風(fēng)電接入對(duì)配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定的影響研究

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(píng)審中心，遼寧 沈陽 110058)

電壓穩(wěn)定問題是風(fēng)力發(fā)電并入配電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。近些年來，隨著電網(wǎng)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量的不斷增加，傳統(tǒng)配電網(wǎng)的運(yùn)行迎來了新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)配電網(wǎng)一般為開環(huán)運(yùn)行的單輻射網(wǎng)絡(luò)，由于其配電線路的R/X值通常較大，導(dǎo)致線路電壓降落及網(wǎng)絡(luò)損耗較大，其負(fù)荷又具有很大的波動(dòng)性，負(fù)荷高峰期間一個(gè)短暫的高水平負(fù)荷都有可能威脅到系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性，甚至導(dǎo)致電壓崩潰。而風(fēng)力發(fā)電作為一種分布式電源，接入配網(wǎng)后，改變了其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，作為饋線末端的電源將引起網(wǎng)絡(luò)的潮流改變，從而改變系統(tǒng)的電壓分布。另外，風(fēng)力發(fā)電自身的間歇性和波動(dòng)性又不可避免地對(duì)配網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性帶來負(fù)面影響［1－3］。因此研究含風(fēng)力發(fā)電的配網(wǎng)電壓穩(wěn)定性十分必要。

G.B.Jasmon等人較早研究了配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性，得出兩節(jié)點(diǎn)的配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性指標(biāo)L，并通過定義等效阻抗等方式將該指標(biāo)推廣應(yīng)用于多節(jié)點(diǎn)的配電網(wǎng)。但在指標(biāo)L的推導(dǎo)過程中，若從網(wǎng)損等值的角度將復(fù)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(biāo)表達(dá)式?jīng)]有考慮節(jié)點(diǎn)電壓。R.Ranjan和D.Das等提出了旨在反映負(fù)荷分布的配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性指標(biāo)，但是它并不嚴(yán)格，因其僅僅是配電網(wǎng)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(chǔ)上，結(jié)合配電網(wǎng)潮流解的存在性，推導(dǎo)了一種適用于含風(fēng)力發(fā)電的配網(wǎng)電壓穩(wěn)定指標(biāo)，并搭建典型的配網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模型，在其線路末端接入風(fēng)力發(fā)電，最后利用推導(dǎo)指標(biāo)討論了風(fēng)電接入容量、接入位置以及電網(wǎng)故障對(duì)配網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的影響。

1 電壓穩(wěn)定指標(biāo)

任何的傳輸網(wǎng)絡(luò)都可以等效成以下模型，如圖1所示。假設(shè)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(wǎng)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(diǎn)網(wǎng)絡(luò)到達(dá)功率傳輸極限。即節(jié)點(diǎn)電壓變得不穩(wěn)定。可從式 (4)獲取電壓穩(wěn)定指標(biāo)。

用K(Pj+j Qj)代替Pj+j Qj，那么K將有以下特性:

a． 當(dāng)傳輸線處于傳輸極限以內(nèi)，K大于1;

b． 當(dāng)傳輸線達(dá)到傳輸極限，K等于1;

c． 當(dāng)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(diǎn)的電壓穩(wěn)定指標(biāo)。在配電網(wǎng)中，監(jiān)測設(shè)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(jié)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(fù)值。

由式 (8)，可得到配網(wǎng)電壓穩(wěn)定指標(biāo):

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

圖2 PSCAD中的指標(biāo)程序

2 系統(tǒng)仿真計(jì)算及分析

選取典型的配網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析研究，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，負(fù)載同時(shí)由輸電網(wǎng)和風(fēng)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(wǎng)風(fēng)機(jī)選擇直驅(qū)型變速恒頻發(fā)電機(jī)，其通過升壓變壓器連接在母線2上。負(fù)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(duì)配網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的影響。

圖3 典型配網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 接入位置

2臺(tái)額定功率為2 MW的風(fēng)機(jī)在恒風(fēng)速12 m/s下運(yùn)行。1.0 s時(shí)在母線1處接入5+2.5j MW的干擾負(fù)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(shí)的電壓指標(biāo)變化情況。從圖中這3條曲線可見，配電線路越短，風(fēng)電接入對(duì)配網(wǎng)電壓的支持作用越明顯。配電線路為25 km時(shí)，K值最小為0.3，而當(dāng)其為8 km時(shí)，K值最小為0.5，且由圖4中曲線 (c)可見，當(dāng)配電線路為8 km時(shí)負(fù)荷波動(dòng)0.5 s后電壓穩(wěn)定指標(biāo)K逐漸趨向于1，這說明擾動(dòng)后電網(wǎng)電壓又恢復(fù)了穩(wěn)定。

