风电场的功率波动对电网电压稳定性影响研究

贾书杰，徐建源，朱 钰，王 刚，程绪可

(1．辽宁省电网安全运行与监测重点实验室 (沈阳工业大学)，辽宁 沈阳 110870;2．辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006)

目前，随着风电技术的不断发展，大规模风电场已实现并网运行。由于风电功率具有间歇性和波动性的特点，大规模风电场并网运行不但会引起送电通道上潮流的频繁变化，而且会影响电网电压质量和电压稳定性［1］。当风电场通过长距离接入电网，且处于电网末梢时，无功补偿会对局部电网电压有比较大的影响［2－5］，进而影响电网电压稳定性。国内外学者对风电场并网运行给电网造成的电压稳定性问题做了大量研究。文献 ［6］指出电风机组的类型、控制方式、电网状况会影响风力发电的电压稳定性，并指出并网风电机组输出功率的波动是风力发电引起电压波动和闪变的根本原因。文献 ［7］、［8］均提出不同类型的风电机组在投切过程中对电网电压稳定性的影响也有所不同，而且并网风电机组在启动、停止以及发电机切换过程中也可能引起电网电压失稳。文献 ［9］总结了变速机型的控制机理和运行特点与闪变的关系，并对比分析了定速和变速两种典型风电机组的电压闪变的成因。文献 ［10－12］指出输电线路电抗与电阻之比以及风电场与电网公共连接点的短路比也是风电并网引起电压波动和闪变的重要因素。除此之外，风电机组的一些固有特性 (如风剪切、塔影效应、偏航误差等)也可能会引起电压的不稳定。

本文主要研究了风电场接入电网后，风电场的功率波动对电网电压稳定性的研究，以及无功补偿装置对电网电压稳定性的改善效果。以某地区的风电场为例，首先分析了风电场的无功问题，其次介绍了风电场的无功补偿设备，最后应用PSCAD软件针对风电场采用不同无功补偿装置和未设补偿装置对电网电压的影响做了仿真分析。

1 风电场并网的电压稳定性

对于异步型风电场，当其输出有功功率增长时，其吸收的无功功率也增长，同时由于线路送出有功功率的增长还会导致线路电抗消耗的无功增长，而且其增长与线路电流平方成正比。因此，包括风电场及等值线路在内的总无功负荷在风电出力较大时其总值较大。当风电场从其所接入的电网吸收大量无功时，风电场节点电压就会大大低于所接入电网母线的电压水平。由于在线路中的压降主要是由无功传输引起的，因此风电场电压稳定性降低的原因主要是因为风电场及其等值线路作为一个无功负荷需要吸收无功所致。

双馈感应风力发电机能够实现有功、无功的解耦控制。因此，基于双馈感应风力发电机的变速风电场的无功特性取决于双馈风机的控制。一般来说，双馈风机构成的风电场可以控制风场出口与电网之间不交换无功功率，这就相当于整个风电场不发出也不消耗无功功率。当风电场在轻载时，有功出力很小，风电场内部电缆及变压器中流过的电流较小，而电压值一般保持在额定值附近，这时电缆的对地电容产生的无功功率大于电缆电抗以及变压器电抗消耗的无功功率，风电场作为无功电源向系统输出无功，可能使得风电场出口母线及内部节点电压升高。当风电场重载运行时，有功出力较大，线路及变压器流过的电流较大，风电场内部消耗的总无功功率要大于对地电容产生的无功功率，这时风电场作为无功负荷从系统吸收无功功率，可能使得风电场出口母线及内部节点的电压降低，进而会使电网电压稳定性降低。

2 风电场无功补偿设备主要类型

目前风电场常用的无功补偿装置主要有:并联电容器组、静止无功补偿器 (SVC)、静止同步补偿器 (STATCOM)。

2.1 并联电容器组

并联电容器组的补偿容量与节点电压的平方成正比。当系统电压降低且电容器组补充至其额定无功容量的时候，那么电容器的无功补偿能力就会被恶化。并联电容器组可以通过电容器的投切来对系统无功进行分级补偿。一般来说，传统的机械式投切电容器 (MSC)分3组人工投切，在仿真中可以按为分3组投切的自动投切电容器设置，以本地功率因数为其控制方式。

2.2 静止无功补偿器 (SVC)

SVC是目前基于灵活交流输电系统 (FACTS)技术应用最为广泛的无功补偿装置。它是将可控的电抗器和电力电容器 (固定或分组投切)并联使用。电容器可发出无功功率 (容性的)，可控电抗器可吸收无功功率 (感性的)。根据结构原理的不同，SVC技术又分为［13］:自饱和电抗器型 (SSRSelf-Saturable Reactor)、晶闸管相控电抗器型(TCR-Thyristor Controlled Reactor)、晶闸管投切电容器型 (TSC-Thyristor Switched Capcitor)、高阻抗变压器型 (TCT)和励磁控制的电抗器型 (AR)等。随着大功率电力电子器件制造技术的发展，TCR/TSC方式，成为SVC的主流实用技术。本文采用的就是TCR+TSC模型。

2.3 静止同步补偿器 (STATCOM)

根据STATCOM的主电路可以分为电压型桥式和电流型桥式两种类型，直流侧分别采用的是电容和电感这两种不同的储能元件。电流型桥式电路发生短路故障时危害比较大，且效率低。在实际工程应用中大都采用电压型桥式电路。所以本文主要应用了电压型桥式的STATCOM，下面主要介绍了其工作原理［14］。

