劉 岱， 龐松嶺

(1.海口供電公司， 海口 570203； 2.海南電力試驗(yàn)研究所， ?？?570203)

風(fēng)電集中接入對(duì)電網(wǎng)影響分析①

劉 岱1， 龐松嶺2

(1.?？诠╇姽?， ?？?570203； 2.海南電力試驗(yàn)研究所， ?？?570203)

以某地區(qū)電網(wǎng)風(fēng)電集中接入的實(shí)際工程為例，主要分析風(fēng)電接入對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響問題并提出相應(yīng)的解決措施。文中研究了風(fēng)電場整體與電網(wǎng)的相互作用，采用一臺(tái)容量與風(fēng)電場容量相等的等值風(fēng)電機(jī)組模型進(jìn)行仿真計(jì)算，風(fēng)機(jī)模型采用異步電機(jī)模型。通過仿真結(jié)果分析指出了風(fēng)電場接入容量與電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性及功角暫態(tài)穩(wěn)定性的關(guān)系，以及提高地區(qū)電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性及增加風(fēng)電接入容量時(shí)應(yīng)考慮的措施，如增加靜止無功補(bǔ)償器。

風(fēng)電場； 電壓穩(wěn)定； 暫態(tài)穩(wěn)定； 電力系統(tǒng)； 靜止無功補(bǔ)償器

隨著我國政府對(duì)開發(fā)利用可再生能源的高度重視及《可再生能源法》的頒布實(shí)施，包括風(fēng)力發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電在內(nèi)的可再生能源發(fā)電在近幾年內(nèi)得到了較快的發(fā)展。其中，風(fēng)力發(fā)電作為技術(shù)最成熟、最具規(guī)?；_發(fā)和商業(yè)化發(fā)展的新能源發(fā)電方式之一，其發(fā)展速度居于各種可再生能源之首。

截至2006年底，全國風(fēng)電場累計(jì)裝機(jī)已達(dá)到2589 MW，而根據(jù)國家發(fā)改委風(fēng)電發(fā)展的規(guī)劃，我國2010年風(fēng)電規(guī)劃裝機(jī)容量將達(dá)到5000 MW，2020年風(fēng)電總裝機(jī)將實(shí)現(xiàn)30 GW的目標(biāo)。為了使風(fēng)電場建設(shè)工程實(shí)現(xiàn)統(tǒng)籌規(guī)劃、有序開發(fā)、分步實(shí)施、持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)，國家發(fā)改委組織了全國風(fēng)電場工程規(guī)劃工作，要求各省/自治區(qū)根據(jù)其風(fēng)能資源儲(chǔ)量及其分布，綜合考慮電網(wǎng)承受能力和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等因素，制定風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃，以促進(jìn)風(fēng)電場開發(fā)建設(shè)健康有序的進(jìn)行。

國內(nèi)外專家學(xué)者已對(duì)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)及風(fēng)電接入對(duì)電力系統(tǒng)的影響開展了廣泛而深入的研究。文獻(xiàn)[1～3]闡述了風(fēng)電接入后風(fēng)電場與電力系統(tǒng)的相互影響；文獻(xiàn)[4～7]研究了評(píng)價(jià)風(fēng)電場運(yùn)行情況、可靠性及確定風(fēng)電最大注入功率的方法；文獻(xiàn)[8～12]對(duì)包含風(fēng)電場的電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)仿真分析方法進(jìn)行了研究。

本文以某地區(qū)電網(wǎng)進(jìn)行大規(guī)模風(fēng)電接入規(guī)劃的部分研究成果為例，研究風(fēng)電機(jī)組及風(fēng)電場建模、風(fēng)電場集中接入對(duì)地區(qū)電網(wǎng)線路傳輸功率及電壓水平的影響、風(fēng)電接入對(duì)電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響等，并針對(duì)風(fēng)電接入后出現(xiàn)的相關(guān)問題提出了相應(yīng)的改善措施。

1 風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行特性分析及仿真系統(tǒng)

1.1 變速恒頻并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行特性分析

就國內(nèi)風(fēng)電場風(fēng)機(jī)類型而言，目前大多數(shù)國內(nèi)風(fēng)機(jī)類型屬于水平軸變速恒頻異步機(jī)發(fā)電系統(tǒng)。

變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組如圖1所示。

圖1 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組Fig.1 Variable speed constant frequency generation system

風(fēng)力發(fā)電機(jī)多為異步發(fā)電機(jī)，考慮動(dòng)態(tài)過程的異步電機(jī)的模型如式(1)所示。

(1)

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程為

TJ=Mt-Me

(2)

