风电集中并网运行对系统电压稳定性的影响研究

付小伟 王 进 郭 伟 郑剑武

（长沙理工大学电气与信息工程学院，长沙 410114）

国家电监会近期发布的《风电安全监管报告》显示，“十一五”期间，我国风电装机容量连续五年翻番，成为全球装机规模第一大国。随着江西最大风电场并网发电成功以及中国首台 6MW 风电机组的正式出产，大规模风电接入电网已成为必然趋势。

风电系统在向电网注入有功功率的同时需要从电网吸收大量的无功功率，对于电网来说风电场可以看作一种特殊的负荷。随着接入风电容量的增大，风电场从系统中吸收的无功功率逐渐增大，如果系统不能提供充足的无功，就可能引起电压稳定性降低，严重时会造成电压崩溃。

自从世界范围内的几个大电网相继发生电压崩溃事故，造成巨大损失以来，对于电压稳定性的研究受到了普遍重视[1]。风机的电压敏感性及低电压脱网特性使风电接入系统后的电压稳定性问题面临着新的挑战和新的研究内容[2]。

本文详细研究了风电接入系统后影响系统电压稳定性的主要因素,以恒速恒频风力发电系统为研究对象，通过Simulink仿真平台，对风电场在不同因素扰动下下进行仿真研究，分析了引发系统电压崩溃风险的相关因素，并提出了改善系统电压稳定性的措施。

1 异步发电机数学模型

研究风电系统的暂态特性需要考虑异步发电机的机电暂态过程，异步发电机三阶模型能够较准确地描述其动态过程。忽略定子电磁暂态过程，异步发电机电压方程为

异步发电机转子电磁暂态方程为

异步发电机转子运动方程式为

式中，ω0为定子磁场角速度；ω为转子运动角速度；s为异步发电机的转差率； TJ为机组的惯性时间常数； Pm为风机机械功率； Pe为发电机电磁功率。

发电机电磁转矩方程为

式中，Pe为发电机的电磁功率；Re[·]为取实部；ω为发电机电角速度。

2 影响系统电压稳定的主要因素

我国风力资源分布极不均匀，风资源丰富的地区往往人口稀少，风电基地大都远离负荷中心，处于供电网络的末端，电网结构十分薄弱，承受冲击的能力很差。随着风电装机容量的增加，在电网中所占的比例增大，使得风电并网运行对电网的安全稳定运行带来重大的影响，其中最为突出的问题就是使系统的电压稳定性降低，甚至导致电压崩溃。

2.1 风电机组的低电压穿越能力

风机的低电压穿越能力[3-5]是风机的一项重要特性，直接关系到风电接入系统后的电网稳定性。

在风电发展初期，由于风电在电网中所占的比例很小，一般不要求风电场参与系统控制。当电网发生故障时，由于风电场本身的电压稳定性无法保证，通常都采用切除风电机组的措施来保证风电场及电网稳定[6]。随着风电穿透功率的提高，电网发生故障时，风电机组电压越限保护或转速越限保护动作会使风电机组脱离电网，这样会加速系统的电压失稳，甚至会引发电压崩溃。

鉴于风电机组脱网带来的严重后果，欧洲国家根据各自的网络构架和风电场情况对风机组的低电压穿越能力提出了相应的标准。其中影响最大的是德国的E.ON标准：故障后电压恢复期间，必须保证风电场能连续运行而不脱离电网，还要求风电机组动态发出无功功率以支持电网电压，加速系统电压恢复，防止风电机组由于电压过低导致的跳闸。风电机组这种故障期间保持不间断并网运行的能力称为低电压穿越能力（Low Voltage Ride Through，LVRT）。

2.2 短路容量

电网的强弱可以用风电场与电力系统连接点（Point of Common Coupling，PPC）的短路容量来表示。短路容量大表明该节点与系统电源点的电气距离小，联系紧密，网络结构强，由扰动引发的电压变化量小，有利于扰动后的电压恢复。

国内外学者和工程技术人员通常用风电场短路容量比来衡量并网点接纳风电的适宜程度，它是指风电场额定容量与该风电场和电力系统连接点的短路容量之比，如式（5）所示。

式中， Swind为风电场额定容量； Ssc为风电场接入点的短路容量。

风电场接入点的短路容量反映了该节点的电压对风电注入功率变化的敏感程度。风电场短路容量比小，表明系统承受风电扰动的能力强。通常采用风电场短路容量比来重点考察风电功率的注入对局部电网的电压质量和电压稳定性的影响。对于短路容量比K的取值，欧洲国家给出的经验数据为4%～5%[7]。而在我国受风力资源分布的影响，适合建风电场的地区，电网结构比较薄弱，风电场接入点的短路容量较小，如要满足短路容量比为 4%～5%的要求，则风电场的规模要受到很大的限制。在网络结构一定时，如果风电接入容量增大，使得风电场短路容量比K增加，系统承受风电扰动的能力减弱，将会严重影响系统的电压稳定性。

2.3 系统风电穿透功率

风电穿透功率是指风电场装机容量占系统总负荷的比例[8]。由于风的随机性，所以风电场对系统产生的影响大多是负面的。当系统中风电穿透功率较小时，系统本身的调节作用可以减小这些负面影响；当系统中风电穿透功率增大时，并入电网的风电容量随之增大，同时意味着常规发电机组的容量减少，而带普通感应电机的风力发电机组对电压没有控制能力，这样系统对电压的控制作用就会降低，进而会消弱系统的电压稳定性。因此，若能计算出电网中风电功率穿透极限，则会对风电的规划起到重要的指导意义。

