含分布式风电的配网电压特性研究

吴阳 郑兴龙 刘振笃 赫超

（甘肃省电力公司检修公司）

含分布式风电的配网电压特性研究

吴阳 郑兴龙 刘振笃 赫超

（甘肃省电力公司检修公司）

风电分布式接入配网的形式越来越普遍，本文对分布式风电接入后对接入点和整个配网电压的影响进行了推导，分析了对电压影响显著的一些因素，并做了仿真验证。含分布式风电接入配网经常会出现过电压的现象，本文对这一现象做了仿真，并提出了几种应对策略，包括改变DFIG的控制方式，降低功率因数，降低电压参考值及其他一些方法，多种策略综合使用才能有效地解决这一问题。

DFIG；分布式；电压特性；过电压

0 引言

风电是最具大规模商业开发潜力、最具活力、取之不尽用之不竭且使用清洁、安全的可再生能源电力之一。同时，风力发电还具有技术相对成熟、装机容量增长空间大，成本相对其他形式新能源较低等优势［1］。

然而风电并网会改变原有电力系统网络潮流的分布，加之风电自身固有的无功特性，使得风电接入对电网电压冲击显得尤为突出。随着技术的不断进步，并网风机中定速类风机将逐渐退出历史舞台，变速类风机越来越受风电开发商青睐，变速风机中其中双馈式风力发电机（DFIG）以其较少的变流器代价和有功、无功功率解耦合等优点，逐渐成为主流趋势。文献［2］分析双馈风电机组无功功率极限的计算方法，探讨了风电场对电网无功调节的作用，即如何有效发挥风电场自身的无功调节能力，但缺乏机组有功随机波动对其无功输出影响的考虑。文献［3］按接入电网节点的电压偏差量整定风电场无功需求，并以等功率因数方式分配至各个机组，但分配过程中没有充分考虑机组无功功率波动的问题。文献［4］研究了双馈感应风电机组的无功特性及相关风电场的无功电压控制问题，并在双馈感应风电机组无功功率极限、风电场分层无功电压控制策略、网侧变流器紧急无功控制策略等方面做出了阐述。文献［5］提出一种基于降阶雅可比矩阵的并网风电场无功/电压支撑能力评估方法。该方法将研究区域中的发电机节点和负荷节点以及可能的无功补偿安装地点视为注入节点，通过雅可比矩阵降阶的方法消去系统中的其他节点，得到仅包含研究区域的部分节点降阶雅可比矩阵，为后续分析提供了便利。

本文首先利用戴维南等效定理简化了含分布式配网的网络结构，推导出接入点电压的表达式；然后利用叠加定理，推导出含分布式配网内节点电压的表达式，分析了其相关的因素及变化特性，并利用仿真软件Digsilent进行验证，说明分析的正确性。针对配网中接入分布式风电出现过电压的现象，提出应对策略，并辅以一些仿真，说明策略的可行性。

1 分布式风电接入配网电压特性

1.1 风电场接入点电压特性

对分布式风电的配电网，可在分布式风电并入点将系统简化为如图1所示。

图1 含分布式风电的配网

可以进一步将它简化为一个戴维南等效电路，如图2所示。

图2 等效电路

当分布式风电接入或者接入功率波动时，为了将接入点电压特性与系统阻抗比，短路容量等因素联系起来，在这里直接取其变化量来进行分析。

假设风电场接入或者功率波动引起的电流变化值为，进而可得在风电场接入点的电压变化的值可表达为

式中，ΔU2为风电场接入点电压变化量；Rsc和Xsc分别为系统等效电路的短路电阻和短路电抗；Zsc为系统等效电路的短路阻抗； φsc为系统短路阻抗角；ΔSw为风电场投入功率变化量；θ为风电场输出功率因数角；ΔIp和ΔIq分别为有功和无功电流变化量；ΔI为电流变化量；U2为原网络中节点2的电压值。由上面的推导可知风电场并入后接入点的电压变化可看做是一个以其原来电压矢量终点为圆心的函数簇。

下面来分析与风电场接入点电压有关的因素：

1）决定了系统短路阻抗角 ，进而决定了圆弧半径的变化范围。

2）对接入点电压变化量的大小和相位均有影响。

3）影响圆的大小，短路容量越大，接入点电压变化量越小，即风电场对网络的影响越小。

4）决定圆的圆心，对圆的大小也有影响。

1.2 含分布式风电的配网内节点电压特性

（1）利用叠加定理计算节点电压

对一个含分布式风电的配电网，假设其负荷沿馈线均匀分布，线路上总负荷为PL+jQL，则其有功和无功潮流将随线路长度增加而递减，距馈线首端d处左右两端有功潮流可表达为，无功功率的表达式与之类似。DFIG连接在距离变电站节点为 d1的地方，风机出力为Pw+jQw。在分析时利用叠加定理求取距馈线首端处节点的电压。分析时可将电压变化量分为水平分量和垂直分量，但通常线路两端的相位移不大，在实际计算中可忽略其垂直分量，用水平分量来近似。

