趙海嶺，王維慶，姚秀萍，常喜強

(1.新疆電力公司昌吉電業(yè)局，新疆 昌吉 831100;2.新疆大學電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830047;3.新疆電力調(diào)度通信中心，新疆 烏魯木齊 830002)

0 引言

風力發(fā)電是目前技術最成熟、最具開發(fā)規(guī)模和商業(yè)化發(fā)展的可再生能源利用形式［1］。大規(guī)模地開發(fā)和利用風能成為世界新能源領域的一大重要研究課題。然而在電網(wǎng)接納不斷增加的風電穿透功率時，致使風電并網(wǎng)的電壓穩(wěn)定問題逐漸凸顯。

變速永磁直驅(qū)風電機中全功率變頻器的采用，使得該風機有功與無功可控，擁有多種靈活控制策略［2］，具有的優(yōu)勢越來越凸出，在實際風電場中占據(jù)比例越來越高，大規(guī)模基于直驅(qū)風電機組并網(wǎng)風電場越來越多，在基于直驅(qū)機組風電場與電網(wǎng)弱聯(lián)系時，其對電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定影響值得研究。

電壓失穩(wěn)的根源在于線路輸送功率與負荷所需的功率無法平衡，最終導致電壓崩潰［3］。文獻［4－6］對風電場接入電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)進行了仿真，其中文獻［5］主要是分析風電場的輸出功率隨風速間歇性和波動性變化對所接入地區(qū)電網(wǎng)電壓的影響。風電場接入對于含風電場的電網(wǎng)電壓穩(wěn)定、風電注入功率不定與其本身無功特性使得與傳統(tǒng)電壓穩(wěn)定問題有著機理上［7－9］的一致。國內(nèi)外進行了大量細致的研究。文獻［10］分析了隨風電場容量的不斷增加對地區(qū)電網(wǎng)電壓穩(wěn)定的不利影響，若系統(tǒng)不能提供足夠的無功支持，將會導致地區(qū)電網(wǎng)電壓瓦解，采用連續(xù)潮流計算得出P－V曲線，對地區(qū)電網(wǎng)關鍵母線電壓與風場不同出力水平的關系進行了詳盡分析，并對某些節(jié)點加與不加無功補償裝置對節(jié)點電壓的影響進行了仿真。文獻［11－13］通過得出風場的不同出力下系統(tǒng)相關節(jié)點電壓，采用描點法繪制P－V曲線，詳細研究了含風電系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定問題。

針對永磁直驅(qū)風力發(fā)電技術不同控制策略進行研究，首先建立了永磁直驅(qū)同步風力發(fā)電機的數(shù)學模型，并對其構成的風電場進行等值，通過連續(xù)潮流計算，繪制風電場公共接入點(point of common coupling，PCC)、電網(wǎng)重要節(jié)點的PV及VQ曲線，針對直驅(qū)機組變頻器的完善的控制技術，對不同控制策略下含直驅(qū)機組風電場的電網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性進行了深入研究。

1 風電電網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定機理分析

風電系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析的機理是采用連續(xù)潮流計算的方法［14］，研究并網(wǎng)風電場在小擾動情況下的風電電網(wǎng)電壓穩(wěn)定問題。其實質(zhì)是風電機組的有功和無功功率特性、電網(wǎng)堅強程度、電網(wǎng)或風電機組本身是否能夠在風電機組連續(xù)運行中提供足夠的無功電壓支持，以便在小擾動情況下保證機組與電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性。圖1是單臺永磁直驅(qū)風力發(fā)電機與無窮大系統(tǒng)的接線連接圖，采用較為廣泛的是PV及QV曲線分析法。

圖1 直驅(qū)風機連接無窮大系統(tǒng)電壓分析簡圖

2 直驅(qū)機組風電場數(shù)學模型

2.1 永磁直驅(qū)風力發(fā)電機數(shù)學模型

在dq坐標系下，建立的永磁同步發(fā)電機組數(shù)學模型為［15］

式中，id和iq分別為發(fā)電機的d軸與q軸電流;Ld和Lq分別為發(fā)電機的d軸和q軸電感;Ra為定子電阻;ωe為電角頻率;ωe=npωg，np為發(fā)電機轉(zhuǎn)子極對數(shù);ψ0為永磁體的磁鏈;ud為ug的d軸分量;uq則為ug在q軸的分量。定義q軸的反電勢eq=ωeψ0，d軸的反電勢為ed=0，假設發(fā)電機d軸與q軸電感相等，即Ld=Lq=L，則式(2)可以寫成式(3)。

