大型風電集群無功電壓特性研究

梁紀峰，戎士洋，齊 全，耿 亮

（1.國網河北省電力公司電力科學研究院，河北 石家莊 050021；2.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006；3.國網石家莊供電公司，河北 石家莊 050081）

大型風電集群無功電壓特性研究

梁紀峰1，戎士洋1，齊 全2，耿 亮3

（1.國網河北省電力公司電力科學研究院，河北 石家莊 050021；2.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006；3.國網石家莊供電公司，河北 石家莊 050081）

通過研究大型風電集群所具有的無功電壓特性，為制定風電集群無功電壓綜合控制方案提供借鑒。通過對瓜州地區風電集群實際有功出力的統計分析，及進行大量的離線仿真計算，分別研究了風電集群在長時間尺度和短時間尺度下的有功出力特性，風電場并網點的P－V特性，風電集群無功損耗的分布狀況，風電集群接入的電網所具有的無功電壓特性，電網的短路容量與風電集群電壓穩定性的關系，初步揭示了大型風電集群的無功電壓特性。

風電集群；無功電壓；無功損耗；短路容量

隨著我國風電產業的快速發展，在三北地區形成了多個百萬kW甚至千萬kW風電基地。由于風電出力具有隨機性、波動性和不穩定性等特點，當大量風機集中接入某一個末端電網時候，將造成電網的有功潮流和無功電壓的頻繁波動，在薄弱的系統接入點，風電有功和無功出力的波動將急劇惡化局部地區的無功電壓狀況。由于已經投運的風電機組大部分不具備低電壓穿越能力，因此，在風電場發生局部故障的情況下，經常導致大規模風電機組脫網事故的發生，嚴重情況下，甚至能夠引發電網穩定問題［1－4］。因此，研究大型風電集群及其接入電網的無功電壓特性，為制定科學有效的無功電壓綜合控制方案具有重要價值，本文主要通過對瓜州地區具有代表性的風電集群進行仿真計算，研究分析風電集群集中接入電網后的無功電壓特性。

1 風電集群有功出力特性概述

在我國目前的大型風電連片開發地區，風電機組和風電場分布在廣袤的戈壁、草原和沙漠上，往往是方圓幾百里遍布大大小小的風電場。當這些地區出現大風天氣時候，從大風吹來的方向開始，依次經過坐落于不同地區的風電場，大風吹過所有風電場的時間差較大，各風電場機組的出力升速也不同，在幾min和幾十min的時間尺度內，各風電場的有功出力具有一定的互補性［5］，風電場的集中連片分布，降低了風電出力的隨機性和不穩定性。當大風天氣持續較長時間時，各風電場的風況較為接近，風電場出力特性將為趨于接近，這時候，大面積連片風電場的有功出力將具有很強的相關性，導致大型風電集群的有功總出力波動幅度很大。

2 風電集群無功電壓特性研究

2.1 風電集群P－V特性分析

目前，我國大型風電基地采用的風機類型主要有：鼠籠式異步風電機組、雙饋式異步風電機組和多極永磁直驅式同步風電機組。鼠籠式異步風電機組不能發出或吸收無功功率，只能從電網吸收無功功率建立機端電壓；雙饋式異步風機具有一定的無功功率調節能力，但是受限于轉子側變流器的容量，無功調節容量很有限；永磁直驅式同步風機具有很好的無功調節能力，但是目前并網的該型機組還較少［6－7］。因此大型風電集群主要是以雙饋式異步風電機組為主，當風電集群有功出力變化時，風電集群送出通道上的無功損耗將會隨之變化，風電集群接入點的電壓也將因無功功率支撐的變化而變化，圖1為風電集群接入點電壓隨風電集群有功出力波動而變化的P－V曲線，風電集群有功出力的基準值為額定裝機容量700 MW。

圖1 風電集群接入點P－V曲線

由P－V可知，風電集群的有功出力與風電集群的集中接入點的電壓呈一定的負相關性。大風天氣，風電集群大出力時，風電送出通道的無功損耗增加，風電集中接入點缺乏無功功率支撐，電壓降低；無風和弱風天氣，風電集群出力較小，風電送出通道的無功損耗較小，風電集中接入點具有足夠的無功功率，電壓升高。

2.2 風電集群無功損耗特性

圖2為甘肅瓜州地區某風電集群的并網示意圖，A1～A3為3座雙饋式風電機組風電場等值成的風電機組，裝機容量分別199 MW、199 MW和299 MW，通過兩級升壓接入風電場并網點330 kV母線，多個風電集群通過330／750 kV升壓變接入750 kV主網。考慮目前在運的風電機組大多只能按－0.98～0.98的功率因數范圍進行恒功率因數模式運行［8］，因此風機最大無功支撐能力為按0.98恒功率因數模式運行。

圖2 風電集群并網模型

當風電集群按0.98恒功率因數運行時，隨著風電集群有功出力的連續增加，無功損耗也快速增加，風電集群內的各部分的無功損耗量如表1所示。

表1 無功損耗隨有功出力變化情況

從表1數據可知，在風電集群中，從風電機組到330 kV風電場并網點的總無功損耗中，0.69／35 kV和35／330 kV兩級升壓變的無功損耗占風電集群總無功損耗的80%左右，是風電集群的主要無功負荷，如圖3所示。當風電集群有功出力在額定裝機容量的60%以下時，風機提供的感性無功可以滿足風電集群的無功需求；當風電場有功出力超過額定裝機容量的60%時，風電集群的等值無功負荷大于風機提供的無功功率，需要從主網吸收無功或者依靠無功補償設備補償風電集群的無功損耗。

