一種風電場無功能力評估方法

李雍睿，付百令，張冠鋒，趙清松

（1.國網遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006；2.吉林松江河水力發電有限責任公司，吉林 通化 134500；3.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006）

一種風電場無功能力評估方法

李雍睿1，付百令2，張冠鋒3，趙清松3

（1.國網遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006；2.吉林松江河水力發電有限責任公司，吉林 通化 134500；3.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006）

為精確評估風電場的無功輸出能力，從電網需求和風電場實際運行情況出發，建立了風電場接入系統仿真模型；以風電場并網電壓為約束條件，評估風電場無功安全裕度，給出了風電場全工況運行模式下的無功裕度限值表，為風電場并網點的無功電壓管理提供依據。

風電場；無功功率；評估

隨著風電在電力能源結構中占的比例越來越高，大規模風電場集中并網，電網的運行特性受到嚴重影響。風能具有隨機性和不可控性，使得風電場有功出力和無功功率具有波動性，進而風電場與電網相連的線路或電網中的送電通道上的潮流和無功功率不斷改變，影響電網電壓質量和電壓穩定性，經長距離與電網相連的風電場更為突出，因此風電場的無功補償對調節接入電網電壓的穩定性就顯得尤為重要［1］。

目前，大多數風電機組采用大功率四象限電力電子變流器與電網連接，通過變流器控制可以實現有功、無功功率解耦，其自身無功調節能力可以應用于風電場的無功功率調節［2－3］。此外并網的風電場須配備無功補償設備，通過對風電機組和無功補償設備協調控制實現整個風電場無功功率調節，從而滿足電網對風電場的無功要求［4］。

針對風電場無功功率運行特性及控制策略已有大量研究，風電場無功能力評估卻未見報道，然而為了更好地實現風電場進行無功和電壓控制，電網公司已逐漸開始實施所管轄電網內風電場無功功率管理，以達到減少電壓波動，提高電壓合格率的目的。本文結合電網需求和風電場實際運行情況，提出了一種風電場不同工況運行下的風電場無功能力評估方法，評估了風電場無功輸出能力，制定了不同工況運行下無功出力限值表，為風電場無功調度管理提供了理論依據。

1 風電場有功出力與電壓穩定性分析

在電力系統分析中，從并網點看進去風電場可以用1個等效的感應發電機來代替。圖1描述了1個理想風電場并網點的有功功率P和無功功率Q關系，并網點電壓V是P和Q的函數，通常用PV曲線來描述該點的有功功率和電壓的關系。風電場運行在恒功率因數方式下的PV曲線可以通過曲面V（P，Q）和垂直平面Q＝Ptanφ相交得到。

圖1為風電場運行在4種不同功率因數情況下的PV曲線。曲線1，2，3分別為滯后功率因數的感性負載曲線，曲線4為超前功率因數的容性負載曲線。未超出電壓限制Vmin時，隨著功率因數的增大，有功功率P越大。相對于某一PV曲線，隨著風電場有功功率輸出的增加電壓會降低，當有功功率達到Pmax時電壓會崩潰。以曲線3為例（功率因數為1），a點電壓為正常運行值，b點電壓為風電場并網運行的最低限制值，而c點處的電壓過低而崩潰。由曲線4可知，功率因數超前時可能會出現過電壓問題。電壓穩定性反映了系統維持電壓穩定性的能力，當負荷導納增大或者功率增大時，功率和電壓都是能控的。電壓崩潰是一個動態過程，其所帶來的擾動非常大。當風電場發生故障時，會導致等效的發電機阻抗X發生變化，最終使風電場最大有功和無功輸出能力受到影響。因此，就系統可靠性角度而言，在各種不同的故障情況下，防止電壓崩潰可以通過在發生故障后提供足夠的有功和無功功率儲備以及在最惡劣情況下切除部分有功和無功負荷實現。

圖1 不同功率因數的PV曲線

2 風電場無功功率調節過程

風電場無功控制系統應該能夠調節現有無功補償設備容量范圍（包括風電機組和無功補償裝置），實現動態的連續調節維持并網點電壓穩定，其調節速度應能符合系統電壓調節的規定。風電場參與電壓調節的手段主要包括調整風機自身的無功出力、調節動態無功補償裝置的無功出力、調節風電場有載變壓器分接頭位置，并按照電網調度機構的指令進行相應的調整［4－6］。整個風電場無功功率調節原理如圖2所示。

圖2 風電場整體無功調節方案圖

3 風電場中無功功率負荷

風電場的無功損耗主要包括發電機無功損耗、變壓器無功損耗（風電機組箱變和風電場主變壓器）、輸電線路無功損耗（集電線路和風電場送出線路）3部分［7－9］。

a.發電機無功損耗

風電場風電機組主要由感應發電機（不考慮永磁同步發電機）組成，發電機在風電場或電力系統負荷中占的比重較大，風電場無功負荷的電壓－無功特性主要由發電機決定，感應發電機消耗的無功功率QM為

