基于静态电压分岔点的风电穿透功率评估

王一峰 王 维 张宗杰

（河北省电力公司，河北石家庄050021）

风能属于可再生能源，是一种取之不尽、用之不竭的新能源。风力发电作为风能利用的主要形式具有明显的环境效益，表现在它不排放任何有害气体和不消耗水资源。风力发电不仅是风能利用的主流形式，又是在新能源开发利用中技术最成熟、发电成本日益降低、商业化规模最大的发电方式。随着世界环境的日益恶化和常规能源的日益枯竭，风力发电在未来的能源结构中将占有越来越重要的地位。

目前，风力发电的主流形式是大型并网型风力发电机组。风力发电机组单机容量很小，对于一个大电网影响可以忽略，但对于一个风电场来说，总装机超过几十万千瓦，对于一个容量不大的弱电网，就会造成不可忽视的影响。风力资源较好的地区往往人口稀少、负荷量小、电网结构相对薄弱、风电功率的注入改变了局部电网的潮流分布，对局部电网的电能质量和稳定性有很大影响。随着风电机组单机容量和风电场规模的增大，大型风电场并网运行对电力系统的影响也越来越明显。

1 双馈感应风力发电机

目前，双馈感应风力发电机已成为现在风力发电的主流机型。此种机型的控制方案控制的是转子侧的转差功率，该处的功率转换设备的容量要求比较小，一般只需达到总容量的20%-30%即可，这将减少相应的功率电子设备的损耗。而且电压也很低，易于控制，设备成本相对得到了降低。同时，我们可以通过改变转子侧电流的幅值、相位、频率、相序等，实现对有功功率和无功功率的控制，能够帮助电网实现无功功率补偿。

2 本文使用仿真软件简介

本文中使用的PSCAD是用于电力系统时域和频域仿真计算的软件包,由加拿大Manitoba大学高压直流输电研究中心Dennis Woodford博士等人研制。自1976年开始至今,经过大量的研发、拓展、完善工作,软件包已具有丰富、准确的元件库、模型库,成为EMTDC为核心,以PSCAD为图形界面友的新一代仿真程序。软件包以精确、高效、便捷、界面友好等特点被广大电力系统研究、分析人员所推崇,广泛用于电力系统暂态过程计算、直流系统分析与工程研究、电能质量现象分析和电力电子器件设计等领域[4]。

目前广泛使用的双馈感应风力发电机中有大量的电力电子器件，使PSCAD可以较准确的构建模型，并能清晰的观察到风电接入点的PV曲线。因此，在仿真中使用PSCAD作为仿真计算的软件。

3 系统对风电场的要求

风电场的容量在系统中所占的比例在不断增加，风力发电对系统的影响将越来越显著。随着风电技术的不断发展和风机容量的不断扩大，电力系统对风力发电机的联网要求越来越苛刻，可得到电网对风电场提出了下列要求：

1）风电机组有功和无功(0.95感性到0.95容性)可控。

2）频率在47.5Hz到51.5Hz之间风机正常运行且保持电压在额定值80%以上。

3）电网扰动时要求风机保持运行不允许切出，能够提供一定的无功电流，故障恢复后立即提供有功出力。对电网故障时的风机的故障穿越能力要求，风机必须保持与电网的连接即使风机并网点的电压跌落至零。

4 静态电压稳定约束条件

4.1 电压稳定问题的引入

电压稳定指系统维持电压的能力。当系统出现扰动、负荷增大系统结构变更而使电压下降，并且运行人员和控制系统的控制已无法终止这种电压下降时，系统就会进入电压不稳定的状态。这种电压下降可能只有几秒钟，也可能长达几十分钟，甚至更长。如果电压不停地降下去，电压崩溃就会发生。而所谓电压崩溃，就是指由于电压不稳定所导致的系统内大面积、大幅度的电压下降的过程。

2003年8月14 日发生美国东部大停电造成了巨大经济和社会损失，事故发生后，美国电力研究院的专家经过对记录到的电压电流波形进行分析，认为本次美加大停电事故主要呈现一种快速的电压崩溃现象。

随着电力系统规模的不断扩大，电压稳定性问题已经成为电力系统安全运行的严重威胁。大量的电网崩溃事故表明，由于系统中无功容量不足，或由于系统中无功电源分布不合理，而导致的电压稳定性问题是影响和限制电力系统输电能力的重要因素之一。鉴于此，本文将主要就电压稳定约束条件下的风电接入能力进行研究。

4.2 静态电压稳定性研究方法

静态电压稳定性研究方法只需考虑系统各场景时间框架的静态模型，其模型简单，所需的参数较少，计算速度也相对快捷。

从实际应用的角度来看，静态电压稳定约束下的风电接入能力指标确实能够为运行调度人员提供非常有价值的信息，其计算模型与结果也满足工程应用的精度要求。而且输电能力计算并不需要详细地分析系统电压失稳的机理。

4.3 仿真算例

使用PSCAD进行系统的仿真，采用9节点网络，在母线1接入双馈感应风力发电机，发电机端口电压为0.69kV，经过几次升压至220kV，接入母线1，其中变压器模型使用理想变压器模型进行仿真。

目前，单个双馈感应风力发电机一般为1.5MW或2MW，一个风电场一般由20台以上的风机构成，算例中调整了双馈感应风力发电机的参数使其可以输出20MW以上的功率，模拟一个风电场，考虑到阵风对功率电压造成的波动比较明显，本文使用基本风速8m/s，最高时风速为18m/s，时序时间为10s。风速的变化在仿真开始的10s后，观察这风电对电网的影响。

双馈异步风力发电机在风速加大时发电机放有功，吸收无功，电压下降。可见接入风电对电网电压带来了很多波动，可能使电压质量下降至不符合要求。

当风电发出功率提升，则吸收更多的无功，电压随之下降，最后导致电压崩溃。观察曲线的拐点，得到风电接入节点1的穿透功率为28MVA，接近电网总负荷的30%，与当前实际规划中的风电比例相当，认为使用PSCAD进行仿真得到PV曲线可以较好的得到风电穿透功率。

5 结语

对含有风电场的电力系统,风速变化对系统影响显著。当风速过高时，风机发出的功率并不能完全被电网所接受，并且会引起电网的电压崩溃。另外随着风电穿透功率的增长，风电的随机波动性对系统稳定性的影响将更为显著。

本文通过PSCAD仿真，分析了风电场对电网的影响，并得到了风电接入点的穿透功率。

［1] 王承煦，张源．风力发电[M] ．中国电力出版社，北京：2003(3).

［2] 申洪,梁军,戴慧珠.基于电力系统暂态稳定分析的风电场穿透功率极限计算[J] .电网技术,2002,6(8):8-11.