風電場靜態等值及應用研究

孫 勇 ，李海峰 ，侯俊賢

(1.江蘇省電力公司，江蘇 南京 210024；2.中國電力科學研究院，北京 100085)

并網型的風電場一般都有多臺風電機組，風電并網分析時采用風電場的詳細模型是最為理想的。工程中對風電接入電網的分析與控制的研究，往往是站在系統的角度，將風電場視為一個整體，關注的是風電場中的若干臺風電機組集聚后對電網的綜合效應。因此，考慮到數據搭建和維護的難度、計算的速度、算法的可靠性等多種因素，在風電并網分析控制的研究中，對風電場進行等值簡化是非常必要的。大量工程應用也表明，采用風電場等值模型進行并網分析計算也是工程實際中的一種可行方法。

1 風電機組靜態等值

對于目前已經成為主流機型的雙饋類型[1，2]風電機組和全變流直驅類型風電機組來說，由于具有交流勵磁性能，能夠在一定范圍控制風電場的無功出力，將風電場內機組轉而等效為功率因數恒定的PQ節點或者是無功有一定限制的PV節點，在工程實際中是可以接受的。含風電場的電力系統靜態潮流模型與風電機組的類型和電壓控制模式有關，總結如表1所示。

表1 含風電機組的靜態潮流模型總結

2 風電場內部電氣接線等值

從系統分析角度[2，3]來看風電并網后對輸電網的影響，針對整個風電場內的集電系統詳細建模是沒有必要的。因此，在對風電場進行等值時，應考慮風電場內部電氣接線的等值。在等值風電場內部接線時，假設所有風電機組注入集電線路的電流的幅值和相位相等；假設由于并聯電容器組的補償或機組本身有勵磁能力，風電機組的功率因數為1。風電場內部接線等值示意圖如圖1所示。

圖1 風電場內部接線等值示意圖

圖1中，電流I1流經阻抗Z1的電壓降為：

同理可以推導出Z2上的電壓降為：

定義PZ1為流經阻抗Z1的有功功率，則每一段線路的線損為：

因此，這一段集電線路的總損耗為：

假設集電線路的等值阻抗為Zs，則集電線路的總損耗還可以表示為：

因此，SLOSS=SLOSS_Zs，即：

所以，推導集電線路等值阻抗為：

集電線路等值并聯電納為：

對于機端單元變來說，假設機端電壓均相等，則可以將一條集電線路的n臺變壓器等效為n臺變壓器的并聯。則：

3 風電場靜態等值

目前，關于風電場靜態等值方法主要有PQ、PV簡化模型和 RX 模型[1，4]。

（1）PQ、PV簡化模型。假設風電場功率因數為已知量，由此計算出無功功率，然后將風電場節點作為PQ節點。該法的局限是認為風電場的功率因數與單臺風電機組的功率因數相同，并未考慮風電場內部集電系統的影響，當風電場規模較大時可能帶來較大計算誤差。對于有交流勵磁能力的雙饋機和全變流直驅機來說，當工作在恒電壓控制方式下時，可以將該類風電場等效為具有一定無功限制的PV節點。類似地，該法也忽略了風電場內部的電氣接線，隨著風電場規模的增大，會帶來一定誤差。

（2）RX模型。實際運行中，隨著電壓波動，風力電機所消耗或發出的無功是變化的。為了體現無功的變化，需要將異步電機等值電路加入到靜態潮流分析模型中把異步電機的滑差表示成機端電壓和有功功率的函數，給定初始滑差和風速，由異步機等值電路寫出異步機等值阻抗Z=R+jX，將發電機視為阻抗型負荷加入潮流程序，得到風力發電機的電磁功率，另外由風速等信息計算出風力機的機械功率，根據2個功率之差值修正滑差，反復迭代，最終使風力機機械功率與發電機電磁功率相平衡。RX模型充分考慮了風力發電機的輸出功率特性，屬于比較完善的模型，但此模型的迭代過程也是分2步完成，常規潮流迭代計算和異步發電機的滑差迭代計算，總迭代次數多，收斂速度慢，實用性較差。