图3 系统简图

当系统电源单独作用时，系统等效图如图4所示。

图4 系统电源单独作用等效图

利用电压降公式可将电压变化量表示为

当风电场单独作用时，系统等效图如图5所示。

图5 风力机单独作用时等效图

由于风电场接入点1d并不确定，故需要分情况来分析：

当O＜d1＜d时，

（2）配网内节点电压特性

将两部分电压降落变化量叠加起来，注意符号并化简，可得

对d求导，进而分析配网内节点电压变化趋势

令其一阶导数为0，即可得到原方程函数的极点，进而判断电压变化趋势

解之得

借此，可以根据风力机的出力来分析各节点的电压特性∶

1）当风力机渗透率非常高时，Pw＞PL，此时d′＜O系统中没有功率分点，在风力机接入点d1取得极值，电压向两端逐渐下降，但都大于首端节点电压。

2）当（1-d1l）PL＜Pw＜PL，此时d′＜d1，功率分点在风力机接入点之前，此时整条馈线电压在O～d′段，电压逐渐下降；d′～d1段，电压略有上升；d1`～l段，电压再逐渐下降。

3）当Pw＜（1-d1l）PL时，d′＞d1则d′=l，即相当于无功率分点。馈线上各节点电压逐渐降低，但在d1点前后电压下降速率变缓，馈线末端电压最低。

在Digsilent软件平台下搭建如图6所示的7节点10kV辐射型配电网图。

图6 仿真系统拓扑图

该条线路总负荷平均分配到1～6号节点上。U0为变电站节点，令U0=1.00pu。假设DFIG工作在单位功率因数下（即只发有功）。线路参数采用LGJ—95，Z=（0.33+j0.37）Ω/km。系统潮流计算采用牛顿拉夫逊方法解潮流。

2.2 风电场接入点电压特性分析

根据式（1）分析可知，对于风电场接入点的电压有影响的因素有系统短路阻抗角φsc，风电场投入功率变化量ΔSw和风电场输出功率因数角θ等，但这些因素互相关联，比如若改变短路阻抗比，那么系统的结构必会发生变化，短路容量、接入点原点压也会随之变化，很难提取出来单一的因素，来进行分析。本文中将改变较为显性的负荷有功无功比和风电场输出功率变化作为变量，同时辅以其他因素的变化趋势来分析接入点电压的特性。

2 仿真分析

2.1 仿真模型建立

表 不同情况下接入点各项数值

分析上表，可得如下结论：

1）风电场接入后，接入点电压会有一定的提升。若直接以DFIG接入前后电压变化量的标幺值看，其电压变化的绝对值不大，基本都相似；但若与DFIG接入前电压的相对值来比较，则很明显，短路容量越小，电压变化的相对值变化越大，这点无论是从无功变化还是有功变化上来看，都是成立的。

2）风电场接入后，接入点电压的功角角度也会有一定的增加，如上表所示，功角的变化是向感性偏移的。总体上看，功角的变化与原系统负荷特性，原电压，接入DFIG输出的功率因数等很多因素有关，但它的变化量很小，几乎可以忽略，故很少有文献是关于分布式电源接入系统功角变化的分析。

2.3 风电场接入后系统内节点电压特性分析

如图7所示，将原仿真模型进行一定改动，将风电场接入点改到节点5，首节点电压 ，不带负荷，其余各节点负荷均为0.4MW，改变接入DFIG的功率，做出各节点电压的变化曲线。

图7 仿真模型

图8、图9为接入不同容量的DFIG，系统各节点电压的值。

图8 DFIG注入功率改变，各节点电压分布

图9 DFIG注入功率改变，各节点电压变化

由上图分析，并结合前面的理论推导，可得出如下的结论：DFIG接入后对整个系统节点电压都有抬升效果，容量越大，抬升效果越高；如果DFIG接入容量小于下游线路上的负荷，则系统电压整体上沿首段到末端降低，但在接入点之后的下降速度减缓；若DFIG接入的容量大于下游线路上的负荷但小于整个线路上的负荷，那么电压沿线路首端下降，在DFIG接入点之前出现一个极小值，电压上升，在接入点得到最大值，然后继续下降；若DFIG接入容量大于线路上的总负荷，那么电压极大值出现在接入点，并向两端逐渐下降。