2.4 无功补偿装置

异步发电机组在向电网输出有功功率的同时，还需要从电网吸收滞后的无功功率，并随着发电机输出有功功率的变化而变化[9]。因此每台风力发电机组机端都配有补偿电容器。在通常情况下，风电机组出于自身保护的需要，在遭受大扰动后风电场将与系统解列，大型风电场退出运行会导致系统更大的功率缺额，将严重影响系统的稳定性。因此，在系统故障期间，更需要吸收大量的无功功率以完成电压的恢复。

目前常用的无功补偿装置仍属于离散控制，调节速度缓慢，在补偿量的各个阶段中有功功率的变化引起的无功需要仍然需要由电网提供，而且电容器组发出的无功功率与机端电压的平方成正比，当电网水平降低时，无功补偿容量迅速下降，导致风电场对电网的无功需求上升，进一步恶化电压水平，易造成电压崩溃[10]。

3 数字仿真与结果分析

在Matlab的Simulink环境下建立图2所示的风电场接入系统仿真模型，风力发电机参数（以额定容量为1.5MW为基准的标幺值）选取如下

额定电压u=690V，频率f=50Hz，定子电阻Rs=0.0048，定子电抗 Ls= 0 .1248，转子电阻 Rr= 0 .0043，转子电抗 Lr= 0 .1791，励磁电抗 Lm= 6 .77，惯性时间常数 H = 5 .04s。

图1 风电场接入系统图

风电场由6台1.5MW普通异步风力发电机组组成，发电机出口电压为690V，通过集点变压器将电压升至 10kV，然后经过 1km的集电线路送至风电场升压变电站，再经由 25km的输电线路与 110kV无穷大系统相连，如上图1所示PPC即为风电场接入系统的并网点。

为分析风电并网运行对系统电压稳定的影响，根据风电场接入系统图，利用Matlab/Simulink构建仿真模型，分别基于以下几种方案进行动态仿真。

方案1：6台风电机组同时并网发电，风电场输出有功功率为 9MW，基本风速为 7m/s，持续时间为15s,阵风强度分别为3m/s、4 m/s、5 m/s，5s时开始持续时间为5s，其中测量点为风电场高压侧。

图2 不同强度阵风下的仿真结果

图2分别给出了风速、电压、无功的仿真波形，其中电压和无功波形中的1、2、3分别对应阵风风速为3m/s、4m/s、5m/s时的仿真结果。由图可以看出，无功波形对应幅值为负，说明风电场在向系统传送有功的同时，还需要从系统吸收大量的无功。强度为3m/s和4m/s阵风过后，电压能够恢复到稳定运行点，且风速越大，电压波动就越大。当阵风风速为5m/s时，由于机组不平衡转矩过大，转速迅速上升，无功需求增大，此时系统无法提供足够的无功支持，最终导致电压崩溃，如曲线3所示。

图3 不同强度阵风下的电压波形

方案 2：将风力发电台数翻倍，风电场装机容量增为18MW，其他条件同方案1。

图3中的曲线1、2、3分别对应阵风风速为3m/s、4m/s、5m/s时的仿真结果。比较图2与图3的电压波形可以看出，方案2只在阵风风速为3m/s时电压能够恢复稳定，但电压波动比方案1更大，并且稳定运行电压比额定值略低，而在另外两种阵风下，都出现了电压崩溃现象。

方案 3：风电场装机容量为 9MW，基本风速为7m/s，不考虑阵风扰动，1s时在风电场10kV母线上发生三相短路故障，故障切除时间分别为0.1s和0.35s。

仿真结果如图4所示，系统在两个不同作用时间的三相短路故障下，都能恢复稳定运行，但是当0.35后切除短路故障，电压到3s时才能恢复稳定，而故障切除时间为0.1s时，电压在2 s时就能恢复稳定。由此可知继电保护动作时间也会对系统电压稳定性产生影响。

图4 风电场10kV母线三相短路故障时的电压波形

方案 4：在风电场低压侧加装静止同步补偿器（STATCOM），分别在阵风和短路故障扰动下进行仿真，结果如图5所示。

图5 阵风和三相短路故障扰动下STATCOM补偿效果仿真

由图5（a）可知，当阵风强度为4m/s时，如果风电场没有加装STATCOM，则电网电压会跌至0.85倍的额定电压，加装STATCOM之后，电网电压波动很小且能迅速恢复稳定；当阵风强度为5m/s时，在没有 STATCOM 情况下会发生电压崩溃，加装STATCOM 之后，电压跌落最低点也能维持在 0.9倍的额定值以上，使系统在以前可能发生电压崩溃的情形下继续保持稳定运行。

仿真图5（b）是在风电场高压侧母线上发生三相短路时的电压波形，短路故障从1s开始，持续时间为0.4s。可以看出，在风电场没有加装STATCOM时，故障后母线电压降低至 0.6倍的额定值，保护装置会切除风电机组，使之不能继续并网运行，风电场大量机组脱网可能会引发系统发范围的电压失稳；加装STATCOM之后，电压在故障后3s内就恢复到了额定值，增强了风电场的低电压穿越能力。

4 结论

利用Matlab/Simulink建立风电场模型，仿真结果表明，风电并网运行会对影响电网的电能质量，引起电压波动和闪变，严重时将导致电压崩溃。通过加装STATCOM 对风电场进行动态的无功补偿，抑制了由风速、故障引起的电压波动，提高了风电场的低电压穿越能力，改善了风电场接入后电网的电压稳定性。

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