并網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)電機(jī)組電壓穩(wěn)定性分析

肖 春，韓肖清，王康寧

（1.太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.山西省電力科學(xué)研究院，山西 太原 030024）

并網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)電機(jī)組電壓穩(wěn)定性分析

肖 春1，韓肖清1，王康寧2

（1.太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.山西省電力科學(xué)研究院，山西 太原 030024）

分析了并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組對(duì)電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的影響。從靜態(tài)電壓穩(wěn)定性角度，將風(fēng)電機(jī)組等效成隨風(fēng)速變化的有功和無功電源，分析了風(fēng)電機(jī)組的控制方式、無功功率出力對(duì)電壓穩(wěn)定性的影響。動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的研究中，采用IEEE39節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)，仿真結(jié)果表明：在提高電壓穩(wěn)定性方面，恒電壓控制比恒功率控制具有明顯的優(yōu)越性。

電壓穩(wěn)定；并網(wǎng)運(yùn)行；風(fēng)電機(jī)組；極限傳輸功率

0 引言

風(fēng)能作為一種清潔、可再生的能源，得到迅速發(fā)展。隨著大規(guī)模風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)接入電力系統(tǒng)，會(huì)給電網(wǎng)的電能質(zhì)量、穩(wěn)定運(yùn)行帶來影響，研究風(fēng)電機(jī)組接入電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題［1－3］迫在眉睫。電壓穩(wěn)定性［3］是電力系統(tǒng)在正常情況下或遭受擾動(dòng)之后所有節(jié)點(diǎn)維持可接受電壓的能力。當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)而進(jìn)入電壓不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，負(fù)荷需求的增加或系統(tǒng)狀態(tài)的變化將引起電壓不可控的連續(xù)下降。引起電壓失穩(wěn)的主要因素是電力系統(tǒng)無功功率的嚴(yán)重不足。因此，研究并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組的系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性很有實(shí)用價(jià)值［4－6］。文獻(xiàn)［2］總結(jié)了國(guó)內(nèi)外對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的研究現(xiàn)狀，提出需要深入研究電壓穩(wěn)定性。文獻(xiàn)［7］在PSCAD／EMTDC平臺(tái)上建立仿真模型，研究了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)后系統(tǒng)的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)［8］基于雙饋風(fēng)機(jī)的T型等值模型［9］，通過PSASP軟件仿真，表明對(duì)雙饋風(fēng)電機(jī)組采用恒電壓控制的優(yōu)勢(shì)。但是都沒有涉及對(duì)線路極限傳輸功率的研究，對(duì)功角穩(wěn)定性的研究也比較有限。

本文將風(fēng)電機(jī)組等效成隨風(fēng)速變化的有功和無功電源，研究風(fēng)電機(jī)組的電力系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，分析了風(fēng)電機(jī)組的控制方式、無功出力對(duì)線路極限傳輸功率的影響。采用美國(guó)邦納維爾電力局公司和中國(guó)電力科學(xué)研究院共同開發(fā)的BPA程序，對(duì)風(fēng)電機(jī)組和常規(guī)同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行特性進(jìn)行分析對(duì)比。

1 電壓穩(wěn)定性

電壓穩(wěn)定性可以通過P-V曲線進(jìn)行描述，如圖1所示，即系統(tǒng)的傳輸功率與負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓之間的關(guān)系。圖1中，P表示某負(fù)荷節(jié)點(diǎn)功率，V表示母線的電壓。P-V曲線的上半支是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)，下半支是不穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)，而P-V曲線的上半支向下半支過渡時(shí)的拐點(diǎn)，為電壓穩(wěn)定的臨界點(diǎn)。

為保證電力系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定地運(yùn)行，對(duì)電壓會(huì)有一定的限制，本文以電壓不超出±0.05為要求，提出了電壓的穩(wěn)定裕度，如圖2所示，圖2中，Pmax、Vmax為最大功率點(diǎn)，定義V＝0.95時(shí)的功率為系統(tǒng)的允許功率Pallow。因此，為保證系統(tǒng)運(yùn)行有一定的穩(wěn)定裕度，傳輸功率只能小于等于Pallow。

