海上風場出力變化對電力系統電壓影響

朱曉榮，高建濤

(華北電力大學 電氣與電子工程學院，河北 保定 071003)

目前，隨著海上風場的大量規劃建設，海上風電在風電產業中占比逐步增大。考慮到海上風場單機容量和系統特性等與陸地風電差別較大［1］，因此，陸地風電的集中建模方法對海上風場的適用性有待研究。本文選取符合海上風電實際的風機、箱變、集電海纜和主變等設備，建立了海上風場幾種模型，分析了海上風場的風電出力變化對靜態電壓的影響，利用現有的陸地風電模型，在風電出力變化條件下研究局部電網電壓水平和波動規律，并針對海上風場近區電壓偏高和波動過大問題提出了風機和SVC協調控制的解決方案。

1 海上風電場建模

與陸地風場相比，海上風場有以下特點:1)單機容量大，現階段5 MW及以上風機已經成為海上風場的主流機型;2)無功受海纜影響大，海上風場須采用海纜集電和長距離輸電，交流海纜產生大量充電功率，既限制了輸電距離及容量，又抬高了母線電壓;3)并網方式有更多選擇(HVAC、LCCHVDC和VSC－HVDC等)，受輸電容量及系統穩定要求，海上風電多采用柔性高壓直流(VSCHVDC)輸電。

為了分析電網靜態電壓水平，在海上風場建模中，重點考慮海底電纜和集電系統結構對電網電壓的影響。根據現有的海上風電項目(東海大橋海上風電場等)和風電場設計、并網準則［3］，建立的海上風場模型如圖1所示。

2 風電場對電壓的影響

圖1 海上風場模型Fig．1 Wind field model at sea

風電功率存在間歇性和隨機性，大規模風電接入電網后，將對局部電網的運行調度、無功補償及電能質量造成明顯影響［4］。對于已建成風電場，其對電壓的影響主要體現在風機特性和無功補償方式上。

在風機特性方面，風電機組輸出的有功功率主要依賴于風速;定速風機吸收的無功隨有功波動而波動，雙饋風機一般采用恒功率因數控制，因而無功波動較小。在并網風電機組持續運行中，受塔影效應、偏航誤差等影響，風電機組輸出功率會有所波動［5］。此外，風電機組在啟動、停止等過程中也會產生電壓波動和閃變［6］。

在無功補償方面，風電場并網運行會對系統電壓質量產生負面影響，這源于風電機組、匯集系統、升壓變及送出線路等的無功損耗。現有的無功補償裝置基本能滿足電力系統的要求，但存在響應速度慢和調節不平滑的缺點。靜止無功補償器(SVC)將電力電子元件引入到傳統的并聯無功補償裝置中，可以實現快速補償和平滑調節。除風電場內部補償外，還可以利用SVC提高大規模風電并網后的電壓質量和系統穩定性［7］。

3 仿真分析

3.1 電網概況

本文以中國東部某地區電網為研究對象，該地區有500 kV變電站兩座(A0站和B0站)，規劃建設5個風電場(裝機總容量為1711 MW，同時率按0.85考慮，總出力為1454 MW)。海上風場(海上風場SA1和SB1，出力分別為510 MW和340 MW)兩個，考慮到現階段海上風場規模有限，兩個海上風電場均采用集中交流電纜接入地區220 kV電網。該地區電網結構如圖2所示。

陸地風電機組采用GE公司1.5 MW雙饋風機，海上風機采用GE公司3.6 MW雙饋風電機組模型。風電機組按最惡劣情況運行，即運行在恒功率因數控制模式(功率因數為1.0 pu)。在仿真分析中，所有風電場均考慮實際SVC作用(控制電壓設置為1.0 pu)。

圖2 東部某地區電網Fig.2 A region power grid in Eastern

3.2 風電場模型對電網電壓影響

采用3種模型(模型1，集中模型;模型2，陸地風電模型;模型3，陸地及海上風電模型)分析風電出力變化對該地區電網電壓影響。在風電出力變化過程中，電力系統低壓無功補償、其它機組開停機方式以及機組機端電壓等均保持不變。模擬該地區風電從零到最大(85%)出力變化過程，該地區220 kV電網各變電站電壓統計結果如表1和表2所示。

表1 3種模型下地區電網靜態電壓水平Tab.1 3 models of power grid static voltage in a region

根據表1可以畫出6種運行方式下該地區電網靜態電壓對比曲線，如圖3所示。

圖3 3種模型下地區電網靜態電壓比較Fig.3 Comparison 3 models of power grid static voltage in region

由表1和圖3分析可知:

1)在3種模型(集中模型、陸地風電模型和陸地及海上風電模型)中，電網靜態電壓變化趨勢一致，說明3種模型均為有效。

2)海上風場SA1和SB1的母線電壓均最高，分別比相鄰變電站220 kV母線(A1和B0)高4 kV和5 kV。這說明受海纜充電功率影響，海上風場近區母線電壓一般偏高。

3)3個風電場群的中間地區電壓都普遍偏低，電壓最低點位于A6站220 kV母線，應注意在A6變電站加裝無功補償裝置，防止出現電壓崩潰問題。

4)同一模型下，風電零出力時電網電壓水平高于最大出力時的電壓水平。模型2在風電零出力方式下電網電壓水平最高，模型1在風電最大出力方式下電網電壓水平最低。模型3(陸地及海上風電模型)的電網電壓水平略高于模型1(集中模型)，但是與模型2(陸地風電模型)有相當大的差距。

表2 3種模型下母線電壓波動百分比Tab.2 3 models of bus voltage fluctuation percentage

圖4 不同模型下電壓波動百分比Fig.4 Different models of voltage fluctuation percentage

根據表2可以畫出3種模型對電網靜態電壓波動曲線，如下圖4所示。

表3 SVC和風機協調控制方案Tab.3 SVC and fan coordinate control scheme

由表2和圖4分析可知:在風電出力變化過程中，采用集中模型仿真時母線電壓波動比值最大，陸地風電模型時母線電壓波動最小。但是，海上風電場SA1、SB1近區的母線電壓波動值不符合此規律，在考慮陸地及海上風電模型時，SA1、SB1母線電壓波動比值明顯增大;鄰近LB1、B0、B2母線電壓波動比值與另外兩種模型相比卻明顯較小，主要原因是海上風場充電功率抬高了近區母線電壓水平，減輕了母線電壓波動。

3.3 海上風電近區電壓偏高的措施

由于海上風場近區母線電壓水平偏高，電壓波動較大，建議通過調整海上風場SVC及風機的控制策略，緩解風電出力變化時海上風場近區電壓水平偏高及電壓波動較大的影響。以海上及陸地風電模型為例，提出了一種風機和SVC協調控制方案，如表3所示。

將表3與表2對比分析可知，通過協調SVC和風機的控制策略，可以顯著降低海上風電近區電壓水平和電壓波動水平。可選用的協調控制策略有很多，如風機由恒功率控制改為恒電壓控制方式、考慮雙饋風機吸收部分無功能力等［8］，將這些風機控制策略與SVC控制方式協調配合應用，均能不同程度解決海上風電并網的電壓問題。

4 結論

1)海上風場在網絡架構和并網特性等方面與陸地風電存在較大區別，出口電壓會顯著升高，將近區變電站的電壓抬高。

2)風電場SVC和風機協調控制方案能夠解決海上風電產生的電壓偏高問題。

3)3種模型下靜態電壓變化趨勢是一致的，電壓水平和模型復雜度上有較大差別，要根據精確度要求、主體差異和電壓波動范圍等選擇合適的模型，以便降低研究難度。

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