风电接入对配电网电压稳定的影响研究

李东坡，殷鸿雁，张明理

(1．深圳市禾望电气有限公司，广东 深圳 518055;2．锦州供电公司，辽宁 锦州 121001;3．辽宁省电力有限公司规划评审中心，辽宁 沈阳 110058)

电压稳定问题是风力发电并入配电网的关键技术之一。近些年来，随着电网内风力发电装机容量的不断增加，传统配电网的运行迎来了新的挑战。传统配电网一般为开环运行的单辐射网络，由于其配电线路的R/X值通常较大，导致线路电压降落及网络损耗较大，其负荷又具有很大的波动性，负荷高峰期间一个短暂的高水平负荷都有可能威胁到系统电压的稳定性，甚至导致电压崩溃。而风力发电作为一种分布式电源，接入配网后，改变了其网络结构，作为馈线末端的电源将引起网络的潮流改变，从而改变系统的电压分布。另外，风力发电自身的间歇性和波动性又不可避免地对配网的电压稳定性带来负面影响［1－3］。因此研究含风力发电的配网电压稳定性十分必要。

G.B.Jasmon等人较早研究了配电网电压稳定性，得出两节点的配电网电压稳定性指标L，并通过定义等效阻抗等方式将该指标推广应用于多节点的配电网。但在指标L的推导过程中，若从网损等值的角度将复杂配电系统等值成简单系统，则误差较大且得到的稳定指标表达式没有考虑节点电压。R.Ranjan和D.Das等提出了旨在反映负荷分布的配电网电压稳定性指标，但是它并不严格，因其仅仅是配电网电压稳定的必要条件而非充分条件［4－7］。

本文在前人工作的基础上，结合配电网潮流解的存在性，推导了一种适用于含风力发电的配网电压稳定指标，并搭建典型的配网网络模型，在其线路末端接入风力发电，最后利用推导指标讨论了风电接入容量、接入位置以及电网故障对配网电压稳定性的影响。

1 电压稳定指标

任何的传输网络都可以等效成以下模型，如图1所示。假设母线i是输电端，母线j是受电端。输电端母线i的电压可以表示为

图1 配电网典型支路

则电压的幅值为

若保证式 (3)有解，则需满足以下条件:

随着受电端功率需求Pj+j Qj的增长，式 (4)左边逐渐接近0，两节点网络到达功率传输极限。即节点电压变得不稳定。可从式 (4)获取电压稳定指标。

用K(Pj+j Qj)代替Pj+j Qj，那么K将有以下特性:

a． 当传输线处于传输极限以内，K大于1;

b． 当传输线达到传输极限，K等于1;

c． 当传输线超过传输极限，K小于1，电压不稳定。

将式 (4)中的Pj+j Qj用K(Pj+j Qj)代替，可以得到:

令式 (5)左边等于0，得到K，即为双节点的电压稳定指标。在配电网中，监测设备通常在变电站，即输电端i，所以需要将式 (5)中受电端的变量用输电端测量数据代替，在图1中，母线j上的功率可以母线i上的功率代替为

整理可得:

结合式 (5)和式 (6)可以得到式 (7):

由于K值总是大于等于0，可以忽略负值。

由式 (8)，可得到配网电压稳定指标:

根据推导出的电压稳定指标，在PSCAD中自编程了计算模型，部分程序如图2所示。

图2 PSCAD中的指标程序

2 系统仿真计算及分析

选取典型的配网网络进行分析研究，其结构图如图3所示，负载同时由输电网和风场供电。外部系统为恒压220 kV的无穷大电源。母线1和母线2的额定电压分别为220 kV和35 kV。并网风机选择直驱型变速恒频发电机，其通过升压变压器连接在母线2上。负荷为1+0.5jMW。仿真将考虑分布式电源的接入位置和接入容量以及故障对配网电压稳定性的影响。

图3 典型配网结构图

2.1 接入位置

2台额定功率为2 MW的风机在恒风速12 m/s下运行。1.0 s时在母线1处接入5+2.5j MW的干扰负荷。图4中曲线 (a)、(b)和 (c)分别是配电线路长度为25 km、15 km和8 km时的电压指标变化情况。从图中这3条曲线可见，配电线路越短，风电接入对配网电压的支持作用越明显。配电线路为25 km时，K值最小为0.3，而当其为8 km时，K值最小为0.5，且由图4中曲线 (c)可见，当配电线路为8 km时负荷波动0.5 s后电压稳定指标K逐渐趋向于1，这说明扰动后电网电压又恢复了稳定。

