風電與柔性交流輸電系統優化選址對配電網電壓穩定的影響分析

曹 紅，姜 萌，陳 俊，張晶晶，曹 輝

(1. 國網上海市電力公司松江供電公司，上海 201600；2. 國網上海市電力公司青浦供電公司，上海 201707)

與其他清潔能源相比，風力發電技術開發規模在逐漸增大的同時，其開發成本卻相對較低，較成熟的技術優勢使其逐漸成為我國能源結構的重要環節。風速的隨機波動性，導致風電場接入配電網會對系統潮流以及電壓穩定等造成明顯影響[1]，因此對接入配電網的風電場選址和無功補償的研究都具有重要的意義。

目前，國內外研究者對配電網的風電接入和無功補償的研究已經取得了一定成果。文獻[2]通過搭建33節點配電系統研究了隨機風速下風電場的選址定容問題。文獻[3]通過建立三機九節點系統分析柔性交流輸電系統(Flexible AC Transmission System，簡稱FACTS)裝置對電力系統電壓穩定性分析發現靜止同步補償器(Flexible AC Transmission System, 簡稱STATCOM)模型能有效提高系統的電壓穩定水平。文獻[4]在Matlab/Simulink平臺搭建了仿真模型分析系統故障下，對比分析了投入靜止無功補償器(Staticvar Compensttor，簡稱SVC)前后系統到動態穩定性的變化情況，仿真發現故障發生后SVC能夠有效減少系統故障恢復時間。文獻[5]建立數種FACTS裝置模型，研究各無功補償裝置對系統電壓穩定性的影響。這些研究均有側重點，本文主要研究測試系統配電側并入風電場和SVC、STATCOM對系統電壓穩定的影響。

1 電壓穩定性的定義和影響因素

電力系統具有復雜的非線性特性，其穩定性影響因素復雜。如果負荷導納增大時，負荷消耗的功率增加，功率和電壓均可控，并且系統能維持電壓則稱系統電壓穩定；反之就稱系統電壓不穩定。

隨著區域互聯、電壓等級升高等發展，現代電力系統面臨著諸如電壓不穩定或電壓崩潰等威脅電網穩定運行的安全隱患。電力系統無功不平衡對電力系統電壓有著負面影響，易造成電壓失穩。注入母線的無功功率決定了單條母線的負荷參數。當系統運行到最大負載點或電壓崩潰點時，系統的有功和無功損耗將大大增加，此時可以通過特定母線向系統提供所需無功支撐以降低系統損耗。

電壓崩潰的研究和相關的工具通常是基于以下微分代數方程研究：

(1)

式中x=[x1，x2，…，xn]T——系統狀態向量；u=[u1，u2，…，ur]T——系統輸入向量；y=[y1，y2，…，ym]T——系統輸出向量；f，g——x和u的非線性方程組。

基于式(1)，電壓崩潰點可以定義為系統運行在平衡節點時系統的雅可比矩陣是奇異的。即運行點(x1，u1)存在以下關系：

(2)

式(2)中運行點(x1，u1)即為鞍結分岔(Saddle-Node Bifurcation，簡稱SNB)點。連續潮流(CPF)是廣泛使用的電壓崩潰分析方法，本文所采用的連續潮流算法是通過母線所接負荷容量的平滑變化實現的。

2 FACTS裝置建模

本文研究的FACTS裝置為SVC和STATCOM兩種無功補償裝置，分析其對含風電系統配電側電壓穩定的影響。因此本文需要針對SVC和STATCOM進行建模研究。

SVC模型是電力系統靜止無功調節裝置，可以調節節點電壓等系統特定參數。SVC的穩態等值電路可以表示為一個可變電納。本文所采用SVC模型如下：

(3)

式中bSVC——等效總電抗；Kr——穩定器時間常數；Vref——參考電壓；V——母線實際電壓；Tr——時間常數。

該SVC模型注入節點無功功率：

Q=-bSVCV2

(4)

式中Q——SVC注入系統無功功率。

本文所采用的STATCOM模型是電流注入類模型。節點電壓非常低是依然能夠為系統提供電容式無功功率，其能夠產生最大的電容功率與節點電壓無關。在系統出現故障或電壓崩潰等不利情況時，STATCOM模型可仍然有效調節無功功率。

STATCOM模型的電流始終保持與母線電壓矢量的正交，因此交流系統和STATCOM模型之間的只存在無功功率轉換。STATCOM模型電流和注入無功功率，分別為

(5)