圖3 風電集群無功損耗分布

3 風電集群并網點無功電壓特性

3.1 電網無功電壓特性分析

大型風電集群一般都是通過多級升壓站升壓和電流匯集，接入一個超高壓電網送出系統，而超高壓輸電線對地電容產生很高的容性無功功率，當風電出力隨著風速變化而變化時，超高壓線路上的潮流和輸變電設備上產生的無功損耗也隨之不斷變化，此時，超高壓線路上富裕的大量容性無功功率將隨無功損耗的變化而波動，從而造成電壓的大幅度波動，嚴重影響末端電網和風電集群內部的電壓穩定性。風電大出力時，風電集群內部的輸變電設備和超高壓輸變電設備潮流重載，末端電網各節點電壓嚴重偏低，無風和弱風時候，潮流輕載，風電集群和末端電網各節點電壓又嚴重偏高。

由于目前大多數風電場以鼠籠式異步風機和雙饋異步風機為主，風電機組不具備無功調節能力或具有有限的無功支撐能力，風電機組只能以恒功率因數模式運行，為了支撐風電出力的送出和提高風電集群的電壓穩定性，因此需要對風電機組和風電場進行無功補償設計，如在風電場安裝電容電抗器、SVC和SVG等無功補償設備等。根據實際統計分析風電場出力分布狀況，風電集群的出力95%的時間是在風電場額定容量65%以下，出于投資回收和經濟性的考慮，目前風電場內無功補償設備的配置僅具備支撐大部分時間內的風電出力及其送出，對于風電極端出力情況下的無功電壓支撐尚無能為力。

3.2 電網短路容量的影響

電力系統的短路容量是衡量電壓穩定的一個重要指標，短路容量大的系統，系統聯系緊密，網架結構堅強，具有較高的電壓穩定性；短路容量小的系統，電網內部聯系不夠緊密，網架結構比較薄弱，電壓穩定性較低。在相同的潮流波動情況下，短路容量小的系統電壓波動比短路容量小的系統大。

大規模風電場采用的風電場分層分區接入及打捆外送的并網方式，可以有效避免在單一風電場或變電站內發生故障時引起大面積的停電事故，提高系統的可靠性。分層分區的風電場接入方式，導致電網網架結構薄弱，降低了風電接入地區電網的短路容量，也即降低了風電集中接入電網的電壓穩定性。對比瓜州風電基地周邊母線短路電流水平和甘肅主網的短路電流水平，可以發現瓜州地區同類母線短路電流只有甘肅主網的不到1／2，短路水平明顯偏低（見表2）。

風電集群接入的電網由于短路容量小，在風電出力變化時，接入點母線電壓水平波動也比較大。圖2所示風電集群在35%P的初始出力水平下，風電集群以0.98恒功率因數運行，風電集群330 kV升壓站的SVC全部投入運行，不采取其他無功電壓調節措施，當風電集群出力分別上下波動5%P和10%P時，風電集群接入的750 kV母線電壓變化如表3所示。

表2 甘肅主網及瓜州地區部分母線短路水平

表3 風電集群接入點電壓變化情況

由表3中電壓數據可以看出，隨著風電集群的有功出力增加，風電集群接入點750 kV母線電壓波動幅度較大，當風電集群有功出力變化5%P時，風電集群接入點750 kV母線電壓波動在10 kV左右，當風電集群有功出力變化10%P時，風電集群接入點750 kV母線電壓波動在20 kV左右，電壓波動幅度非常大。這也從短路容量的角度解釋了大規模風電集中接入地區電網隨風電出力變化，電壓波動比較大的原因。

4 結論

a.在短時間尺度內，風電集群各風電場有功出力具有互補性，在小時級以上的長時間尺度內，同一地區的各風電群的有功出力具有相關性。

b.風電集群并網點電壓與風電場的有功出力水平呈現正相關特性。

c.風電集群內的無功損耗分布中，69／35 kV和35／330 kV兩級升壓變的無功損耗占總無功損耗的80%左右。

d.由于風電機組無功調節容量有限，風電場升壓站中配備的無功補償設備不足于平衡風電出力水平超過65%時的無功補償需求。

e.風電集群接入的電網短路容量越大，風電集群的電壓穩定水平越高。

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Research on Reactive Voltage Characteristic of Clusters for Large?scale Wind?power

LIANG Ji?feng1，RONG Shi?yang1，QI Quan2，GENG Liang3
（1.Electric Power Research Institute of State Grid Hebei Electric Power Co.，Ltd.，Shijiazhuang，Hebei 050021，China；2.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China；3.Sate Grid Shijiazhuang Power Supply Corporation，Shijiazhuang，Hebei 050081，China）

By studying reactive voltage characteristics of clusters for large wind?power，reference for the development of wind power cluster reactive power and voltage control scheme is provided.Through the statistical analysis for Guazhou area wind power cluster actu?al active outpot，and a lot of off?line simulation，wind power clusters active output characteristics were investigated at short time scales and scales，P?V characteristics of the wind farm access point，the distribution of wind power cluster reactive power loss，the reactive power and voltage characteristics of the power grid wind power cluster access，the relationship short?circuit capacity of grid with wind power cluster voltage stability.All of which initially revealed reactive voltage characteristic clusters of large?scale wind power.

wind power clusters；Reactive power and voltage；Reactive power loss；Short?circuit capacity

TM614；TM761＋.1

A

1004－7913（2015）02－0035－03

梁紀峰（1985—），男，碩士，工程師，研究方向為電力系統運行、分析與控制。

2014－11－25）