能力是指在端電壓降低到一定值的情況下不脫離電網而繼續維持運行，甚至還可以為系統提供一定支持，以幫助系統恢復電壓的能力。

在蔚縣風電場目前裝機容量為49.5 MW的情況下，對該風電場進行低電壓穿越仿真分析，設風電場風速為12 m/s，2 s時在風電場110 kV送出線路首端發生三相短路接地短路故障，故障持續0.7 s切除，持續0.1 s風機與系統解列。仿真結果證明，系統即使在風機低電壓穿越時間整定為0.1 s時也能保持穩定。風機低電壓穿越時，保熱-定電機組的相對功角如圖6所示。

圖6 保熱-定電機組相對功角

6 結束語

通過蔚縣風電場接入電網后對電網的影響研究，證明該風電場在現有規模49.5 MW時，接入電網后對電網電壓及暫態影響不大，能夠維持電網的穩定運行。在低電壓仿真分析中，因為系統具有較大的無功儲備，因此并不需要風電場在系統發生故障后對系統提供無功支持，可以實現風電場的快速解列。該風電場在終期規模下，35 kV母線故障恢復后電壓較高，因此，必須采取必要的保護措施，如增設過電壓聯切裝置，切除風電場部分風機，以此維持風電場及電網的穩定運行。

參考文獻：

[1] 鄭 劍，劉 克，申金平.分布式供電系統對電網的影響[J].東北電力技術，2006，27(4):4-6,24．

[2] 梁有偉，胡志堅，陳允平.分布式發電及其在電力系統中的應用研究綜述[J].電網技術，2003，27(12)：71-75，88.

[3] 胡學浩．分布式發電(電源)技術及其并網問題[J].電工技術雜志，2004，(10)：1-5．

[4] 王志群，朱守真，周雙喜，等.分布式發電對配電網電壓分布的影響[J].電力系統自動化，2004，28(16)：56-60.

[5] 張新房，徐大平，呂躍剛，等.風力發電技術的發展及若干問題[J].現代電力.2003,20(5):29-34.

[6] 李 蓓，李興源.分布式發電及其對配電網的影響[J].國際電力，2002，9(3):45-49.

[7] 孫 濤，王偉勝，戴慧珠，等.風力發電引起的電壓波動及閃變[J].電網技術，2003,27(12):62-66,70.

[8] 雷亞洲.與風電并網相關的研究課題[J].電力系統自動化，2003,27(8):84-89.

[9] 申 洪，梁 軍，戴慧珠.基于電力系統暫態穩定分析的風電場穿越功率極限計算[J].電網技術，2002,26(8):8-11.

[10] 王偉勝，馮雙磊，張義斌.風電場最大裝機容量和電網短路容量的關系[J].國際電力，2005,9(2): 31-34.