直驅(qū)風電機組的電磁轉(zhuǎn)矩表達式為

若Ld=Lq=L，則式(4)可以簡化為

充分發(fā)揮病蟲害專業(yè)化防治服務組織的作用，適時組織開展應急防治，提高防治效率、效果和效益，解決小麥赤霉病預防控制窗口期短、時效性強等問題。

2.2 直驅(qū)機組風電場模型處理

根據(jù)直驅(qū)風電機組變頻器控制策略的不同，當直驅(qū)機組風電場(即該風電場全部由同步直驅(qū)風電機組構成，下同)恒功率因數(shù)控制方式時，其等效于火電機組發(fā)有功的同時，吸收或發(fā)出一定的無功，此時在潮流計算中將風電場模型處理為PQ節(jié)點［16］，同理，直驅(qū)機組風電場采取恒電壓控制方式時，將風電場模型處理為PV節(jié)點。則含風電場的等值系統(tǒng)見圖2。圖2中，平衡點恒定電壓標幺值U2∠0°。

圖2 風電場等值系統(tǒng)

風電場經(jīng)變壓器jXb升高電壓，經(jīng)輸電線路Z2=R2+jX2接入系統(tǒng);風電場低壓側(cè)電壓為U1∠δ。

3 算例分析

3.1 新疆某地區(qū)電網(wǎng)概況

新疆中部地區(qū)風力資源較為豐富，目前在該地區(qū)建成的風電場一期與二期共包括66臺單機1.5 MW的直驅(qū)風電機組，總?cè)萘繛?9 MW。該地區(qū)電網(wǎng)處在電網(wǎng)的中部，是新疆主電網(wǎng)的樞紐，該地區(qū)主要電源為吐魯番電廠，將整個風電場等值處理為兩臺較大直驅(qū)同步機組，風機出口經(jīng)箱式變壓器(690 V/35 kV)升壓，集電線路采取直埋電纜與架空線混合的形式送至風電場升壓主變壓器(35/110 kV)，升壓后經(jīng)過50 km單回輸電線路(LGJ－200)送至110 kV小草湖變電站。吐魯番地區(qū)電網(wǎng)與風電場的地理接線圖如圖3所示。

圖3 直驅(qū)風電場與某地區(qū)電網(wǎng)的地理接線圖

3.2 仿真結(jié)果及分析

本算例選取吐魯番地區(qū)電網(wǎng)2008年冬大運行方式，風電場接入小草湖變電站，在整個地區(qū)電網(wǎng)負荷緩慢增加時，以風機機端、風場升壓站、風電場接入點、發(fā)電廠母線和中樞變電站母線以及電網(wǎng)末端神泉變電站母線電壓作為電壓監(jiān)測點，繪制了吐魯番電廠220 kV母線、托克遜110 kV母線及神泉變電站110 kV母線作為重點監(jiān)測母線，分別就以下不同算例做連續(xù)潮流計算。上述風電場接入系統(tǒng)后，在全網(wǎng)負荷成倍增長的方式下，繪制了重要節(jié)點的PV曲線，以分析系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性，如圖4所示。圖4中，P為風電場發(fā)出的功率;U為節(jié)點電壓。

1)基于直驅(qū)機組并網(wǎng)風電場采用恒功率因數(shù)(cosφ =1)控制方式

圖4 風電場恒功率因數(shù)1控制模式下的各變電站P－V曲線

圖5 風電場恒功率因數(shù)1控制模式下的并網(wǎng)點V－Q曲線

表1 風電場恒功率因數(shù)1控制模式下風電場出力與風電場并網(wǎng)點電壓對應關系表

風電場的功率注入改變了地區(qū)電網(wǎng)各變電站之間的潮流流向，使各線路傳輸功率大小發(fā)生改變，各變電站母線電壓的變化趨勢是先升后降，但總體均未出現(xiàn)電壓越限的情況。在風電場出力水平由0逐漸增加到49 MW時，其為風電接入地區(qū)的負荷供電，減少了由吐魯番主網(wǎng)饋送至風電接入地區(qū)的傳輸功率，減少了線路的無功損耗，使各變電站母線電壓有所上升。但隨著風電場的出力不斷增大，風電接入地區(qū)與吐魯番電網(wǎng)潮流反向，風電接入地區(qū)開始由受端系統(tǒng)變?yōu)樗投讼到y(tǒng)，隨著線路傳輸功率的不斷增加，無功損耗不斷增大，最終引起各站電壓水平出現(xiàn)下降的趨勢，由表1也可以看出。

