含无功补偿装置的风电并网系统暂态电压稳定性研究

吴丽娜，邵龙，刘观起，陶善宏

（1. 华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定 071003；2. 国家电网山西省电力公司 计量中心，山西 太原 030002）

风力发电技术作为目前技术最成熟、商业开发价值最高的新型发电技术，近几年得到了快速发展。但是随着风电的不断发展，风电并网容量的不断增加，大规模风电并网给电力系统带来了很多新问题[1-2]。风电输出功率的随机性和波动性或电网发生故障可能导致风电场整体退出运行，极大地破坏了电网的功率平衡，这种大的扰动使得电网的暂态电压稳定性受到了严重威胁[3]。因此对大规模风电并网的暂态电压稳定性进行研究具有十分重要的意义。

风电并网系统的暂态电压稳定性研究主要是针对系统风速波动或发生短路故障等扰动时，对系统各个节点的电压稳定性进行分析。无功补偿是提高系统电压稳定性的重要措施。目前风电场主要通过安装并联电容器、SVC等无功补偿设备来调节无功，维持系统电压稳定。文献[4-5]研究了动态无功补偿设备（SVC、STATCOM等）对含风电电力系统的电压支撑作用。文献[6]在MATLAB中建立了SVC、STATCOM的控制器模型，通过对含风电电力系统的建模仿真，分析比较了SVC和STATCOM的动态无功补偿效果。

本文以国内某一风电并网容量很大的实际电网为研究对象，对大规模风电接入电网后的暂态电压稳定性进行分析研究。通过运用BPA软件搭建模型，并进行仿真，分析研究了风速变化、系统发生短路故障2种风电并网中常见的扰动对电网暂态电压稳定性的影响，同时对比分析了SVC、STATCOM这2种动态无功补偿设备在系统遭受扰动时对系统电压的支撑作用。

1 电压失稳机理及分析方法

1.1 电压失稳的动态机理解释

随着电压稳定性的深入研究，考虑发电机、负荷及其他动态元件影响的动态失稳机理也应运而生[7]。

对于图1所示的简单系统模型，在系统中考虑发电机、励磁系统以及电动机动态作用。如果系统遭受一小干扰，使电动机的端电压有所减小，那么：

图1 简单系统接线图Fig. 1 Simple system wiring diagram

1）假定电动机机械负荷为恒功率负荷，端电压降低会导致电动机定子电流的增加；

2）定子电流的增加增大了线路上的电压降落，进一步降低了电动机的端电压；

3）电动机端电压下降导致线路充电功率的减小，使系统中无功更加缺乏；

3.格兰杰因果检验。利用格兰杰因果分析对数据指标之间的关系进行实证检验，得出人民币汇率预期（DNDF）、境内外利差（DLC）与货物贸易跨境资金流出（DLOHW）之间的格兰杰因果关系（如表3所示）。从结果来看，人民币汇率预期（DNDF）与货物贸易跨境资金流出（DLOHW）之间存在双向格兰杰因果关系，境内外利差（DLC）与货物贸易跨境资金流出（DLOHW）之间也存在双向格兰杰因果关系，且人民币汇率预期（DNDF）对货物贸易跨境资金流出（DLOHW）的影响较境内外利差（DLC）对货物贸易跨境资金流出（DLOHW）的影响显著。

4）电动机定子电流的增加导致发电机输出电流的增加，在发电机励磁电流达到极限后，由于电枢反应将引起气隙磁通的减少，导致发电机内电动势减小，从而使发电机端电压下降，发电机的无功输出减少，最终造成系统电压进一步降低。如此恶性循环，导致电压失稳，直至最后发生电压崩溃[8]。

1.2 暂态电压稳定性分析计算方法

当电力系统遭受短路故障或其他类型的大扰动时可能使系统失去稳定。这时为了能够真正揭示系统电压稳定问题的机理以及在大扰动下的动态特性，对于系统动态行为的描述必须保留其非线性特征。时域仿真法是从电力系统的微分-代数方程出发，在保留系统非线性特征及考虑元件动态作用的前提下，采用数值积分方法，求取电压及其他电气量随时间变化的一种方法，是分析系统暂态电压稳定动态过程的基本方法。时域仿真法具有信息直观丰富，算法原理简单，数学模型详尽，对不同装置模型的适应性强，以及能提供系统状态变量的时间响应等优点[9]，是研究电力系统稳定问题的最有效方法，可应用于分析电压失稳机理、电压稳定极限的检验以及给出预防校正电压稳定的措施等。

