大型风电集群无功电压特性研究

梁纪峰，戎士洋，齐 全，耿 亮

（1.国网河北省电力公司电力科学研究院，河北 石家庄 050021；2.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006；3.国网石家庄供电公司，河北 石家庄 050081）

大型风电集群无功电压特性研究

梁纪峰1，戎士洋1，齐 全2，耿 亮3

（1.国网河北省电力公司电力科学研究院，河北 石家庄 050021；2.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006；3.国网石家庄供电公司，河北 石家庄 050081）

通过研究大型风电集群所具有的无功电压特性，为制定风电集群无功电压综合控制方案提供借鉴。通过对瓜州地区风电集群实际有功出力的统计分析，及进行大量的离线仿真计算，分别研究了风电集群在长时间尺度和短时间尺度下的有功出力特性，风电场并网点的P－V特性，风电集群无功损耗的分布状况，风电集群接入的电网所具有的无功电压特性，电网的短路容量与风电集群电压稳定性的关系，初步揭示了大型风电集群的无功电压特性。

风电集群；无功电压；无功损耗；短路容量

随着我国风电产业的快速发展，在三北地区形成了多个百万kW甚至千万kW风电基地。由于风电出力具有随机性、波动性和不稳定性等特点，当大量风机集中接入某一个末端电网时候，将造成电网的有功潮流和无功电压的频繁波动，在薄弱的系统接入点，风电有功和无功出力的波动将急剧恶化局部地区的无功电压状况。由于已经投运的风电机组大部分不具备低电压穿越能力，因此，在风电场发生局部故障的情况下，经常导致大规模风电机组脱网事故的发生，严重情况下，甚至能够引发电网稳定问题［1－4］。因此，研究大型风电集群及其接入电网的无功电压特性，为制定科学有效的无功电压综合控制方案具有重要价值，本文主要通过对瓜州地区具有代表性的风电集群进行仿真计算，研究分析风电集群集中接入电网后的无功电压特性。

1 风电集群有功出力特性概述

在我国目前的大型风电连片开发地区，风电机组和风电场分布在广袤的戈壁、草原和沙漠上，往往是方圆几百里遍布大大小小的风电场。当这些地区出现大风天气时候，从大风吹来的方向开始，依次经过坐落于不同地区的风电场，大风吹过所有风电场的时间差较大，各风电场机组的出力升速也不同，在几min和几十min的时间尺度内，各风电场的有功出力具有一定的互补性［5］，风电场的集中连片分布，降低了风电出力的随机性和不稳定性。当大风天气持续较长时间时，各风电场的风况较为接近，风电场出力特性将为趋于接近，这时候，大面积连片风电场的有功出力将具有很强的相关性，导致大型风电集群的有功总出力波动幅度很大。

2 风电集群无功电压特性研究

2.1 风电集群P－V特性分析

目前，我国大型风电基地采用的风机类型主要有：鼠笼式异步风电机组、双馈式异步风电机组和多极永磁直驱式同步风电机组。鼠笼式异步风电机组不能发出或吸收无功功率，只能从电网吸收无功功率建立机端电压；双馈式异步风机具有一定的无功功率调节能力，但是受限于转子侧变流器的容量，无功调节容量很有限；永磁直驱式同步风机具有很好的无功调节能力，但是目前并网的该型机组还较少［6－7］。因此大型风电集群主要是以双馈式异步风电机组为主，当风电集群有功出力变化时，风电集群送出通道上的无功损耗将会随之变化，风电集群接入点的电压也将因无功功率支撑的变化而变化，图1为风电集群接入点电压随风电集群有功出力波动而变化的P－V曲线，风电集群有功出力的基准值为额定装机容量700 MW。

图1 风电集群接入点P－V曲线

由P－V可知，风电集群的有功出力与风电集群的集中接入点的电压呈一定的负相关性。大风天气，风电集群大出力时，风电送出通道的无功损耗增加，风电集中接入点缺乏无功功率支撑，电压降低；无风和弱风天气，风电集群出力较小，风电送出通道的无功损耗较小，风电集中接入点具有足够的无功功率，电压升高。

2.2 风电集群无功损耗特性

图2为甘肃瓜州地区某风电集群的并网示意图，A1～A3为3座双馈式风电机组风电场等值成的风电机组，装机容量分别199 MW、199 MW和299 MW，通过两级升压接入风电场并网点330 kV母线，多个风电集群通过330／750 kV升压变接入750 kV主网。考虑目前在运的风电机组大多只能按－0.98～0.98的功率因数范围进行恒功率因数模式运行［8］，因此风机最大无功支撑能力为按0.98恒功率因数模式运行。

图2 风电集群并网模型

当风电集群按0.98恒功率因数运行时，随着风电集群有功出力的连续增加，无功损耗也快速增加，风电集群内的各部分的无功损耗量如表1所示。

表1 无功损耗随有功出力变化情况

从表1数据可知，在风电集群中，从风电机组到330 kV风电场并网点的总无功损耗中，0.69／35 kV和35／330 kV两级升压变的无功损耗占风电集群总无功损耗的80%左右，是风电集群的主要无功负荷，如图3所示。当风电集群有功出力在额定装机容量的60%以下时，风机提供的感性无功可以满足风电集群的无功需求；当风电场有功出力超过额定装机容量的60%时，风电集群的等值无功负荷大于风机提供的无功功率，需要从主网吸收无功或者依靠无功补偿设备补偿风电集群的无功损耗。

