高比例風電接入的電力系統靜態電壓穩定控制策略分析

摘要：作為一種可再生能源，風電一定程度上解決了國家用電需求高漲的問題，但高比例風電并網后電力系統的穩定控制問題，尤其是靜態電壓穩定性問題日益突出。為穩定控制高比例風電接入的電力系統靜態電壓，首先對靜態電壓穩定性進行分析，并結合內蒙古某市電網實例，采用P-V曲線連續潮流法，根據高比例風電接入系統的負荷裕度計算，提出無功補償和發電機機端電壓調整兩種適合該電力系統的靜態電壓穩定性控制策略。結果表明，采用無功補償和發電機機端電壓調整策略后，該電力系統靜態電壓穩定負荷裕度均有明顯提升。

關鍵詞：高比例;風電接入;電力系統;靜態電壓穩定;控制

中圖分類號：TM712.2" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2023）15-0015-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.15.004

0" " 引言

隨著能源危機不斷加劇，為實現能源可持續利用，國家正大力推行可再生能源戰略?？稍偕茉窗ㄋΠl電、風力發電和光伏發電，其中，風力發電是可再生能源中發展最快的[1]，風力發電的廣泛應用在一定程度上解決了能源短缺問題。風力發電具有出力隨機性和不確定性，接入規模小時，其對電力系統基本不會造成影響;而高比例接入電力系統后，會給電力系統的安全穩定運行帶來諸多問題[2]。隨著高比例風電接入，電力系統電壓穩定問題凸顯。由于電力系統靜態電壓穩定性分析是一個尋找電壓穩定平衡點的過程，因此，研究高比例風電接入的電力系統靜態電壓穩定性，就是研究潮流方程是否存在可行解的問題[3]。

1" " 風電發展現狀及問題所在

風電是一種可再生的潔凈能源，具有造價低、可靠性高、發電方式多樣化和運行維護簡單等優點，在國內外電力系統中都有廣泛應用，并且呈現出日益增長的發展趨勢[4]。近年來，作為我國電力系統中的新能源，風電并網容量逐漸增加。2014年，我國風電裝機容量達到114 GW，隨著多年的不斷發展，截至2021年底，風電裝機容量已達328.48 GW，成為實現國家“雙碳”戰略目標的重要手段之一[5]。但是，高比例風電接入的電力系統存在一個慣量缺失的問題，無法提供足夠的頻率支撐，電力系統的穩定性受到嚴峻挑戰。目前，我國為了保證風電機組不對主網的穩定性造成太大影響，對于接入不同電壓等級的風電機組輸出的電能都有一定的要求，以使輸出電能的電壓、頻率波動控制在統一的標準，如表1所示。

2" " 高比例風電接入的電力系統靜態電壓穩定性分析

2.1" " 高比例風電接入對電力系統電壓穩定的影響

電壓穩定是指在給定的初始運行條件下，電力系統受到一定程度的擾動后，所有母線保持穩定電壓或恢復到容許范圍內的能力，主要取決于電力系統功率是否平衡。根據系統受到擾動的大小，可以將電壓穩定分為大擾動穩定和小擾動穩定兩種，即：靜態電壓穩定和暫態電壓穩定。電壓一旦處于不穩定狀態，將會給電力系統的穩定運行帶來威脅。隨著風力發電的蓬勃發展，高比例風電接入并網已是大勢所趨，但風速具有隨機性、波動性，這就降低了電力系統的安全穩定性[6]。另外，風力發電接入位置通常在電力系統的末端，當風電出力發生變化時，將導致電力系統出現短期電壓失穩問題。因此，研究高比例風電接入電力系統后的靜態電壓穩定問題，對保障電力系統安全、可靠運行具有重要意義。

2.2" " 靜態電壓穩定性分析

高比例風電接入電力系統后，研究靜態電壓穩定性只需分析風電特性對系統帶來的影響?；赑-V曲線研究系統負荷裕度，當系統承受負荷及故障擾動時，通過各類特征判斷當前狀態是否穩定。計算P-V曲線的常用方法是連續潮流法，它可以準確計算不同負荷下的潮流解。