图4 风电接入位置对配网电压稳定性影响

2.2 接入容量

保持配电网线路长度不变，将风电并网装机容量由4 MW增加到12 MW。1.0 s时在母线1处接入5+2.5j MW的干扰负荷。从图5的 (a)、(b)、(c)3条曲线可见，随着风电接入容量的增大，其对配网电压稳定水平的支持效果越好。

从图5曲线 (b)和 (c)可见，在经历了负荷干扰后，由于风电接入对配网电压的支持作用，指标K经过短暂的下降后又逐渐趋向于1，根据前面的推导，说明母线1上的电压经过一段时间的波动后基本恢复了稳定。但是，风电的容量并不是越大越好，如果注入容量大于负荷，则会造成功率逆向传输，使线路末端电压高于系统电压，甚至越限。另外，随着容量增大，风电自身的间歇性和不稳定性也会给配网电压带来更大的影响，且在其接入电网和退出运行时会造成更大的冲击，对配网电压稳定性造成不利影响。

图5 风电接入容量对配网电压稳定性的影响

2.3 风速变化及故障

保持配网线路长度不变，0.3 s时加入随机风，持续到0.6 s，1.5 s时在风机端口设置短路故障，持续0.2 s，则配网电压稳定指标曲线如图6(a)、(b)和 (c)所示。可以看出，风电接入量越大，配网线路长度越短，在风速变化和故障情况下对配网电压的冲击力越大。由于随机风的作用引起风机输出功率变化。图6(a)、(b)和 (c)中K值最小值分别为0.82、0.6和0.7，这种情况下，虽然图6(c)的K值比图6(b)中的大，但其振荡最大值明显要大于图6(b)，因此更加不稳定。由于故障原因引起的振荡中，图6(a)中K值最小值达到0.2，而图6(b)和 (c)中K值最小值已经低于0.1，几乎接近于0，电网电压已经崩溃，且在故障切除后，都没有重新恢复稳定。因此，虽然风机接入配网对其电压有明显的支持作用，但在考虑风机的接入位置和接入容量时，也需要考虑其自身的不稳定性因素给配网带来的影响。

图6 不同风电容量及接入位置情况下故障对配网电压的影响

3 结论

本文利用配网的潮流解的存在性推导了适用于含风力发电的配网电压稳定指标，搭建了典型的配网模型，利用指标研究了风电作为分布式电源接入配网时不同位置和容量以及故障情况下对配网电压的影响。

风电接入配电网以后，一方面能抬高节点电压及减少配电网网损，从而对配网电压进行支持。另一方面，其接入可能会对原有的配电网产生冲击性影响，如大容量风电的接入可能会将功率逆送至大电网。同时，风力发电自身的间歇性和不稳定性也会对传统配电网带来影响。通过分析得到以下结论。

a． 配网线路长度越短，风电接入对配网电压的支持作用越明显。

b． 风电容量越大，其对配网电压的支持作用越明显。但是，风电的容量并不是越大越好，如果注入容量大于负荷，则会造成功率逆向传输，使线路末段电压高于系统电压，甚至越限。

c． 配网线路长度越短，风电容量越大，风电自身的间歇性和不稳定性以及故障对配网电压造成的负面影响越大。因此在考虑配网规划的过程中也应充分考虑这一点以确保电网安全稳定运行。

［1］ 叶 萌，刘文霞，张 鑫．考虑电压稳定的分布式发电最优配置 ［J］．现代电力，2010，27(4):30－34．

［2］ 曾顺意．考虑电压稳定的分布式发电最优配置［D］．湖南大学硕士学位论文，2010．

［3］ 丁思敏．分布式发电对配电网电压稳定性影响的研究［D］．南京理工大学硕士论文，2010．

［4］ Jasmon G B，Lee L H C C．Distribution network reduction for voltage stability analysis and loadflow calculations［J］．International Journalof Electrical Power and Energy Systems，1991，13(1):9－13．

［5］ Ranjan R，Venkatesh B．Das D．Voltage stability analysis of radial distribution networks［J］．International Journal of Electric Power Components and Systems，2003，31:501 －551．

［6］ 武晓朦，刘 健，毕鹏翔．配电网电压稳定性研究 ［J］．电网技术，2006，30(24):31－35．

［7］ 陈海焱，段献忠，陈金富．分布式发电对配网静态电压稳定性的影响［J］．电网技术，2006，30(19):27－30．