2 无功补偿设备

考虑到电压稳定性的降低主要是由于局部无功不足造成的，所以配备无功电源是改善电压稳定性的重要方法。并联电容器是一种传统的无功补偿方法，但是由于其调节性能差，响应速度慢，难以满足补偿要求。随着电力电子技术的迅速发展，出现了能够快速、有效补偿系统无功功率的FACTS装置，其中SVC和STATCOM是FACTS装置中2种重要的组成成员。

SVC（静止无功补偿装置）常指基于晶闸管控制的静止无功补偿装置。它可以辅助风电场进行无功调节，当电网侧发生较大故障时，SVC可以根据节点电压或者功率因数来调整其无功功率的输出，为电网提供动态电压支撑，改善系统的运行性能。

STATCOM（同步补偿器）是一种基于PWM 整流器拓扑结构的动态无功补偿设备，它可以快速调节风电系统的无功功率，对维持节点电压、补偿不平衡负荷、抑制电压闪变和阻尼震荡以及提高系统暂态稳定性发挥着重要的作用[10-14]。与SVC相比，STATCOM具有体积小、响应速度快、稳定性好、吸收无功连续且输出无功不依赖于节点电压的优点[15-16]。

3 仿真系统描述

本文以国内某城市电网A为例分析大规模风电接入电网对暂态电压稳定性的影响。在电网A中，35 kV以上变电站总计40座，主变一共76台，总容量5 715.5 MV·A，其中500 kV变电站2座，主变4台，总容量为3 000 MV·A，220 kV变电站主变26台，总容量为2 646 MV·A，有载调压变压器22台；66 kV变电站主变46台，总容量1 569.5 MV·A，有载调压变压器39台。220 kV线路67回，总长度2 790.03 km；66 kV线路205回，总长度4 012.073 9 km。火电厂11座，总容量4 521 MW。水电厂2座，总容量23.3 MW。风电场25座，总容量3 584 MW。电网A的接线图如图2所示。

图2 电网接线图Fig. 2 Grid wiring diagram

4 大规模风电并网对暂态电压稳定性的影响

由于风力发电的随机性与波动性，风电场不会始终保持额定功率运行。实际情况是风力发电场在多数时间都不是处于满发状态，所以结合电网A的实际运行情况，选取以风电场额定功率的30%发出有功功率来分析暂态电压稳定性。

4.1 风速变化的影响

设定阵风风速的峰值为4 m/s，风速从50 ms开始变化，直到200 ms时阵风消失。渐进风从400 ms开始产生，到500 ms时达到最大值4 m/s。风速变化曲线如图3所示。

在未配置无功补偿设备时，从50 ms开始风速变大，电压下降。从图4（a）可以看出，电压水平由原先的1.038 1 pu开始降低，在阵风风速达到最大值3 m/s时，电压水平降到了最低值1.024 1 pu，之后随着阵风风速的降低，节点电压基本回升到原先水平，最大下降幅度为1.35%。从400 ms开始，风速以渐进的速度增长，最大达到4 m/s，节点电压水平也随着风速的增加下降，下降幅度比阵风影响时的下降幅度小，渐进风消失，节点电压逐步上升。

图3 风速变化示意图Fig. 3 Schematic diagram of wind speed changes

图4 风速变化对电压的影响Fig. 4 Impact of wind changes on the voltage

从图4（b）可知，装设了SVC之后，电压变化趋势与未配置无功补偿设备时基本一致，但是下降幅度有所减小。从图4（c）可知，装设了STATCOM之后，电压变化趋势也与未配置无功补偿设备时基本一致，但是电压下降幅度比装设SVC时更小。