2 風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)定性分析

2.1 靜態(tài)穩(wěn)定性分析

根據(jù)風(fēng)電機(jī)組的工作原理，將風(fēng)電機(jī)組等效地用隨風(fēng)速變化的有功和無功電源表示，如圖3所示，

圖1 負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的注入有功功率與電壓之間的關(guān)系

圖2 穩(wěn)定裕度

圖3中，PWT為風(fēng)電機(jī)組注入電網(wǎng)的有功功率；QWT為風(fēng)電機(jī)組注入電網(wǎng)的無功功率，分別見式（1）和式（2）；UWT為風(fēng)電場(chǎng)出口電壓；GWT為可變電導(dǎo)；BWT為可變電納。

當(dāng)變頻器電流到達(dá)極限時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以看成是電流一定的恒電流源，其導(dǎo)納有如下關(guān)系：

圖3 風(fēng)電機(jī)組等效電路

此時(shí)，電流達(dá)到變頻器最大電流，風(fēng)電機(jī)注入電網(wǎng)的電流為：

2.2 動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析

風(fēng)電機(jī)組控制方式有恒功率因數(shù)控制和恒電壓控制兩種。當(dāng)按恒功率控制時(shí)，即風(fēng)電機(jī)組的電導(dǎo)和電納隨端電壓變化而變化；當(dāng)按恒電壓控制時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的電導(dǎo)和電納隨功率因數(shù)的變化而變化。

對(duì)于風(fēng)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)仿真，需要研究風(fēng)電機(jī)組的特性。例如，變速恒頻風(fēng)電機(jī)組通過變頻器與電網(wǎng)相連，電力電子元件對(duì)過電流非常敏感，當(dāng)電網(wǎng)故障時(shí)，變頻器的控制器會(huì)立即發(fā)現(xiàn)，為了保護(hù)變頻器，變速風(fēng)機(jī)會(huì)與電網(wǎng)分裂，從而引起大范圍的電壓降落，甚至?xí)绊懙秸麄€(gè)系統(tǒng)。為此，根據(jù)《國(guó)家電網(wǎng)公司風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》，風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越要求為：“風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組具有在并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落至20%額定電壓時(shí)能夠保持并網(wǎng)運(yùn)行625 ms的低電壓穿越能力”。

為了準(zhǔn)確描述風(fēng)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)性能，本文采用BPA計(jì)算程序，給出了風(fēng)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)模型，如圖4所示，主要包括發(fā)電機(jī)、變頻器模塊，電氣控制模塊和渦輪機(jī)及其控制模塊。

圖4 風(fēng)電機(jī)組動(dòng)態(tài)模型

3 算例分析

3.1 靜態(tài)分析仿真系統(tǒng)

將如圖5所示電壓穩(wěn)定性測(cè)試系統(tǒng)［10］中節(jié)點(diǎn)3的同步發(fā)電機(jī)組用同容量的風(fēng)電機(jī)組代替后的系統(tǒng)，作為風(fēng)電機(jī)組穩(wěn)態(tài)分析的算例系統(tǒng)。簡(jiǎn)化后的等值電路如圖6所示。

圖5 仿真算例系統(tǒng)

圖6中，從負(fù)荷兩端向左看去，進(jìn)行戴維南等效，則等值電勢(shì)和等值阻抗分別為：

式中，a＝Xl（Bl＋BWT）；b＝XlGWT。因此，當(dāng)負(fù)荷功率因數(shù)cosφ一定時(shí)，提供給負(fù)荷的最大功率為：

圖6 等值系統(tǒng)

相對(duì)應(yīng)的負(fù)荷電壓為：

當(dāng)風(fēng)電機(jī)組發(fā)出無功功率增加時(shí)，意味著 a增加，因此，提供給負(fù)荷的最大傳輸功率極限增加；同時(shí)，相應(yīng)的負(fù)荷最大電壓也增加。

