海上风场出力变化对电力系统电压影响

朱晓荣，高建涛

(华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定 071003)

目前，随着海上风场的大量规划建设，海上风电在风电产业中占比逐步增大。考虑到海上风场单机容量和系统特性等与陆地风电差别较大［1］，因此，陆地风电的集中建模方法对海上风场的适用性有待研究。本文选取符合海上风电实际的风机、箱变、集电海缆和主变等设备，建立了海上风场几种模型，分析了海上风场的风电出力变化对静态电压的影响，利用现有的陆地风电模型，在风电出力变化条件下研究局部电网电压水平和波动规律，并针对海上风场近区电压偏高和波动过大问题提出了风机和SVC协调控制的解决方案。

1 海上风电场建模

与陆地风场相比，海上风场有以下特点:1)单机容量大，现阶段5 MW及以上风机已经成为海上风场的主流机型;2)无功受海缆影响大，海上风场须采用海缆集电和长距离输电，交流海缆产生大量充电功率，既限制了输电距离及容量，又抬高了母线电压;3)并网方式有更多选择(HVAC、LCCHVDC和VSC－HVDC等)，受输电容量及系统稳定要求，海上风电多采用柔性高压直流(VSCHVDC)输电。

为了分析电网静态电压水平，在海上风场建模中，重点考虑海底电缆和集电系统结构对电网电压的影响。根据现有的海上风电项目(东海大桥海上风电场等)和风电场设计、并网准则［3］，建立的海上风场模型如图1所示。

2 风电场对电压的影响

图1 海上风场模型Fig．1 Wind field model at sea

风电功率存在间歇性和随机性，大规模风电接入电网后，将对局部电网的运行调度、无功补偿及电能质量造成明显影响［4］。对于已建成风电场，其对电压的影响主要体现在风机特性和无功补偿方式上。

在风机特性方面，风电机组输出的有功功率主要依赖于风速;定速风机吸收的无功随有功波动而波动，双馈风机一般采用恒功率因数控制，因而无功波动较小。在并网风电机组持续运行中，受塔影效应、偏航误差等影响，风电机组输出功率会有所波动［5］。此外，风电机组在启动、停止等过程中也会产生电压波动和闪变［6］。

在无功补偿方面，风电场并网运行会对系统电压质量产生负面影响，这源于风电机组、汇集系统、升压变及送出线路等的无功损耗。现有的无功补偿装置基本能满足电力系统的要求，但存在响应速度慢和调节不平滑的缺点。静止无功补偿器(SVC)将电力电子元件引入到传统的并联无功补偿装置中，可以实现快速补偿和平滑调节。除风电场内部补偿外，还可以利用SVC提高大规模风电并网后的电压质量和系统稳定性［7］。

3 仿真分析

3.1 电网概况

本文以中国东部某地区电网为研究对象，该地区有500 kV变电站两座(A0站和B0站)，规划建设5个风电场(装机总容量为1711 MW，同时率按0.85考虑，总出力为1454 MW)。海上风场(海上风场SA1和SB1，出力分别为510 MW和340 MW)两个，考虑到现阶段海上风场规模有限，两个海上风电场均采用集中交流电缆接入地区220 kV电网。该地区电网结构如图2所示。

陆地风电机组采用GE公司1.5 MW双馈风机，海上风机采用GE公司3.6 MW双馈风电机组模型。风电机组按最恶劣情况运行，即运行在恒功率因数控制模式(功率因数为1.0 pu)。在仿真分析中，所有风电场均考虑实际SVC作用(控制电压设置为1.0 pu)。

图2 东部某地区电网Fig.2 A region power grid in Eastern

3.2 风电场模型对电网电压影响

采用3种模型(模型1，集中模型;模型2，陆地风电模型;模型3，陆地及海上风电模型)分析风电出力变化对该地区电网电压影响。在风电出力变化过程中，电力系统低压无功补偿、其它机组开停机方式以及机组机端电压等均保持不变。模拟该地区风电从零到最大(85%)出力变化过程，该地区220 kV电网各变电站电压统计结果如表1和表2所示。

表1 3种模型下地区电网静态电压水平Tab.1 3 models of power grid static voltage in a region

根据表1可以画出6种运行方式下该地区电网静态电压对比曲线，如图3所示。

图3 3种模型下地区电网静态电压比较Fig.3 Comparison 3 models of power grid static voltage in region

由表1和图3分析可知:

1)在3种模型(集中模型、陆地风电模型和陆地及海上风电模型)中，电网静态电压变化趋势一致，说明3种模型均为有效。

2)海上风场SA1和SB1的母线电压均最高，分别比相邻变电站220 kV母线(A1和B0)高4 kV和5 kV。这说明受海缆充电功率影响，海上风场近区母线电压一般偏高。

3)3个风电场群的中间地区电压都普遍偏低，电压最低点位于A6站220 kV母线，应注意在A6变电站加装无功补偿装置，防止出现电压崩溃问题。

4)同一模型下，风电零出力时电网电压水平高于最大出力时的电压水平。模型2在风电零出力方式下电网电压水平最高，模型1在风电最大出力方式下电网电压水平最低。模型3(陆地及海上风电模型)的电网电压水平略高于模型1(集中模型)，但是与模型2(陆地风电模型)有相当大的差距。

表2 3种模型下母线电压波动百分比Tab.2 3 models of bus voltage fluctuation percentage

图4 不同模型下电压波动百分比Fig.4 Different models of voltage fluctuation percentage

根据表2可以画出3种模型对电网静态电压波动曲线，如下图4所示。

表3 SVC和风机协调控制方案Tab.3 SVC and fan coordinate control scheme

由表2和图4分析可知:在风电出力变化过程中，采用集中模型仿真时母线电压波动比值最大，陆地风电模型时母线电压波动最小。但是，海上风电场SA1、SB1近区的母线电压波动值不符合此规律，在考虑陆地及海上风电模型时，SA1、SB1母线电压波动比值明显增大;邻近LB1、B0、B2母线电压波动比值与另外两种模型相比却明显较小，主要原因是海上风场充电功率抬高了近区母线电压水平，减轻了母线电压波动。

3.3 海上风电近区电压偏高的措施

由于海上风场近区母线电压水平偏高，电压波动较大，建议通过调整海上风场SVC及风机的控制策略，缓解风电出力变化时海上风场近区电压水平偏高及电压波动较大的影响。以海上及陆地风电模型为例，提出了一种风机和SVC协调控制方案，如表3所示。

将表3与表2对比分析可知，通过协调SVC和风机的控制策略，可以显著降低海上风电近区电压水平和电压波动水平。可选用的协调控制策略有很多，如风机由恒功率控制改为恒电压控制方式、考虑双馈风机吸收部分无功能力等［8］，将这些风机控制策略与SVC控制方式协调配合应用，均能不同程度解决海上风电并网的电压问题。

4 结论

1)海上风场在网络架构和并网特性等方面与陆地风电存在较大区别，出口电压会显著升高，将近区变电站的电压抬高。

2)风电场SVC和风机协调控制方案能够解决海上风电产生的电压偏高问题。

3)3种模型下静态电压变化趋势是一致的，电压水平和模型复杂度上有较大差别，要根据精确度要求、主体差异和电压波动范围等选择合适的模型，以便降低研究难度。

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