圖4 風(fēng)電接入位置對(duì)配網(wǎng)電壓穩(wěn)定性影響

2.2 接入容量

保持配電網(wǎng)線路長度不變，將風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)容量由4 MW增加到12 MW。1.0 s時(shí)在母線1處接入5+2.5j MW的干擾負(fù)荷。從圖5的 (a)、(b)、(c)3條曲線可見，隨著風(fēng)電接入容量的增大，其對(duì)配網(wǎng)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(jīng)歷了負(fù)荷干擾后，由于風(fēng)電接入對(duì)配網(wǎng)電壓的支持作用，指標(biāo)K經(jīng)過短暫的下降后又逐漸趨向于1，根據(jù)前面的推導(dǎo)，說明母線1上的電壓經(jīng)過一段時(shí)間的波動(dòng)后基本恢復(fù)了穩(wěn)定。但是，風(fēng)電的容量并不是越大越好，如果注入容量大于負(fù)荷，則會(huì)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(fēng)電自身的間歇性和不穩(wěn)定性也會(huì)給配網(wǎng)電壓帶來更大的影響，且在其接入電網(wǎng)和退出運(yùn)行時(shí)會(huì)造成更大的沖擊，對(duì)配網(wǎng)電壓穩(wěn)定性造成不利影響。

圖5 風(fēng)電接入容量對(duì)配網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的影響

2.3 風(fēng)速變化及故障

保持配網(wǎng)線路長度不變，0.3 s時(shí)加入隨機(jī)風(fēng)，持續(xù)到0.6 s，1.5 s時(shí)在風(fēng)機(jī)端口設(shè)置短路故障，持續(xù)0.2 s，則配網(wǎng)電壓穩(wěn)定指標(biāo)曲線如圖6(a)、(b)和 (c)所示。可以看出，風(fēng)電接入量越大，配網(wǎng)線路長度越短，在風(fēng)速變化和故障情況下對(duì)配網(wǎng)電壓的沖擊力越大。由于隨機(jī)風(fēng)的作用引起風(fēng)機(jī)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(dá)到0.2，而圖6(b)和 (c)中K值最小值已經(jīng)低于0.1，幾乎接近于0，電網(wǎng)電壓已經(jīng)崩潰，且在故障切除后，都沒有重新恢復(fù)穩(wěn)定。因此，雖然風(fēng)機(jī)接入配網(wǎng)對(duì)其電壓有明顯的支持作用，但在考慮風(fēng)機(jī)的接入位置和接入容量時(shí)，也需要考慮其自身的不穩(wěn)定性因素給配網(wǎng)帶來的影響。

圖6 不同風(fēng)電容量及接入位置情況下故障對(duì)配網(wǎng)電壓的影響

3 結(jié)論

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

風(fēng)電接入配電網(wǎng)以后，一方面能抬高節(jié)點(diǎn)電壓及減少配電網(wǎng)網(wǎng)損，從而對(duì)配網(wǎng)電壓進(jìn)行支持。另一方面，其接入可能會(huì)對(duì)原有的配電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊性影響，如大容量風(fēng)電的接入可能會(huì)將功率逆送至大電網(wǎng)。同時(shí)，風(fēng)力發(fā)電自身的間歇性和不穩(wěn)定性也會(huì)對(duì)傳統(tǒng)配電網(wǎng)帶來影響。通過分析得到以下結(jié)論。

a． 配網(wǎng)線路長度越短，風(fēng)電接入對(duì)配網(wǎng)電壓的支持作用越明顯。

b． 風(fēng)電容量越大，其對(duì)配網(wǎng)電壓的支持作用越明顯。但是，風(fēng)電的容量并不是越大越好，如果注入容量大于負(fù)荷，則會(huì)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(wǎng)線路長度越短，風(fēng)電容量越大，風(fēng)電自身的間歇性和不穩(wěn)定性以及故障對(duì)配網(wǎng)電壓造成的負(fù)面影響越大。因此在考慮配網(wǎng)規(guī)劃的過程中也應(yīng)充分考慮這一點(diǎn)以確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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