2.2.1" " P-V曲線

通過P-V曲線可以直觀分析靜態電壓穩定情況[7]。在P-V曲線中，P代表負荷節點的有功功率，V代表負荷節點的電壓幅值，（P0，V0）為當前運行節點，（Pmax，V1）為穩定臨界點，Pmax為負荷極限功率，Pmax與P0差值為有功裕度，如圖1所示。P-V曲線上半支電壓是穩定的;P-V曲線下半支是電壓不穩定區域，主要表現為負荷節點有功功率增大時，節點的母線電壓也會增大，電壓控制失去因果性，故此區域靜態電壓穩定性存在問題。

2.2.2" " 雙饋異步風機

雙饋異步風機采用變速恒頻發電技術[8]，通過變流器連接系統，其兩個變流器可在整流和逆變的狀態下運行，實現有功和無功功率解耦控制，具有一定的無功調節能力，靜態等效電路如圖2所示。但該風力發電機易受電網故障影響，結構如圖3所示。由于雙饋異步風機能夠保持恒電壓運行，因此，變速風電機組可以看作P-V節點，對其進行連續潮流計算處理。

2.2.3" " 靜態電壓穩定分析方法

由于常規潮流法在電壓崩潰點外無解，利用連續潮流法的負荷參數和預估校正技術，在計算過程中不斷更新潮流方程，準確得到潮流解。隨著系統負荷的不斷變化，連續潮流法順著負荷變化的方向追蹤P-V曲線，并對下一個工作節點進行預估、校正，直到整條P-V曲線勾畫完成。參數化的連續潮流方程如公式（1）所示：

式中：Pi為節點i的電源有功功率;Qi為節點i的無功功率;PWG，i為風電場注入節點i的有功功率;QWG，i為風電場注入節點i的無功功率;Vi為節點i母線的電壓;Vj為節點j母線的電壓;Gij為節點i與j之間電動勢;θij為節點i與j之間夾角;Bij為節點i與j之間導納;λ為負荷裕度;ΔPGi為風電場注入節點的有功功率;ΔPWG，i為風電場有功出力的變化;ΔQWG，i為風電場無功出力的變化;ΔPLi為發電機注入節點功率增長方向;ΔQLi為發電機注入節點負荷功率增長方向。

3" " 高比例風電接入的電力系統靜態電壓穩定控制策略

3.1" " 電力系統案例

以內蒙古某市電力系統為例，該電力系統主網架由500 kV線路組成，有500 kV變電站1座、220 kV變電站10座、風電場8座，風力發電量1 200 MW。風電場由220 kV匯集站接入電網的邊緣地區，對風電場匯集站靜態電壓穩定性進行分析。風電接入電力系統后，改變了系統的電源分布及潮流方式，因此，對系統的電壓控制提出了不同的要求。

3.2" " 靜態電壓穩定負荷裕度

假設該電力系統負荷不斷增加，利用連續潮流法，計算得出系統中每個運行節點的P-V曲線，根據電壓穩定負荷裕度指標分析靜態電壓穩定性。電壓穩定負荷裕度指標計算如公式（4）所示：

對比上述兩次負荷裕度計算結果，風電場接入后的負荷裕度比未接入風電場稍高，證明該系統不需要從電網吸收無功，風電接入后還可以為原電網提供一定的無功功率。因此，高比例風電接入后，該電力系統靜態電壓穩定性變好，究其原因，是所有風電場均采用了雙饋異步風機。