3.2 靜態(tài)分析仿真

節(jié)點(diǎn)3的風(fēng)電機(jī)組分別采用恒電壓控制和恒功率因數(shù)兩種控制方式，記為Case1和Case2。低風(fēng)速條件下，所有負(fù)荷功率因數(shù)為0.9滯后，節(jié)點(diǎn)7和節(jié)點(diǎn)10的負(fù)荷均由50%恒功率負(fù)荷、25%恒電流負(fù)荷和25%恒阻抗負(fù)荷組成。

3.2.1 風(fēng)電機(jī)組的控制方式對(duì)最大極限傳輸功率的影響

圖7為節(jié)點(diǎn)10負(fù)荷增加時(shí)的P-V曲線。由圖7可見：運(yùn)行電壓0.95時(shí)，風(fēng)電機(jī)組采用恒電壓控制要比恒功率因數(shù)控制的負(fù)荷極限傳輸功率增加450 MW，提高了13.2%。

3.2.2 風(fēng)電機(jī)組無功功率出力對(duì)極限傳輸功率的影響

恒功率因數(shù)控制下的風(fēng)電機(jī)組，節(jié)點(diǎn)10的Pmax和相應(yīng)的Pallow隨無功功率變化情況如圖8所示。圖8中，隨著風(fēng)電機(jī)組注入系統(tǒng)無功的增加，Pmax從3 600 MW增加到3 800 MW；Pallow從3 300 MW增加到3 500 MW。

圖7 節(jié)點(diǎn)10的P-V曲線

圖8 風(fēng)機(jī)無功出力與節(jié)點(diǎn)10的功率極限關(guān)系

3.2.3 有載調(diào)壓變壓器分接頭調(diào)節(jié)對(duì)穩(wěn)定性的影響

為了分析有載調(diào)壓變壓器自動(dòng)調(diào)整分接頭對(duì)穩(wěn)定性的影響，現(xiàn)假設(shè)節(jié)點(diǎn)6和節(jié)點(diǎn)8之間的變壓器為有載調(diào)壓變壓器。若t＝1 s節(jié)點(diǎn)5和節(jié)點(diǎn)6之間的一回線路發(fā)生三相短路被切除，故障暫態(tài)過程中系統(tǒng)電壓急劇下降；t＝6.8 s時(shí)，有載調(diào)壓變壓器動(dòng)作，自動(dòng)調(diào)整節(jié)分接頭，觀察節(jié)點(diǎn)6、節(jié)點(diǎn)8電壓和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組無功出力隨時(shí)間的變化情況，如圖9所示。

情況1：分接頭調(diào)節(jié)可以使變壓器低壓側(cè)節(jié)點(diǎn)8電壓升高0.4。但是節(jié)點(diǎn)6電壓卻由于分接頭調(diào)節(jié)還略有減小，下降了0.02。此時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的無功功率出力由于其端電壓下降而增大，從而使節(jié)點(diǎn)電壓維持在擾動(dòng)之前的水平。

情況2：有載調(diào)壓變壓器動(dòng)作試圖使節(jié)點(diǎn)8電壓升高，但是效果不明顯，卻使節(jié)點(diǎn)6電壓隨之下降。由于恒功率因數(shù)控制風(fēng)電機(jī)組沒有無功出力的支持，系統(tǒng)無功功率水平下降，使得最終的穩(wěn)態(tài)電壓均有下降。

3.3 動(dòng)態(tài)分析系統(tǒng)

本文采用IEEE39節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)［11］作為研究風(fēng)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性的算例系統(tǒng)，系統(tǒng)參數(shù)見文獻(xiàn)［12－13］。仿真中針對(duì)同一節(jié)點(diǎn)，分別以常規(guī)同步發(fā)電機(jī)、恒功率因數(shù)控制的風(fēng)電機(jī)組和恒電壓控制的風(fēng)電機(jī)組為電源進(jìn)行分析對(duì)比，記為情況1、情況2和情況3。風(fēng)電機(jī)組和同步發(fā)電機(jī)組按同容量仿真。

3.4 動(dòng)態(tài)分析仿真

3.4.1 系統(tǒng)擾動(dòng)的響應(yīng)