在對風電場進行穩態等值時，根據風電場不同的控制方式，相應采用PQ或PV節點類型。對于一些混合型風電場，例如定速異步機與雙饋機混合型風電場，若全場采用恒功率因數控制方式，則可將風電場等值為PQ節點；若其中雙饋機采用恒電壓控制方式，則可將風電場轉而等效為PQ和PV兩節點。風電場靜態等值示意圖如圖2所示。

其中，風電場的等值節點類型根據風電場采用恒功率因數還是恒電壓控制模式，相應地選用PQ節點和PV節點。風電場內部架空線與直埋電纜的等值阻抗及導納等效在單機變和風場主變之間。

圖2 風電場靜態等值示意圖

4 算例分析

利用江蘇中電大豐風電場的實際數據建立典型系統進行風電場靜態等值的驗證分析。中電大豐風電場裝機容量200 MW，其風機生產廠家為金風科技有限公司，包含S50/750型單機容量750 kW的固定轉速異步風力發電機組81臺，和GW77/1500型單機容量1.5 MW的直驅風電機組93臺。按照風電場內詳細接線圖，基于PSD-BPA仿真軟件，建立詳細風電場靜態算例模型，具體如下：

（1）風電場規模為81臺額定功率750 kW的固定轉速異步風電機組和93臺額定功率1.5 MW的直驅同步風電機組 （風電場裝機容量為200.25 MW）。每種類型的機組型號與參數一致，固定轉速風電機組不具備電壓控制能力，直驅風電機組控制方式為恒功率因數或者恒電壓。

（2）匯集各臺風電機組的架空線路連接到風電場升壓主變的饋線長度，按實際情況考慮。

（3）無功補償裝置安裝在風電場升壓主變的低壓側。

將詳細風電場模型、倍乘風電場模型和考慮風電場接線的倍乘風電場模型分別接入到無窮大系統，進行靜態潮流計算并將計算結果加以比較。主要關注的靜態參數有：風場主變低壓側無功補償容量、并網點電壓、并網線路的有功和無功以及風電場內部節點電壓。

恒功率運行方式下，不同風電出力時倍乘模型、詳細風電場模型和考慮接線倍乘模型并網點電壓、并網線路無功、并網線路有功和無功補償投入量對比圖如圖3—6所示。

5 結束語

（1）對于架空集電線路，當風電出力較小的時候，線路上無功損耗較小，對并網點電壓的影響不大。隨著風電出力增大，線路電抗的無功損耗增加，集電線路上的電壓降也增大，所以“倍乘等值模型”較“風電場詳細模型”的計算結果電壓偏高。

圖3 并網點電壓對比

圖4 并網線路無功對比

圖5 并網線路有功對比

圖6 無功補償投入量對比圖

（2）隨著風電場裝機容量、風電場內部接線規模的擴大，上述“簡單倍乘等值模型”不計及“風電場內部接線等效”所引起的偏差將進一步增大；所以，在等值模型中必須計及“風電場內部接線的等值”。

（3）考慮風電場內部接線的倍乘等值模型的靜態仿真曲線與詳細風電場靜態仿真曲線較好的吻合，證明了考慮風電場詳細接線的大規模風電場穩態等值方法的有效性。

[1]孫建鋒，焦連偉，吳俊嶺，等.風電場發電機動態等值問題的研究[J].電網技術，2004，28（7）：58-61.

[2]曹張潔，向 榮，譚 謹，等.大規模并網型風電場等值建模研究現狀[J].電網與清潔能源，2011，27（2）：56-60.

[3]蘇勛文，米增強，王 毅.風電場常用等值方法的適應性及其改進研究[J].電網技術，2010，34（6）：175-180.

[4]喬嘉賡，魯宗相，閔 勇，等.風電場并網的新型實用等效方法[J].電工技術學報，2009，24（4）：209-212.