式中Mt為機(jī)械轉(zhuǎn)矩，Me為電磁轉(zhuǎn)矩，TJ為發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣性時(shí)間常數(shù)。

定槳距風(fēng)機(jī)利用槳葉翼形的失速特性，在高于額定風(fēng)速，達(dá)到失速條件后，槳葉表面產(chǎn)生渦流，效率降低，達(dá)到限制輸出功率的目的。定槳距機(jī)型優(yōu)點(diǎn)是調(diào)節(jié)和控制簡單。缺點(diǎn)在于對(duì)葉片、輪轂、塔架等主要部件受力增大，而且風(fēng)力超過額定風(fēng)速后風(fēng)機(jī)出力反而下降。

異步發(fā)電機(jī)運(yùn)行中會(huì)從電網(wǎng)中吸收無功電流建立磁場，導(dǎo)致電網(wǎng)功率因數(shù)變差。因此，一般在風(fēng)機(jī)出口處裝設(shè)可投切的并聯(lián)電容器組提供非連續(xù)可變的無功補(bǔ)償。通常采用可控硅軟并網(wǎng)技術(shù)將起動(dòng)電流限制在額定電流的1.2～1.5倍之內(nèi)以防止并網(wǎng)失敗。同時(shí)，采用氣動(dòng)剎車技術(shù)、偏航和自動(dòng)解纜等技術(shù)解決風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行的可靠性問題。

變速恒頻風(fēng)機(jī)功率曲線如圖2所示。

圖2 1500 kW風(fēng)電機(jī)組功率曲線Fig.2 Power characteristic curve of 1500 kWwind power generator

變速恒頻風(fēng)機(jī)具體運(yùn)行過程為：

(1)當(dāng)風(fēng)速持續(xù)10 min(可設(shè)置)超過3.5 m/s，風(fēng)機(jī)將自動(dòng)啟動(dòng)。為了避免并網(wǎng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)，發(fā)電機(jī)通過可控硅實(shí)現(xiàn)軟并網(wǎng)，并網(wǎng)后接觸器將可控硅旁路。

(2)隨著風(fēng)速的增加，發(fā)電機(jī)的出力隨之增加，當(dāng)風(fēng)速接近14～15 m/s時(shí)，達(dá)到額定出力，超出額定風(fēng)速機(jī)組失速。

(3)當(dāng)風(fēng)速高于25 m/s持續(xù)10 min，將實(shí)現(xiàn)正常剎車。

(4)當(dāng)風(fēng)速高于33m/s并持續(xù)2 min時(shí)，實(shí)現(xiàn)正常剎車。

(5)當(dāng)風(fēng)速高于50m/s并持續(xù)1 min時(shí)，實(shí)現(xiàn)安全剎車。

(6)當(dāng)遇到一般故障時(shí)，實(shí)現(xiàn)正常剎車。

(7)當(dāng)遇到特定故障時(shí)，實(shí)現(xiàn)緊急剎車。

1.2 風(fēng)電場模型

本文在研究風(fēng)電場接入對(duì)電力系統(tǒng)的影響時(shí)，主要研究風(fēng)電場作為一個(gè)整體與電網(wǎng)之間的相互作用，而風(fēng)電場內(nèi)部的潮流分布及風(fēng)電場中各風(fēng)電機(jī)組之間的相互影響不在本文研究的范圍內(nèi)。由于所研究的風(fēng)電場還處于規(guī)劃階段，且沒有詳細(xì)的風(fēng)電場內(nèi)部接線規(guī)劃，因此本文采用一臺(tái)容量與風(fēng)電場容量相等的等值風(fēng)電機(jī)組模型代替整個(gè)風(fēng)電場。

1.3 仿真系統(tǒng)

本文的研究對(duì)象是我國某省一個(gè)即將大規(guī)模接入風(fēng)力發(fā)電的地區(qū)電網(wǎng)，該地區(qū)電網(wǎng)以220 kV線路構(gòu)成主干網(wǎng)架，線路距離長，距電網(wǎng)樞紐點(diǎn)較遠(yuǎn)，沒有強(qiáng)大的電源支撐。其地理位置接線如圖3所示。三個(gè)風(fēng)電場的總裝機(jī)容量為200 MW，通過匯集站接入主網(wǎng)。匯集站至變電站A為風(fēng)電的主要送出通道。A、B兩個(gè)火電廠的裝機(jī)容量分別為400 MW和2 100 MW。