發(fā)電機(jī)出口側(cè)線路始端發(fā)生三相短路，持續(xù)0.04 s后切除故障線路。風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行在高風(fēng)速下。3種情況的發(fā)電機(jī)出口電壓、無功功率和有功功率隨時(shí)間的變化情況，如圖10所示。

從圖10中可以看出：暫態(tài)過程中同步發(fā)電機(jī)組的電磁功率的振幅較大，最大變化幅度425.85 MW，而風(fēng)電機(jī)組的幅度比較小，恒功率因數(shù)控制的風(fēng)電機(jī)組電磁功率變化幅度為78.17 MW，恒電壓控制的風(fēng)電機(jī)組為39.085 MW。

圖9 風(fēng)電機(jī)組電壓和無功功率曲線

風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行在高風(fēng)速下，其無功調(diào)節(jié)能力比同步發(fā)電機(jī)差，在暫態(tài)過程中無功出力基本不變，穩(wěn)態(tài)電壓也低，同步發(fā)電機(jī)電壓為0.96，恒電壓控制風(fēng)電機(jī)組為0.91，恒功率因數(shù)控制為0.89。

3.4.2 系統(tǒng)頻率變化的響應(yīng)

發(fā)電機(jī)的機(jī)組容量為830 MW，情況2、情況3系統(tǒng)的風(fēng)電穿透功率為13.4%。切除容量為180 MW的同步發(fā)電機(jī)后，系統(tǒng)的頻率隨時(shí)間變化的情況如圖11所示。

情況1、情況2和情況3的頻率偏差分別為0.54 Hz、1.40 Hz和1.65 Hz。

同步發(fā)電機(jī)與風(fēng)電機(jī)組相比，有很好的頻率支持能力。但從圖11也可以明確看到：在暫態(tài)過程中，風(fēng)電機(jī)組可以提供給系統(tǒng)短暫的頻率支持，這部分能量?jī)?chǔ)存在風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子中，在暫態(tài)過程中釋放出來。

采用恒電壓控制方式，可以通過支持系統(tǒng)無功，提高運(yùn)行電壓，減少有功損耗，從而減少系統(tǒng)有功功率缺額，間接地支持系統(tǒng)頻率。從圖11中可以看出：恒電壓方式的最終頻率偏差比恒功率因數(shù)方式要小。

4 結(jié)論

（1）通過對(duì)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性分析，得到如下結(jié)論：增加風(fēng)電機(jī)組的無功出力，可以提高線路輸送功率的水平；變速恒頻風(fēng)電機(jī)組的恒電壓控制與恒功率因數(shù)控制相比，可以提高輸電線路傳輸功率極限。有載調(diào)壓變壓器分接頭調(diào)節(jié)可以提高負(fù)荷側(cè)節(jié)點(diǎn)電壓，但是卻有可能由于系統(tǒng)無功功率不足，使得系統(tǒng)其他節(jié)點(diǎn)電壓下降，最終有可能引發(fā)電壓崩潰。為了提高系統(tǒng)的無功功率水平，風(fēng)電機(jī)組采用恒電壓比恒功率因數(shù)控制效果好。

（2）通過對(duì)動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定性分析，得到如下結(jié)論：風(fēng)電機(jī)組可以提高系統(tǒng)的極限切除時(shí)間；恒電壓控制與恒功率控制相比，有利于暫態(tài)后電壓的快速恢復(fù)。

圖10 同步機(jī)和風(fēng)機(jī)兩種控制方式對(duì)比曲線

圖11 同步發(fā)電機(jī)和風(fēng)電機(jī)組的頻率曲線

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TM76

A

1672－6871（2014）06－0047－05

國(guó)際科技交流與合作專項(xiàng)基金項(xiàng)目（2010DFB63200）；山西省高等學(xué)校中青年拔尖創(chuàng)新人才支持計(jì)劃基金項(xiàng)目

肖 春（1987－），女，山西永濟(jì)人，碩士生；韓肖清（1964－），女，山西太原人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行與控制、新能源技術(shù).

2014－03－22