式中：Qm為勵磁功率；Qσ為漏抗功率；Xm為勵磁電抗；Xσ為漏電抗；U、I分別為機端電壓和電流［7］。

b.變壓器無功損耗

風電場的變壓器損耗為所有箱變損耗和主變壓器損耗的總和。變壓器的無功損耗QLT包括空載損耗（勵磁損耗）ΔQo和漏抗中的損耗ΔQT，即：

式中：I0%為空載電流；US%為短路電壓；PN、UN分別為額定功率和額定電壓；S、U分別為變壓器的功率和電壓；BT為變壓器的對地電納；XT為變壓器的電抗。勵磁功率大致與電壓的二次方成正比，漏抗中損耗的無功功率與電壓的二次方成反比，因此變壓器的無功損耗電壓特性與感應發電機相似。

c.輸電線路的無功損耗

風電場輸電線路無功損耗為集電線路損耗和送出線路損耗。針對高電壓、長距離并網的風電場，線路電納影響較明顯，所以本文采用Π形等值電路表示輸電線路，線路串聯電抗的無功損耗ΔQL與線路流通電流的二次方成正比，即：

式中：P1、P2、Q1、Q2分別為線路首末兩端的有功功率和無功功率；U1、U2分別為首末兩端的電壓；X為線路的電抗。

線路對地電容的充電功率與電壓二次方成正比，與線路無功損耗負號相反。

線路的無功總損耗為

4 風電場無功能力評估分析

基于風電場無功功率負荷數學模型，搭建風電場的Matlab仿真程序，結合風電場電壓穩定性與無功能力的關系，進行風電場并網點的無功輸出能力評估，風電場參數信息如表1所示。

不同電壓和有功出力情況下風電場容性無功能力輸出能力QWF1＝QSVG（SVG容性無功出力）＋QFC（電容器組容性出力）＋QG（風電機組容性無功）＋ΔQB（集電線路充電功率）－QM（發電機組無功損耗）－QLT（主變損耗＋箱變損耗）－ΔQL（集電線路無功損耗），仿真結果如圖3和表2所示。

計算結果包含了風電場在不同電壓水平下的容性無功輸出能力，本文采用在不同電壓水平下的風電場最小容性無功輸出能力作為考核指標，得到風電場應當具備如表3所示的容性無功調節能力。

由表3可知，在不考慮風電場并網點電壓情況下，對應不同的有功出力，風電場應具備的最小容性無功輸出能力，保證并網點或風電場發生故障時，能夠提供一定的無功支撐。

表1 風電場主要設備參數

不同電壓和有功出力情況下風電場感性無功輸出能力QWF2＝QSVG＋QG＋ΔQB＋QM＋QLT＋ΔQL，仿真結果如圖4和表4所示。

計算結果包含了風電場在不同電壓水平下的感性無功輸出能力，得到風電場應當具備如表5所示的感性無功調節能力，表明在不同電壓水平下的風電場應具備最小感性無功輸出能力。

通過對風電場不同出力及電壓水平下的無功輸出能力計算可知，風電場在零出力的情況下風電場無功輸出能力為－4.61～7.63 Mvar，風電場在滿出力的情況下無功輸出能力為－28.13～10.07 Mvar。

表2 不同電壓和有功出力情況下風電場容性無功輸出能力Mvar

表3 風電場容性無功輸出能力

表4 不同電壓和有功出力情況下風電場感性無功輸出能力Mvar

表5 風電場感性無功輸出能力

圖3 不同電壓和有功出力情況下風電場容性無功能力輸出能力

圖4 不同電壓和有功出力情況下風電場感性無功輸出能力

5 結束語

本文針對風電場無功能力評估問題，建立了風電場無功功率負荷與電源模型，提出不同工況無功充裕度評估方法，全面評估了風電場無功輸出能力，給出風電場不同工況運行下無功出力限值，為調度控制中心對風電場無功管理提供了理論依據。

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An Assessment Method of Wind Farm's Reactive Power Capacity

LI Yong?rui1，FU Bai?ling2，ZHANG Guan?feng3，ZHAO Qing?song3
（1.State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China；2.Jilin Songjianghe Hydropower Co.，Ltd.，Tonghua，Jilin 134500，China；3.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyng，Liaoning 110006，China）

In order to accurately asses the reactive power output capacity of wind farm，this paper establishes wind farm simulation model based on the demand of grid and actual operation of wind farm.With voltage constraints of wind farm，assessing windfarm reac?tive safety margin，wind farm reactive margin limit tables of all operating conditions are proposed which provides basis for reactive volt?age management of connected wind farm.

Wind farm；Reactive power；Assessment

TM614

A

1004－7913（2016）08－0018－04

李雍睿（1984—），男，學士，工程師，從事電力市場負荷預測及調度運行技術研究工作。

2016－05－10）