3.3" " 靜態電壓穩定性控制策略

為了更好地運行管理電力系統，應考慮合理的策略以提高靜態電壓穩定性。根據該電力系統的實際情況，對其提出了無功補償和發電機機端電壓調整兩種策略。

3.3.1" " 無功補償

從靜態電壓穩定的角度來看，為了提高電力系統的無功支撐能力，配備無功電源是改善部分無功不足的重要方法，它可以增加輸電系統無功補償，使電力系統中各母線電壓維持在較高狀態。因此，對該電力系統的風電場裝設50 Mvar、80 Mvar固定無功補償設備，再對其電壓穩定性進行分析，得出配備了固定無功補償設備之后的P-V曲線，通過軟件得出，負荷裕度分別增加了14 MW和19 MW，靜態電壓穩定性均有一定的提高，使用80 Mvar固定無功補償設備比50 Mvar固定無功補償設備的效果明顯，證明了無功補償設備的容量越大，越有利于靜態電壓穩定性提升。因此，風電場接入區域及沿線需要配備無功補償設備。

3.3.2" " 發電機機端電壓調整

在風電接入的電力系統中，風電機組出力會引起電網電壓波動，因此，有必要調整風電機組出力配合電力系統內其他電源。調整風電機組出力可以通過調整發電機機端電壓實現，下面研究該方法對電力系統靜態電壓穩定性的影響。將電力系統中所有雙饋異步風機的機端電壓提高0.02 p.u.和0.05 p.u.，并對比負荷裕度的提升效果。當機端電壓提高0.02 p.u.時，負荷裕度提高了27 MW，由原來的747 MW提高到774 MW;當機端電壓提高0.05 p.u.時，負荷裕度提高了65 MW，由原來的747 MW提高到812 MW。通過負荷裕度的提升數據可以得出，提高機端電壓實際是提高了發電機的有功功率，實現了負荷裕度的最大化，同時，還提升了無功功率的輸出，兼顧了發電機出力成本與負荷裕度，可以很好地提高電力系統的靜態電壓穩定性。

4" " 結論

風電作為典型的可再生能源已經得到了廣泛應用，高比例風電接入的電力系統電壓穩定性將會受到影響，因此，需要制定出科學合理的控制策略，從而為電力系統電壓穩定運行奠定良好基礎。

本文以內蒙古某市電網為例，對高比例風電接入的電力系統靜態電壓穩定性進行研究，得出以下結論：1）P-V曲線可以提供電壓穩定性的重要信息，選取P-V曲線計算方法具有重要意義，連續潮流法使用了負荷參數和預估校正技術，因而是求取P-V曲線的有效方法;2）該電力系統高比例風電并網，由于所有風電場均采用了雙饋異步風機，負荷裕度稍高，靜態電壓穩定性變好;3）針對靜態電壓穩定性控制策略，根據該系統的實際情況，選擇了無功補償和發電機機端電壓調整，負荷裕度均有明顯提高，且無功補償設備容量越大，效果越明顯，同理，發電機機端電壓升高越多，負荷裕度增大效果越好。

[參考文獻]

[1] 林躍.風電并網對電力系統電壓穩定性影響的探析[J].科技風，2022（1）：160-162.

[2] 常平.高比例風電接入下風電場無功電壓控制策略研究[D].南京：東南大學，2021.

[3] 樊千惠.風電并網的穩定性研究[D].太原：山西大學，2021.

[4] 林俊杰.大規模風電并網對湛江電網運行特性影響分析[D].廣州：華南理工大學，2020.

[5] 黨媛.大規模風電并網對電力系統電壓穩定性影響的研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2020.

[6] 劉湃.風電機組低電壓穿越無功支撐控制及其穩定性分析[D].濟南：山東大學，2020.

[7] 楊志越，牛華寧.風力發電接入電網中的電壓無功控制問題研究[J].電力設備管理，2018，20（5）：55-56.

[8] 李宏偉，任凱德，李帥兵，等.新型風電機組并網電壓的穩定性分析[J].蘭州交通大學學報，2020，39（3）：54-59.

收稿日期：2023-04-10

作者簡介：李鵬年（1982—），男，甘肅古浪人，高級工程師，從事電力研究工作。