图3 风电集群无功损耗分布

3 风电集群并网点无功电压特性

3.1 电网无功电压特性分析

大型风电集群一般都是通过多级升压站升压和电流汇集，接入一个超高压电网送出系统，而超高压输电线对地电容产生很高的容性无功功率，当风电出力随着风速变化而变化时，超高压线路上的潮流和输变电设备上产生的无功损耗也随之不断变化，此时，超高压线路上富裕的大量容性无功功率将随无功损耗的变化而波动，从而造成电压的大幅度波动，严重影响末端电网和风电集群内部的电压稳定性。风电大出力时，风电集群内部的输变电设备和超高压输变电设备潮流重载，末端电网各节点电压严重偏低，无风和弱风时候，潮流轻载，风电集群和末端电网各节点电压又严重偏高。

由于目前大多数风电场以鼠笼式异步风机和双馈异步风机为主，风电机组不具备无功调节能力或具有有限的无功支撑能力，风电机组只能以恒功率因数模式运行，为了支撑风电出力的送出和提高风电集群的电压稳定性，因此需要对风电机组和风电场进行无功补偿设计，如在风电场安装电容电抗器、SVC和SVG等无功补偿设备等。根据实际统计分析风电场出力分布状况，风电集群的出力95%的时间是在风电场额定容量65%以下，出于投资回收和经济性的考虑，目前风电场内无功补偿设备的配置仅具备支撑大部分时间内的风电出力及其送出，对于风电极端出力情况下的无功电压支撑尚无能为力。

3.2 电网短路容量的影响

电力系统的短路容量是衡量电压稳定的一个重要指标，短路容量大的系统，系统联系紧密，网架结构坚强，具有较高的电压稳定性；短路容量小的系统，电网内部联系不够紧密，网架结构比较薄弱，电压稳定性较低。在相同的潮流波动情况下，短路容量小的系统电压波动比短路容量小的系统大。

大规模风电场采用的风电场分层分区接入及打捆外送的并网方式，可以有效避免在单一风电场或变电站内发生故障时引起大面积的停电事故，提高系统的可靠性。分层分区的风电场接入方式，导致电网网架结构薄弱，降低了风电接入地区电网的短路容量，也即降低了风电集中接入电网的电压稳定性。对比瓜州风电基地周边母线短路电流水平和甘肃主网的短路电流水平，可以发现瓜州地区同类母线短路电流只有甘肃主网的不到1／2，短路水平明显偏低（见表2）。

风电集群接入的电网由于短路容量小，在风电出力变化时，接入点母线电压水平波动也比较大。图2所示风电集群在35%P的初始出力水平下，风电集群以0.98恒功率因数运行，风电集群330 kV升压站的SVC全部投入运行，不采取其他无功电压调节措施，当风电集群出力分别上下波动5%P和10%P时，风电集群接入的750 kV母线电压变化如表3所示。

表2 甘肃主网及瓜州地区部分母线短路水平

表3 风电集群接入点电压变化情况

由表3中电压数据可以看出，随着风电集群的有功出力增加，风电集群接入点750 kV母线电压波动幅度较大，当风电集群有功出力变化5%P时，风电集群接入点750 kV母线电压波动在10 kV左右，当风电集群有功出力变化10%P时，风电集群接入点750 kV母线电压波动在20 kV左右，电压波动幅度非常大。这也从短路容量的角度解释了大规模风电集中接入地区电网随风电出力变化，电压波动比较大的原因。

4 结论

a.在短时间尺度内，风电集群各风电场有功出力具有互补性，在小时级以上的长时间尺度内，同一地区的各风电群的有功出力具有相关性。

b.风电集群并网点电压与风电场的有功出力水平呈现正相关特性。

c.风电集群内的无功损耗分布中，69／35 kV和35／330 kV两级升压变的无功损耗占总无功损耗的80%左右。

d.由于风电机组无功调节容量有限，风电场升压站中配备的无功补偿设备不足于平衡风电出力水平超过65%时的无功补偿需求。

e.风电集群接入的电网短路容量越大，风电集群的电压稳定水平越高。

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Research on Reactive Voltage Characteristic of Clusters for Large⁃scale Wind⁃power

LIANG Ji⁃feng1，RONG Shi⁃yang1，QI Quan2，GENG Liang3
（1.Electric Power Research Institute of State Grid Hebei Electric Power Co.，Ltd.，Shijiazhuang，Hebei 050021，China；2.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China；3.Sate Grid Shijiazhuang Power Supply Corporation，Shijiazhuang，Hebei 050081，China）

By studying reactive voltage characteristics of clusters for large wind⁃power，reference for the development of wind power cluster reactive power and voltage control scheme is provided.Through the statistical analysis for Guazhou area wind power cluster actu⁃al active outpot，and a lot of off⁃line simulation，wind power clusters active output characteristics were investigated at short time scales and scales，P⁃V characteristics of the wind farm access point，the distribution of wind power cluster reactive power loss，the reactive power and voltage characteristics of the power grid wind power cluster access，the relationship short⁃circuit capacity of grid with wind power cluster voltage stability.All of which initially revealed reactive voltage characteristic clusters of large⁃scale wind power.

wind power clusters；Reactive power and voltage；Reactive power loss；Short⁃circuit capacity

TM614；TM761＋.1

A

1004－7913（2015）02－0035－03

梁纪峰（1985—），男，硕士，工程师，研究方向为电力系统运行、分析与控制。

2014－11－25）