圖3 地區(qū)電網(wǎng)地理位置主接線Fig.3 Geographic diagram of reginal network

2 電網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性及線路傳輸功率

2.1 線路傳輸功率

規(guī)劃接入風(fēng)電場接入?yún)R集站，再通過導(dǎo)線型號(hào)為LGJ-2×400、長91 km的220 kV線路接入變電站A。表1列出該線路輸電能力的各項(xiàng)指標(biāo)?？梢钥闯觯€路的輸送能力大于規(guī)劃的約200 MW風(fēng)電裝機(jī)容量，為將來風(fēng)電裝機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

表1 220 kV線路輸電能力Tab.1 Transmission Capacity of 220 kV lines

2.2 靜態(tài)電壓穩(wěn)定性

計(jì)算接入?yún)R集站的風(fēng)電場最大容量時(shí)，增加的風(fēng)電場裝機(jī)按照采用變速恒頻風(fēng)機(jī)考慮。假設(shè)接入西郊變風(fēng)電場的容量達(dá)到400 MW，隨風(fēng)電場出力持續(xù)增加時(shí)，相關(guān)母線電壓變化如圖4(a)所示。在風(fēng)電場總體出力達(dá)到260 MW、310 MW、345 MW時(shí)，風(fēng)電場側(cè)分批投入共120 Mvar電容器組。從電壓曲線可以看出，當(dāng)出力超過300 MW時(shí)，風(fēng)電場側(cè)電壓隨功率增長的變化幅度愈來愈大，電壓穩(wěn)定性水平也越來越差，普通電容器組的投切操作無法滿足實(shí)際運(yùn)行的要求；且由系統(tǒng)向風(fēng)電場注入的無功功率超過100 Mvar，導(dǎo)致赤峰220 kV電網(wǎng)的主要發(fā)電機(jī)組如A廠G1、B廠G1的無功出力也急劇增加，其變化曲線如4(b)所示，A廠機(jī)組的調(diào)壓能力接近底線，系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)能力接近邊緣。這種情況下，風(fēng)電場總出力水平很難超過340 MW甚至更低。

(a) 風(fēng)電場出力增加母線電壓變化曲線

(b) 風(fēng)電場出力增加電廠無功出力變化曲線圖4 風(fēng)電場出力增加相關(guān)參量變化曲線Fig.4 Related parameters curve when output powerof wind farm increases

(a) 風(fēng)電場出力增加母線電壓變化曲線

(b) 風(fēng)電場出力增加電廠無功出力 變化曲線圖5 風(fēng)電場出力增加相關(guān)參量變化曲線(加裝SVC后)Fig.5 Related parameters curve when output powerof wind farm increases (with SVC)

由于風(fēng)電場無法提供充足的無功支持，其升壓變及送出線路消耗的無功需從電網(wǎng)遠(yuǎn)距離向風(fēng)電場輸送，從而導(dǎo)致了線路壓降增大，風(fēng)電場接入地區(qū)電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性變差。

要想提高風(fēng)電場的出力水平的同時(shí)保證一定的電能質(zhì)量，且考慮到實(shí)際的可操作性，除了要在風(fēng)電場側(cè)補(bǔ)償風(fēng)電場消耗的無功功率，還需在電網(wǎng)側(cè)增加更先進(jìn)靈活的無功補(bǔ)償措施來滿足電網(wǎng)側(cè)因傳輸有功功率增加導(dǎo)致的無功需求。圖5為匯集站低壓側(cè)裝設(shè)容性SVC后隨風(fēng)電場出力增加母線電壓及主要火電機(jī)組的無功出力變化曲線，可以看出風(fēng)電場側(cè)的無功補(bǔ)償只需要兩組電容器，且電壓變化相對(duì)平緩，電壓穩(wěn)定性得到提高。

要提高接入風(fēng)電場的地區(qū)電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性及增加風(fēng)電場的最大接入容量，可以考慮采取以下措施：

(1)整個(gè)風(fēng)電場采取恒功率因數(shù)控制或恒電壓控制方式將并網(wǎng)點(diǎn)的功率因數(shù)或電壓控制在某一恒定值；

(2)采用靜止無功補(bǔ)償器SVC(static var compensator)、靜止同步補(bǔ)償器STATCOM(static synchronous compensator)等動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備代替普通的并聯(lián)電容器組，動(dòng)態(tài)平衡風(fēng)電出力變化導(dǎo)致的無功需求變化，平滑無功補(bǔ)償設(shè)備投切過程帶來的電壓急劇變動(dòng)；

