基于靜態電壓分岔點的風電穿透功率評估

王一峰 王 維 張宗杰

（河北省電力公司，河北石家莊050021）

風能屬于可再生能源，是一種取之不盡、用之不竭的新能源。風力發電作為風能利用的主要形式具有明顯的環境效益，表現在它不排放任何有害氣體和不消耗水資源。風力發電不僅是風能利用的主流形式，又是在新能源開發利用中技術最成熟、發電成本日益降低、商業化規模最大的發電方式。隨著世界環境的日益惡化和常規能源的日益枯竭，風力發電在未來的能源結構中將占有越來越重要的地位。

目前，風力發電的主流形式是大型并網型風力發電機組。風力發電機組單機容量很小，對于一個大電網影響可以忽略，但對于一個風電場來說，總裝機超過幾十萬千瓦，對于一個容量不大的弱電網，就會造成不可忽視的影響。風力資源較好的地區往往人口稀少、負荷量小、電網結構相對薄弱、風電功率的注入改變了局部電網的潮流分布，對局部電網的電能質量和穩定性有很大影響。隨著風電機組單機容量和風電場規模的增大，大型風電場并網運行對電力系統的影響也越來越明顯。

1 雙饋感應風力發電機

目前，雙饋感應風力發電機已成為現在風力發電的主流機型。此種機型的控制方案控制的是轉子側的轉差功率，該處的功率轉換設備的容量要求比較小，一般只需達到總容量的20%-30%即可，這將減少相應的功率電子設備的損耗。而且電壓也很低，易于控制，設備成本相對得到了降低。同時，我們可以通過改變轉子側電流的幅值、相位、頻率、相序等，實現對有功功率和無功功率的控制，能夠幫助電網實現無功功率補償。

2 本文使用仿真軟件簡介

本文中使用的PSCAD是用于電力系統時域和頻域仿真計算的軟件包,由加拿大Manitoba大學高壓直流輸電研究中心Dennis Woodford博士等人研制。自1976年開始至今,經過大量的研發、拓展、完善工作,軟件包已具有豐富、準確的元件庫、模型庫,成為EMTDC為核心,以PSCAD為圖形界面友的新一代仿真程序。軟件包以精確、高效、便捷、界面友好等特點被廣大電力系統研究、分析人員所推崇,廣泛用于電力系統暫態過程計算、直流系統分析與工程研究、電能質量現象分析和電力電子器件設計等領域[4]。

目前廣泛使用的雙饋感應風力發電機中有大量的電力電子器件，使PSCAD可以較準確的構建模型，并能清晰的觀察到風電接入點的PV曲線。因此，在仿真中使用PSCAD作為仿真計算的軟件。

3 系統對風電場的要求

風電場的容量在系統中所占的比例在不斷增加，風力發電對系統的影響將越來越顯著。隨著風電技術的不斷發展和風機容量的不斷擴大，電力系統對風力發電機的聯網要求越來越苛刻，可得到電網對風電場提出了下列要求：

1）風電機組有功和無功(0.95感性到0.95容性)可控。

2）頻率在47.5Hz到51.5Hz之間風機正常運行且保持電壓在額定值80%以上。

3）電網擾動時要求風機保持運行不允許切出，能夠提供一定的無功電流，故障恢復后立即提供有功出力。對電網故障時的風機的故障穿越能力要求，風機必須保持與電網的連接即使風機并網點的電壓跌落至零。

4 靜態電壓穩定約束條件

4.1 電壓穩定問題的引入

電壓穩定指系統維持電壓的能力。當系統出現擾動、負荷增大系統結構變更而使電壓下降，并且運行人員和控制系統的控制已無法終止這種電壓下降時，系統就會進入電壓不穩定的狀態。這種電壓下降可能只有幾秒鐘，也可能長達幾十分鐘，甚至更長。如果電壓不停地降下去，電壓崩潰就會發生。而所謂電壓崩潰，就是指由于電壓不穩定所導致的系統內大面積、大幅度的電壓下降的過程。

2003年8月14 日發生美國東部大停電造成了巨大經濟和社會損失，事故發生后，美國電力研究院的專家經過對記錄到的電壓電流波形進行分析，認為本次美加大停電事故主要呈現一種快速的電壓崩潰現象。

隨著電力系統規模的不斷擴大，電壓穩定性問題已經成為電力系統安全運行的嚴重威脅。大量的電網崩潰事故表明，由于系統中無功容量不足，或由于系統中無功電源分布不合理，而導致的電壓穩定性問題是影響和限制電力系統輸電能力的重要因素之一。鑒于此，本文將主要就電壓穩定約束條件下的風電接入能力進行研究。

4.2 靜態電壓穩定性研究方法

靜態電壓穩定性研究方法只需考慮系統各場景時間框架的靜態模型，其模型簡單，所需的參數較少，計算速度也相對快捷。

從實際應用的角度來看，靜態電壓穩定約束下的風電接入能力指標確實能夠為運行調度人員提供非常有價值的信息，其計算模型與結果也滿足工程應用的精度要求。而且輸電能力計算并不需要詳細地分析系統電壓失穩的機理。

4.3 仿真算例

使用PSCAD進行系統的仿真，采用9節點網絡，在母線1接入雙饋感應風力發電機，發電機端口電壓為0.69kV，經過幾次升壓至220kV，接入母線1，其中變壓器模型使用理想變壓器模型進行仿真。

目前，單個雙饋感應風力發電機一般為1.5MW或2MW，一個風電場一般由20臺以上的風機構成，算例中調整了雙饋感應風力發電機的參數使其可以輸出20MW以上的功率，模擬一個風電場，考慮到陣風對功率電壓造成的波動比較明顯，本文使用基本風速8m/s，最高時風速為18m/s，時序時間為10s。風速的變化在仿真開始的10s后，觀察這風電對電網的影響。

雙饋異步風力發電機在風速加大時發電機放有功，吸收無功，電壓下降。可見接入風電對電網電壓帶來了很多波動，可能使電壓質量下降至不符合要求。

當風電發出功率提升，則吸收更多的無功，電壓隨之下降，最后導致電壓崩潰。觀察曲線的拐點，得到風電接入節點1的穿透功率為28MVA，接近電網總負荷的30%，與當前實際規劃中的風電比例相當，認為使用PSCAD進行仿真得到PV曲線可以較好的得到風電穿透功率。

5 結語

對含有風電場的電力系統,風速變化對系統影響顯著。當風速過高時，風機發出的功率并不能完全被電網所接受，并且會引起電網的電壓崩潰。另外隨著風電穿透功率的增長，風電的隨機波動性對系統穩定性的影響將更為顯著。

本文通過PSCAD仿真，分析了風電場對電網的影響，并得到了風電接入點的穿透功率。

［1] 王承煦，張源．風力發電[M] ．中國電力出版社，北京：2003(3).

［2] 申洪,梁軍,戴慧珠.基于電力系統暫態穩定分析的風電場穿透功率極限計算[J] .電網技術,2002,6(8):8-11.