电压型STATCOM是基于电压源逆变器的无功功率调节装置。整个装置相当于一个电压大小可控制的电压源，假设其电压为˙U1，系统电压为˙Us，连接变压器的电抗为X，则STATCOM装置输出的电流为

因此装置吸收的复功率为

在一般情况下，STATCOM不吸收有功功率而只使有功功率在三相功率内平衡，它的电压和系统电压同相位，装置吸收的无功功率为

只要装置产生的电压与系统电压有偏差，装置就会发出或吸收无功功率，快速地对电压波动进行有效抑制。当系统电压下降很多时，STATCOM将瞬时输出其最大无功电流，如果电压还不能恢复，其将维持其最大无功电流的输出，从而转变为一个恒定电流源，直至电压恢复。

3 风电场的功率波动对电网电压影响分析

本文以某地区的双馈型风电场为例，研究其作为一个整体与电网之间的相互作用，风电场内部潮流分布及机组相互影响不在本文研究范围内。

由于目前实际运行中，双馈风机基本不具有无功调节能力，因此该双馈型风电场机组的换流器不进行无功控制的设定。风场升压站出口与系统进行无功交换的数量在本仿真中不加以控制，风电场的无功补偿装置仅作为在控制母线电压出现问题时的解决措施。

3.1 仿真条件

风电场内部采用较为简化的模型，用93台并行的1.5 MVA双馈机组来模拟风机，即认为风场内所有风机出力变化同时率为1。风电场无功补偿装置分别采用并联电容器组、静止无功补偿器(SVC)、静止同步补偿器 (STATCOM)。该风电场内风机通过多条10 kV线路送电至66 kV升压站，经66 kV线路输送至220 kV升压站，再通过220 kV线路转送至220 kV某W变电站。变压器容量均为150 MVA，且设变压器分接头不可调。其接入系统220 kV某W变电站示意图如图1所示。

图1 风电场接入系统示意图

无功补偿装置的仿真按照如下设定组别参数:

a． 人工 (机械)投切电容，8 Mvar×3组;

b． TSC+TCR(晶闸管控制电抗器)，TSC容量0.5 Mvar×24组，TCR容量12 Mvar;

c． STATCOM，容量100 Mvar。

其中1组控制方式采用按66 kV升压站66侧母线电压设定在0.99～1.03 p.u;2～3组控制方式采用按66 kV升压站66侧母线电压设定在1.0 p.u．。

3.2 电网电压仿真

由于目前电网风电接入方式主要是220 kV和66 kV送出，因此主要仿真风场由220 kV送出和由66 kV送出两大类情况。需要关注电压的母线包括:风机690 V、66 kV升压站66侧、220 kV升压站220侧、W变220侧。仿真该风电场出力由0%逐渐增至100%的各母线的电压变化曲线。

a． 无补偿装置时，各母线电压随风电场出力波动的曲线如图2所示。

图2 无补偿装置时，各母线及风电场波动的变化曲线

从图2可以看出在4～18 s时段，风电场出力由0达到其额定功率的阶段，风机电压随风电场出力的增加消耗无功增大在12 s时稍偏低，其余各母线电压并未发生大幅降低。这是由于从系统侧吸收大量无功得以保持电压。

b． 风电场补偿装置采用并联电容器组时各母线随风电场出力变化的曲线如图3所示。

图3 采用并联电容器组时，各母线及风电场波动的变化曲线

在风电场出力由0%增至60%之前，线路无功损耗较小，人工投切电容器未动作。随后自动投入1组电容，随着风机出力的增大，线路和变压器消耗无功的增多，电容器组全部投入，此时风机机端电压随着电容的投入而增大，从图3中可以看出最大至1.02 p.u．，在并联电容器的作用下66 kV母线电压略有升高，而另外2条220 kV母线电压则保持平稳。

c． 风电场补偿装置采用静止无功补偿器(SVC)时各母线随风电场出力变化的曲线如图4所示。

从图4可以看出，采用SVC补偿器后，随着风电场出力的变化，各母线电压均没有大的变化。与没有无功补偿装置相比改善了风机出口电压水平;跟并联电容器组相比，使风机出口电压和66 kV母线电压更加平稳。但在12 s时，风机出口电压与66 kV电压仍略有下降。

d． 风电场补偿装置采用静止同步补偿器(STATCOM)时各母线随风电场出力变化的曲线如图5所示。

从图5中可以看出，采用STATCOM补偿器后，随风电场出力的变化，各母线电压几乎没变化，与SVC相比各母线电压水平更加平稳。

4 结论

本文分析了双馈型风电场功率波动引起的电网电压稳定性问题，并且仿真分析了配置不同无功补偿装置时对电网电压稳定性的改善效果。在没有控制风电场与系统无功交换的情况下，具有如下特征。

a． 当风电场在电网中所占比率不大时，双馈风电场出力由0%增至100%时，双馈型风电场对系统电压的稳定性影响不大。

b． 在分别配置人工 (机械)投切电容、静止无功补偿器 (SVC)、静止同步补偿器 (STATCOM)的情况下，当双馈型风电场出力由0%增至100%时，STATCOM与其它两种补偿装置相比改善电网电压稳定性的效果更明显。

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