(3)加強(qiáng)電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。

3 電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性

冬天火電大發(fā)(簡稱冬大)冬大方式下，在網(wǎng)內(nèi)對(duì)火電機(jī)組穩(wěn)定性影響較大的故障線路設(shè)定故障后0.12 s線路開斷，通過各發(fā)電機(jī)的功角變化判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。圖6分別為B廠～變電站C#1線路在元寶山廠側(cè)發(fā)生三相短路故障，現(xiàn)有風(fēng)電場停運(yùn)和滿發(fā)時(shí)，B廠1號(hào)機(jī)組及A廠1號(hào)機(jī)組相應(yīng)的功角變化曲線。

可以看出，無論現(xiàn)有風(fēng)電場停運(yùn)或滿發(fā)，系統(tǒng)發(fā)生故障后火電機(jī)組都能維持穩(wěn)定，但風(fēng)電接入拉大了網(wǎng)內(nèi)機(jī)組與主網(wǎng)機(jī)組之間的功角差。表2為其他線路發(fā)生故障后主要火電機(jī)組功角的最大搖擺幅度(正反向最大兩個(gè)功角之差)。從功角搖擺曲線及功角的最大搖擺幅度來看，現(xiàn)有320 MW風(fēng)電場對(duì)于該地區(qū)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響，與故障線路有關(guān)，有些情況下風(fēng)電會(huì)使電網(wǎng)穩(wěn)定性加強(qiáng)，而有些情況下會(huì)使得電網(wǎng)穩(wěn)定性減弱，但從總體上看，現(xiàn)有風(fēng)電對(duì)網(wǎng)內(nèi)故障時(shí)地區(qū)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響較小。

(a) 三相短路故障時(shí)主要火電機(jī)組的 功角變化曲線(風(fēng)電停運(yùn))

(b) 三相短路故障時(shí)主要火電機(jī)組的 功角變化曲線(風(fēng)電滿發(fā))圖6 三相短路故障時(shí)主要火電機(jī)組的功角變化曲線Fig.6 Power angle curve of the main thermal powerplant when three-phase short-circuit failure happens表2 冬大方式主要線路故障主要火電機(jī)組最大功角變化量Tab.2 Max change of power angle of main lines failure

故障線路B廠G1功角的最大搖擺角/(°)A廠G1功角的最大搖擺角/(°)風(fēng)電場停運(yùn)風(fēng)電場滿發(fā)風(fēng)電場停運(yùn)風(fēng)電場滿發(fā)B廠～C變#163.683.443.559.5C變～D變24.121.321.616.3B廠～E變70.921.549.216.5

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在發(fā)電狀態(tài)下可以以不同的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，風(fēng)電機(jī)組之間不存在功角穩(wěn)定問題。在系統(tǒng)故障期間，電磁轉(zhuǎn)矩和機(jī)械轉(zhuǎn)矩不平衡會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組加速，很大一部分不平衡能量暫存在風(fēng)電機(jī)組葉片和軸系加速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)能中，這部分能量會(huì)降低風(fēng)電機(jī)組在暫態(tài)過程中對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

4 結(jié)論

風(fēng)電集中接入主要在潮流、電壓以及暫態(tài)穩(wěn)定對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生一定的影響。風(fēng)電場集中接入前應(yīng)根據(jù)風(fēng)電機(jī)組特性及風(fēng)電場所在地電網(wǎng)的實(shí)際情況，因地制宜地制定合適的系統(tǒng)接入方案，特別是電網(wǎng)比較薄弱的地方，需要通過完善配套設(shè)施來提高電網(wǎng)的可靠性和風(fēng)電場運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

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SystemImpactsAnalysisforInterconnectionofWindFarmandPowerGrid

LIU Dai1， PANG Song-ling2

(1.Haikou Power Supply Company, Haikou 570203, China;2.Hainan Electric Power Test & Research Institute, Haikou 570203, China)

Taking a wind power integration project for an example, the impact on the power system stability of large integrated wind farms is analyzed. The interaction between wind farm and power system is studied, so a windmill generator model equivalent capacity to a wind farm is used in simulation. Asynchronous model is used in simulation. Relationship between wind farm capacity, voltage stability and transient stability was studied by simulation.Measures for enhancing system stability and inereaing wind farm capacity is presented for example static synchronous compensator.

wind farm； voltage stability； transient stability； power system； static synchronous compensator

2009-10-23

2009-12-10

TM614； TM712

A

1003-8930(2011)03-0156-05

劉 岱(1981-)，女，碩士，助理工程師，主要從事電力系統(tǒng)運(yùn)行工作。Email:ldai2000@tom.com

龐松嶺(1981-)，男，碩士，助理工程師，主要從事電力系統(tǒng)分析工作。Email:SL_PANG@163.com