风电接入某地区配电网安全稳定分析

韩德顺 ，李广磊 ，陈玉名 ，马琳琳 ，程 艳 ，孙树敏 ，潘秀娟

（1.山东电力调度控制中心，山东 济南 250001；2.山东电力集团公司电力科学研究院，山东 济南 250002）

0 引言

21世纪是可再生能源的世纪，在常规能源紧张和生态环境遭受污染的今天，风力发电作为洁净的可再生能源，潜力巨大，用之不竭，成为世界增长最快的能源之一，仅我国可有效利用的风能资源就达253亿kW［1-2］。随着国家对可再生能源发展的重视与《可再生能源法》的实施，我国越来越多的风电场接入到电力系统中。对于接入到大电网的风电场，风电装机容量占电网总装机容量中占的比例低于10%时［3］，风电功率的注入对大电网影响在正常范围内，不是制约风电场规模的主要问题。但对于接入配电网的风电场，风电场多数处于人口稀少地区，当地负荷小、电网结构相对薄弱，风速波动、短路故障等扰动对风电场及当地电网的可靠运行造成较大的影响。因此，有必要对风电接入地区配电网进行稳定计算分析，制定保证系统安全稳定运行的措施。

1 含风电的配电网主接线

图1所示为双馈异步风力发电机组组成的风电场、一台同步发电机、电力负荷等构成的某地区配电网系统，其中风电场共安装7台单机容量1.5MW双馈异步风力发电机组，总容量10.5 MW，通过一回集电线路（25 km，电压等级为35 kV）送至升压站，再经50 MVA主变压器升至110 kV电压后经输电线路并入当地110 kV高压配电网。

图1 含风电的配电网主接线

2 双馈异步风力发电机组的数学模型

变速恒频双馈异步风力发电机组是当前国际风力发电的热点新技术［4-5］，在国内风电场风电机组中占了较大比例，推导其数学模型对于研究风电机组运行特性具有重要意义。

2.1 风轮机数学模型

一般，风轮机连接有3个叶片，由玻璃钢制成。叶片的形状与曲线按空气动力学原理设计，以保证风轮机实现风能—机械能的理想转换，风力机通过叶片捕获风能，将风能转换为作用在轮毂上的机械转矩，风速与转矩之间的关系可表示为［6］：

式中：MW为风力机叶片机械转矩；ρ为空气密度；cp为风能利用系数（即在单位时间内，风轮所吸收的风能与通过风轮转面的全部风能之比）；R为叶片的半径；VW为风速；γ为叶尖速比；ΩN为叶片额定机械角速度；pN为风力机的额定功率。

2.2 传动机构模型

风力机组的传动机构由轮毂、传动轴和齿轮箱组成。一般认为传动机构属于刚性器件，具有较大的惯性，常用一阶惯性环节来表示：

式中：Mt为传动机构输出转矩，pu；Tj为轮毂惯性时间常数，s；MW为传动机构输入转矩。

2.3 双馈异步发电机暂态数学模型

经推导和化简得出双馈式异步发电机在d-q-0 坐标系下基本方程［7］：

式（3）、（4）、（5）、（6）中：uds、uqs、udr、uqr分别为定子绕组和转子绕组电压的 d 轴和 q 轴分量；ids、iqs、idr、iqr分别为定子绕组和转子绕组电流的d轴和q轴分量；ψds、ψqs、ψdr、ψqr分别为定子绕组和转子绕组合成磁链的d轴和q轴分量；Tm、T分别为机械转矩和电磁转矩。

3 风电接入配电网运行分析

根据前面的理论推导，建立含风电的配电网计算模型，选取几种典型的、对系统影响较严重的运行方式进行分析［8-9］。

3.1 风速变化对风电场及电网的影响

风速从8 m/s变化到14 m/s时，风电场输出的电压、电流、有功功率和无功功率如图2所示。 从图2可以看出，随着风速增加，风电场并网点电流随之增加，风电出力不断增大，并在风速达到14 m/s时稳定在额定值10.5 MW附近。双馈风电机组通过背靠背变流器实现有功功率与无功功率的解耦控制，在风电出力不断增大时，无功功率下降幅度不大，风电场出口电压基本上维持在1.0（pu），无功功率在20 s时出现微小的波动，但变化不大，基本上在0附近。在风速突然变化情况下，风电并网电压保持稳定。

风速变化对电网的影响如图3所示。 在仿真图3中，风速变化引起的局部电网电压波动不显著，风电场出力大幅度增加引起本地发电厂的有功功率大幅度降低，功率的缺额由风电场提供。另外，为了补偿风电场的无功功率需求，本地发电厂发出的无功功率明显增多。计算分析表明，这样的风速变化对系统的稳定运行没有明显影响。

图2 风速变化对风电场的影响

3.2 单相接地故障对风电场及电网的影响

假定在集电线路上某一点发生单相接地故障，发生短路时刻t=5 s，故障持续时间150 ms，风电场及电网运行情况如图4、图5所示。

图3 风速变化对电网的影响

图4 单相接地对风电场的影响

图5 单相接地对电网的影响

从图4、图5可以看出，发生单相接地故障后，风电场出口电压迅速下降至0.79（pu），但仍高于风电机组电压保护临界值 0.75（pu）［10］，单相接地故障切除后，风电场出口电压升高，在变频器控制下恢复至1.0（pu）；升压站35 kV电压出现波动，在风电场恢复运行后，稳定在1.0（pu）；单相接地故障期间由于风电机组有功功率变为零，本地发电厂有功功率迅速增大来实现电力系统平衡，同时风电场需要从电网吸收无功来维持并网运行。可见集电线路某点发生短路接地故障时，风电并网点电压波动很大，风电场需要从电网侧吸收无功；在故障切除后，风电场、电网最终恢复正常运行，但在风电并网容量占当地总装机容量比例较大时，发生单相短路接地故障将会对电网造成较大的影响。

3.3 三相短路故障对风电场及电网的影响

假定在集电线路上某一点发生三相短路故障，风电场及电网运行情况如图6、图7所示。

图6、图7表明，发生三相短路故障时，风电场出口电压急剧下降至零，风电场有功功率也降为零，风电场迅速与电网解列；升压站35 kV电压出现波动，故障消除后逐渐恢复至正常值；风电场与电网解列后，本地发电厂有功功率迅速增大，变化剧烈，三相短路故障消除后，本地发电厂为整个系统提供有功和无功支持。可见三相短路故障造成风电场与电网解列，引起了电网较大的波动，不利于电力系统安全稳定；故障消除后，风电场并网不成功，系统切除部分负荷，依赖本地发电厂来实现电力系统供需平衡。

图6 三相短路故障对风电场的影响

图7 三相短路故障对电网的影响

4 结语

利用Matlab/simulink建立含风电的某地区电网模型，针对风速变化、集电线路上单相接地短路及三相短路故障三种典型运行模式，从接入风电场和局部电网的电压水平和稳定性出发，用动态仿真方法分析了整个系统稳定运行情况。 风速突变情况下，风电场出力、风电并网点电压出现波动，对系统正常运行影响不大，在故障消除后风电场及电网都能恢复至正常运行；但在单相接地和三相短路故障时，风电出力、风电并网点电压急剧下降，风电机组电压低至0.75（pu），低压保护装置动作，风电场与电网解列。为保证风电场及电网安全稳定运行，必须制定合理稳定措施，例如优化风电场低压侧中性点节点方式、设置合理的风电机组保护定值、开展风电机组低电压穿越能力测试等，这些内容将在后续研究中陆续开展。