式中iSH——STATCOM輸出電流；KR——穩定器時間常數；VREF——參考電壓；V——母線實際電壓；TR——時間常數。

Q=-iSHV

(6)

式中q——STATCOM模型輸出無功功率。

SVC和STATCOM均可為IEEE-14節點系統提供足夠的無功功率支撐，以保障系統的電壓穩定。

3 仿真分析

采用IEEE-14測試系統分析配電網電壓穩定影響系統的電壓穩定，該測試系統包括14條母線，2臺發電機、3臺同步補償器，16條線路，4臺變壓器和11處負載。IEEE-14測試系統結構如圖1所示。

圖1 IEEE-14測試系統

本文主要通過3個參數的對比，選定風電場以及FACTS裝置最佳接入位置，分別為弱母線靈敏度指數、連續潮流電壓分布以及系統P-V曲線，根據3種分析結果對比選出最優接入點弱母線靈敏度指數[6](Weakest Bus Sensitivity Index，簡稱WBSI)是用來選取可再生能源和FACTS最佳接入位置有效選擇方法，系統各線路WBSI值如表1所示。

表1 系統各線路WBSI值

從表1中可以看出，線路(12-13)，(9-14)，(14-13)對系統的穩定更加敏感。

連續潮流(Continuation Power Flow，簡稱CPF)電壓分布是分析系統電壓穩定的有效方法，對最弱電壓幅值節點電壓補償是提高系統電壓穩定的有效方法。系統CPF電壓幅值分布如圖2所示。

圖2 IEEE-14測試系統CPF電壓幅值分析

從圖2中可以看出，9，10，11，12，13和14都是電壓幅值較低節點。在這些節點中，節點14為最弱的電壓分布，最弱母線電壓幅值(標幺值)為0.686 5.

P-V曲線是分析系統極限功率的重要研究手段，通過計算電壓和負載之間的關系，獲得電壓崩潰時系統最大接入負載。

測試系統的部分弱節點PV圖如圖3所示。

圖3 IEEE-14測試系統的部分弱節點PV圖

從圖3可以看出，該系統提出了一個最大負荷點(Maximum Load Point，簡稱MLP)，即保持系統電壓穩定的接入最大負荷為(標么值)2.37。

結合系統WESI、電壓幅值以及P-V曲線參數對比，選擇在母線14處接入風電場提高系統的電壓穩定性。系統中連接到所選總線的風電場。風電場包括30個風力渦輪機發電機的總容量為30 MW。替補風電場是通過母線15接入總線14。

為雙饋開步風力發電機(Double Fed Induction Generator, 簡稱DFIG)接入14號節點時，系統臨界母線的P-V曲線圖如圖4所示。對比圖3和圖4可以發現，DFIG風電場的接入使得系統各母線最大負荷均有所增，其中14號母線的λ值從2.37增加到了2.62，這主要是因為DFIG風電場能夠為系統提供部分無功支撐，從而改善了系統電壓穩定特性。

圖4 含風電 IEEE-14測試系統

為保障風電場的穩定運行狀態，目前廣泛采用的是FACTS設備提高電壓穩定極限值。本文主要對比SVC和STATCOM裝置對系統穩定性的影響。IEEE-14風電系統投入SVC和STATCOM裝置后，系統部分節點P-V曲線圖如圖5和圖6所示。

圖5 投入SVC含風電IEEE-14系統PV圖

圖6 投入STATCOM裝置含風電IEEE-14系統PV圖

從圖5和圖6中可以看出，投入SVC和STATCOM裝置后，系統最大接入負荷(標幺值)分別為2.675和2.690。

IEEE-14系統14節點P-V曲線對比圖如圖7所示。圖7中，STATCOM系統的MLP是最高的，并且電壓降是最低的。很明顯，風電的接入和STATCOM、 SVC裝置的投入使得IEEE-14系統具備了更好、最大的負載裕度，系統電壓穩定性得到大幅提升。

圖7 IEEE-14系統14節點PV曲線

4 結語

本文主要分析了DFIG以及FACTS裝置接入IEEE-14節點系統對配電側電壓穩定影響分析。通過仿真結果分析表明：風電系統有效改善了配電網絡的電壓穩定性，并且FACTS裝置同樣改善了系統電壓穩定，STATCOM對最大負載系數的優化效果優于設置SVC的配電網絡。本文的研究結果將對配電網絡風電系統就地消納和無功補償提供參考。