風電場建模及其對接入電網穩定性的影響分析

王天宇

（國電奈曼風電有限公司 內蒙古自治區通遼市奈曼旗 028300）

隨著環境保護力度的加強，開始推行新能源發電方式。風力發電資源豐富，且具備綠色環保優勢，因此被廣泛應用到電力行業。發電市場發展速度加快，總裝機容量增長率超過30%。我國能源結構不合理，新能源占比小于1%，風力占有量非常低，和世界能源發展方向不同。所以，加大風力開發利用度，可以緩解電力與電煤供需緊張問題。我國風能資源豐富，且風電裝機容量達到10.625GW。

變速型風力發電機組，運行效率比較高，能夠對發電機輸出功率因數進行調整，因此被廣泛應用到風電場中，然而出力具備不可控性、波動性特點。本文注重分析風電場建模問題，并且探討其對接入電網穩定性的影響。

1 風電場模型

連接電網、風電場，深入分析電網影響、運行特點問題，為風電場模型建設奠定基礎。風電場建設，涉及到較多學科，組成包括發電機、風力渦輪機、傳動系統等。風力渦輪機，可以獲取風能，能夠獲取空氣動力學理論，為風力模型建設提供依據。在傳統系統中，涉及到風力渦輪機、發電機，連接裝置。

2 風力渦輪機模型

風力渦輪機，可以從風中獲取風能，表達式如下：

在（1）式中，V 表示風速；Vn表示額定風速；Vin表示切入風速；Vout表示切出風速；ρ—空氣密度；R—葉槳半徑；Cp—功率系數；λ—葉尖速比；β—葉槳螺旋槳。

在風力渦輪機中，功率系數為關鍵參數，能夠獲取風能效率。關聯葉尖速比、葉槳螺旋槳，形成非線性函數。遵循Betz 理論知識，功率系數最大值為0.582。

一般來說，風機設備的功率系數曲線基本相同，因此無需根據風機類別，設定相應的功率系數表達式。在此次研究中，借助Heier 方程，表示功率系數。合理設置c1～c9數值。

2.1 傳動系統模型

相比于汽輪發電機，風力發電機組傳動軸長度不足，然而軸剛度系數較低，且風力機配置齒輪箱，因此傳動軸的柔性比較強。在機組動態運行中，會產生扭轉振蕩。傳動系統數學模型，多應用等效質量塊法。在此次研究中，將傳動系統等效為風力渦輪機、低速軸。發電機轉子、高速軸，均為質量塊，采用柔性模型。注重調整傳動系統扭振方程，獲取以下方程式：

在（3）式中，KS—轉子角速度；θS—扭轉角度；TE—電磁轉矩。

2.2 風力發電機模型

針對異步風力發電機模型，為了做好準確化描述，需要遵循以下方程要求：具體如下：

在（4）式中，V'D、V'Q—暫態電動勢；X'—暫態電抗；T0—暫態開路時間常數。

3 風電對接入電網的影響

傳統方式會影響系統功率因數，還會降低母線電壓水平。因此，針對異步發電機端，注重無功補償裝置配置，選用并聯電容器時，無功補償量、機組端電壓平方，具備正相關性。系統故障時，會降低母線電壓、無功補償量，影響系統電壓水平。按照相關研究可知，通過靜止型無功補償器，使風電場獲取無功功率，確保系統處于穩定運行狀態。

當風電場位于系統邊緣位置時，將會削弱系統穩定性，同時涉及到電壓波動、波形畸變、電壓閃變等。

風力發電機組單機容量增加，在并網操作時，會沖擊影響電網，嚴重可導致系統沖擊電力水平加大，降低電壓水平，還會損傷發電機、機械部件。當并網沖擊時間比較長時，會導致電力系統瓦解，對并網機組運行危害比較大，所以必須選擇適宜并網技術。