在未装设动态无功补偿设备、装设SVC以及装设STATCOM 3种情况下，风速变化引起的电压变化情况统计如表1所示。

表1 风速变化对电压的影响Tab. 1 Impact of wind changes on the voltage

根据图4和表1可以看出，当风速突然增加时，系统的电压水平会降低；当风速恢复正常时，系统电压也基本恢复到原先水平。在装设SVC或STATCOM后，风速突变时，电压下降幅度会减小，而且STATCOM对电压的支撑作用更加明显。

4.2 短路故障的影响

短路故障是系统中最常见的故障形式，也是危害最大的故障形式。在分析风电接入对电力系统电压稳定性的影响时，必须要考虑到系统发生短路故障时，风电场的存在对系统电压稳定性的影响。选取容量最大的风电场的并网点处设置单相短路与三相短路故障，对这2种情况进行分析。

4.2.1 单相短路故障的影响

代力吉风电场装机容量为297 MW，是整个电网A中装机容量最大的风电场之一，故选取代力吉风电场进行分析。设定在代力吉风电场与宝龙山变电站相连的220 kV线路上靠近风电场侧的位置发生单相短路，在未配置动态无功补偿设备、66 kV侧配备30 MV·A的SVC以及66 kV侧配备30 MV·A的STATCOM这3种情况下，宝龙山变电站的电压变化情况分别如图5（a）、（b）、（c）所示。

从图中可以看出，未配置动态无功补偿设备情况下发生单相接地短路时，电压水平从1.038 1 pu下降到0.714 7 pu，在故障切除后，电压基本恢复到原先水平。

当在变电站66 kV侧配置有30 MV·A的SVC或STATCOM时，发生单相接地短路后，电压变化趋势与未配置动态无功补偿设备时基本一致，装设STATCOM时的电压下降幅度比装设SVC时要小。

4.2.2 三相短路故障的影响

设定在代力吉风电场与宝龙山变电站相连的220 kV线路上靠近风电场侧的位置发生三相短路，在未配置动态无功补偿设备、66 kV侧配备30 MV·A的SVC以及66 kV侧配备30 MV·A的STATCOM这3种情况下，宝龙山变电站的电压变化情况分别如图6（a）、（b）、（c）所示。在未配置动态无功补偿设备情况下发生三相短路时，电压水平从1.038 1 pu下降到0.281 5 pu。故障切除后，电压基本恢复到原先水平。当在变电站66 kV侧配置有30 MV·A的SVC或STATCOM时，发生三相短路后，补偿装置向系统输出大量的无功功率，提供了电压支撑，有效地抬升了电压，且装设STATCOM时的电压抬高幅度比装设SVC时要大。

图5 单相短路故障对电压的影响Fig. 5 Impact of single-phase short circuit fault on the voltage

在未装设动态无功补偿设备、装设SVC以及装设STATCOM 3种情况下，短路故障对电网电压的影响情况如表2所示。

根据图5、图6和表2可以看出，对于单相接地短路与三相接地短路2种情况，在系统发生短路故障时，系统电压下降很明显，在装设了SVC或STATCOM后，下降幅度有所减小，而且在装设STATCOM后，电压下降幅度减小得更多。在系统遭受扰动后，动态无功补偿设备对系统电压有支撑作用，而且STATCOM的支撑作用大于SVC的支撑作用。

表2 短路故障对电压的影响Tab. 2 Impact of short-circuit fault on the voltage

图6 三相短路故障对电压的影响Fig. 6 Impact of three-phase short circuit fault on the voltage

5 结语

风速变化以及系统的短路故障都会对系统的暂态电压稳定性造成严重影响。当风速突然增加时，系统的电压水平会降低，当风速恢复正常时，系统电压也基本恢复到原先水平。在装设SVC或STATCOM后，风速突变时，电压下降幅度会减小，而且STATCOM对电压的支撑作用更加明显。对于单相接地短路与三相接地短路2种情况，在系统发生短路故障时，系统电压下降很明显，在装设SVC或STATCOM后，下降幅度均有所减小，而且在装设STATCOM后，电压下降幅度减小得更多，即STATCOM对电压的支撑作用大于SVC的支撑作用。

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