3 风电场接入点高电压现象分析

随着越来越多的风电场的投入运行，近些年来风电汇集地区发生了许多风机脱网事故。中国对风电机组高电压穿越能力没有明确的规定，仅在国标19963—2011《风电场接入电力系统技术规定》中要求“当风电场并网点电压在额定电压的90%～110%时，风电机组应能正常运行；当风电场并网点电压超过额定电压的110%时，风电场的运行状态有风电机组的性能确定。”很多情况下，风电投入时，若系统处于轻载状态，随着风电出力的增加，接入点电压逐渐增加，将会超出限值，引起风机脱网的事故。

3.1风电场接入点高电压现象仿真

仿真模型沿用前面的模型，各节点负荷均为0.3MW，接入点为系统末端，DFIG额定功率为1.4MW，DFIG出力逐渐增大，得到如图10所示的电压值。

图10 DFIG不同出力下电压值

由图中可以看出，当系统轻载时，线路上节点的电压会随着DFIG的出力的增加而升高，若系统末端接有几台风机，对系统都有功率输出，则系统末端电压必定会越限，引起风电机组的脱网。

3.2 应对策略

（1）改变DFIG的控制策略

双馈型风力发电机有功和无功能进行解耦控制，其机输出的功率因数是可控的。一般的DFIG的功率因数在-0.95～0.95之间是可调的。将DFIG的功率因数设置为负的，即吸收无功功率，可在一定程度上降低系统的电压。观察图11可知，功率因数越低，电压标幺值越低。

图11 改变功率因数后系统电压值

DFIG还有电压控制的方式，在该控制模式下，降低电压控制方式下的电压参考值，也可以在一定程度上降低系统的电压值。

但是改变DFIG控制方式来降低电压的方法都是建立在DFIG有无功吸收和无功输出的能力上的，而DFIG的无功能力与风力机本身的性能，工作状态有关，并不是说设定了风力机的控制方式，就一定能使电压降到想要的程度。对于DFIG来说，当机组有功出力较小时，网侧变频器的可调无功输出范围较大；当机组接近或处于额定状态时，网侧变频器的无功输出则可忽略不计，此时DFIG的无功调节能力很弱，并不能起到预期的效果。所以，此时就需要针对当地风电场的工作状态来确定控制方式，风力机出力未达到额定功率时，电压控制的方式可更有效地降低电压提升；当风力机出力达到额定功率时，两种控制方式的效果可能都不会很好。

（2）其他方法

加入无功补偿可以有效地改善电压，可采用的装置有SVC和SVG。SVC和SVG都是无功连续可调装置，一般这两装置都是通过电压闭环回路以保持某节点电压恒定的方式下运行的。不同的是SVC的无功输出能力电压成二次方关系，而SVG的无功输出与电压成一次方关系。

还可以从系统方面来进行一定的改善，使系统减少在轻载的情况下的运行；增加一定量的无功负荷来分担电压；在变压器分接头处适当的降低电压等。总之根据实地风电场的运行状态，多种方法结合使用，就可得到最好的降低电压越限的方法。

4 结束语

本文主要分析了风电场并入10kV配网后，接入点、配网内各节点电压特性，对影响电压特性的因素进行了分析。随后，做了仿真验证。然后针对风电场接入系统引起电压越限的现象进行了仿真，并提出了一些应对的策略。主要的结论如下：

1）风电场接入后，接入点电压会有一定的提升。短路容量越小，电压变化的相对值变化越大，反之也成立。风电场接入后，接入点电压的功角角度也会有一定的增加。

2） DFIG接入后对整个系统节点电压都有抬升效果，容量越大，抬升效果越高；如果DFIG接入容量小于下游线路上的负荷，则系统电压整体上沿首段到末端降低，但在接入点之后的下降速度减缓；若DFIG接入的容量大于下游线路上的负荷但小于整个线路上的负荷，那么电压沿线路首端下降，在DFIG接入点之前出现一个极小值，电压上升，在接入点得到最大值，然后继续下降；若DFIG接入容量大于线路上的总负荷，那么电压极大值出现在接入点，并向两端逐渐下降。

3）改变DFIG的控制策略，降低功率因数或降低电压参考值可以在一定程度上降低系统的电压值。但这两种方法受到DFIG本身性能的限制，辅以其他的一些方法，如加入无功补偿；系统减少在轻载情况下的运行；增加一定量的无功负荷来分担电压；在变压器分接头处适当的降低电压等会更有效地预防电压越限的发生。

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（2016-07-09）