4 實際算例分析

在此次研究中，通過用戶程序接口、C++語言，編寫風電潮流、穩定計算用戶程序，基于穩態、暫態角度，仿真分析某地區風電場。

4.1 風電場概況

A 風電場位于地區郊區，與城區距離9.5km。由于區域為山地地形，因此形成自然缺口，地處盆地走廊，風沙大。該地區為季風性氣候，以東北風為主。風場劃分為A、B 兩個場區，A 區長度為9.8km，寬度為1.9km；B 區長度為7.1km，寬度為2.4km。

風電場規劃裝機50MW，一期工程為A 區風機建設，總裝機量為21.4MW。風電場機組單機容量為750kW，屬于異步電機。

4.2 確定無功補償容量

風電場可以調節電壓、主變壓器變比，涉及到無功功率指標。風電場可以自主調節無功功率，對于變電站高壓側電壓，運行輸出功率不一致時，可控功率因數處于‐0.95～0.95。

利用異步發電機穩態方程式，注重有功功率、無功功率、轉子滑差計算，同時設置端電壓關系式，明確發電機功率因數、轉子滑差關系，如圖1所示。

圖1：發電機功率因數與轉子滑差關系圖

通過圖1 可知，當轉子滑差不足‐0.01 時，功率因數波動不明顯。發電機處于低速狀態時，會降低功率因數。轉子滑差為‐0.002 時，功率因數為0.35675。風速較低時，有功功率出力小，但是無功功率值高，電容器并聯投運，加強電網電壓值。

接入風電場，會對接入點母線電壓、功率因數造成影響。電容器投入運行后，補償無功功率補償，如表1所示。

表1：無功補償裝置計算結果

通過表1 數據可知，風力場出力30%時，接入點電壓、功率因數低，需要投入無功補償裝置3 組，使功率因數達到‐0.832；當風力場出力60%時，投入3 組無功補償裝置，將功率因數提升至‐0.866；當風力場出力100%時，投入3 組無功補償裝置，將功率因數提升至‐0.87。

4.3 風電機組并網分析

異步發電機運行時，對機組調速精度要求低，也不用同步操作設備，合理控制發電機轉速、同步轉速，確保轉速相等，提升并網運行效果。風電場運行時，需要啟停機組，再檢修風機故障，同時分析單臺機組、電網沖擊影響關系。發電機組并網之前，兩側母線電壓值如表2所示。

表2：并網前兩側母線電壓值

在風電場中，當 t=2s 時，風機與電網并聯，引發沖擊電流，電流值約為穩定狀態的4.8 倍。電網運行產生影響，加快風力發電機轉子速度，在1 個搖擺周期后，以發電狀態位置，同時將傳輸功率傳輸至系統。

風電場、系統側母線電壓幅值、頻率相同時，會增加電壓相角差。風電機組并網時，沖擊電流比較高。風電場、系統側母線電壓相差180°，風電場并網后，沖擊電流達到最大值，等于穩態狀態9.5 倍。

4.4 風電場接入對電網穩定性分析

風電場暫態穩定，是系統在運行狀態下遭受大干擾影響，恢復至原有狀態。合理選擇風電場、電網聯絡線。出現故障問題后，風電場電壓，如圖2所示；電流曲線，如圖3所示。

圖2：故障時的電壓曲線

圖3：故障時的電流曲線

圖2所示可知，切除故障后，風電場電壓為0.8，則恢復正常狀態。故障影響危害后，會降低電網穩定性。通過圖3 可知，風電場、系統聯絡線，面臨三相接地短路故障，增加短路電流幅值。切斷故障后，減幅震蕩處理，逐漸恢復穩定。通過計算可知，采用剛性模型計算后，傳動系統可以獲得理想結果。

5 結束語

綜上所述，本文針對風電場實施建模分析，建設空氣動力模型、傳動系統模型、風力發電機模型。聯合某地區風電場實況，仿真分析電網不良影響。結果顯示，對于風電機組而言，功率因數、轉子轉速的指標相關性高。處于低速狀態時，功率因數下降；高速狀態下，功率因數上升，但是變化幅度不明顯。并網后，電流幅值為穩態狀態9.5 倍。