表2 風電場恒功率因數(shù)1控制模式下風電場出力與風電場并網(wǎng)點無功裕度對應關系表

由圖5風電場并網(wǎng)點的V－Q曲線可以看出，當風電場出力為49.5 MW時，其并網(wǎng)點的無功裕度為80 Mvar，如表2所示。但隨著風電場注入功率的不斷增大，并網(wǎng)點的無功裕度呈逐漸減少趨勢。在風電出力為99 MW時，同樣由表2其無功裕度僅為13 Mvar左右。這同樣說明隨著風電場注入功率的增大，線路消耗的無功功率增加，系統(tǒng)無功功率匱乏。綜上所述，從P－V曲線及對應的V－Q曲線可以得出一致的結(jié)論:隨著風電場注入功率的增加，地區(qū)電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定裕度減小。

2)基于直驅(qū)機組并網(wǎng)風電場采用恒功率因數(shù)(cosφ =0.99滯相)控制方式

將風場內(nèi)所有的永磁直驅(qū)風電機組的功率因數(shù)設置為恒功率因數(shù)滯相0.99運行，所計算出的各變電站P－V變化曲線如圖6。圖7為對應風電場并網(wǎng)點的V－Q曲線。

圖6 風電場功率因數(shù)滯相0.99控制模式下的各變電站P－V曲線

圖7 風電場功率因數(shù)滯相0.99控制模式下的并網(wǎng)點V－Q曲線

由P－V曲線可以看出，當所有直驅(qū)風電機組采取恒定功率因數(shù)滯相0.99運行時，各變電站的電壓總體也是先升后降。但是與恒定功率因數(shù)1的計算相比，由于滯相運行后風電機組發(fā)出有功的同時，也在發(fā)出一部分無功功率，導致部分變電站母線電壓超過了標準規(guī)定的電壓上限。與之對應風電場并網(wǎng)點V－Q曲線也得出了一致的結(jié)論:和恒定功率因數(shù)1方式相比，在風電場出力為99 MW時，恒定功率因數(shù)1運行時無功裕度為13 Mvar，功率因數(shù)滯相0.99運行時，由表3可以得出，無功裕度增大為38 Mvar，電網(wǎng)的無功裕度充足，導致部分母線電壓越限。因此在實際電網(wǎng)出現(xiàn)此方式運行時，不建議直驅(qū)機組并網(wǎng)風電場采取滯相功率因數(shù)運行。

表3 風電場功率因數(shù)滯相0.99控制模式下風電場出力與風電場并網(wǎng)點無功裕度對應關系表

3)基于直驅(qū)機組并網(wǎng)風電場采用恒功率因數(shù)(cosφ = －0.99進相)控制方式

將風場內(nèi)所有的永磁直驅(qū)同步風電機組的功率因數(shù)設置為恒功率因數(shù)進相0.99運行，圖8為計算出的各變電站P－V變化曲線，從圖8可以看出，隨著風電場有功出力增加，各變電站母線電壓幅值逐漸降低，但總體均在規(guī)定的電壓范圍內(nèi)，只是在風電場出力大于80 MW時，機端與風電場升壓站電壓出現(xiàn)越下限的情況。

圖9為與之對應風電場并網(wǎng)點的V－Q曲線，風電場注入系統(tǒng)功率越大，其無功裕度越小，在風電場出力水平為69 MW時，其無功裕度約為40 Mvar，在出力水平相同時，恒功率因數(shù)1的無功裕度為近60 Mvar，由此可見，直驅(qū)風電機組進相功率因數(shù)運行時，其無功功率裕度減少了約20 Mvar。這是因為，進相運行使直驅(qū)風機在發(fā)出有功的同時，吸收電網(wǎng)的無功功率，導致整體電壓偏低。

4)基于直驅(qū)機組并網(wǎng)風電場采用恒電壓控制方式

圖8 風電場功率因數(shù)滯相0.99控制模式下的各變電站P－V曲線

圖9 風電場功率因數(shù)滯相0.99控制模式下的并網(wǎng)點V－Q曲線

圖10 風電場恒電壓控制下各變電站P－V曲線

由圖10的P－V曲線明顯可以看出，當直驅(qū)機組采取恒電壓控制方式運行時，直驅(qū)機組機端電壓始終為1.0 p.u.。風電場注入系統(tǒng)功率在100 MW以內(nèi)時，地區(qū)電網(wǎng)各變電站母線電壓均在規(guī)定的偏差范圍內(nèi)，不會出現(xiàn)越上限或越下限的情況。與之前的恒定功率因數(shù)下的電網(wǎng)電壓穩(wěn)定水平相比，顯而易見，基于直驅(qū)機組風電場采取恒電壓控制方式的系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性要優(yōu)于恒定功率因數(shù)控制方式下的電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性。

圖11 風電場恒電壓控制下并網(wǎng)點的V－Q曲線

從圖11并網(wǎng)點的V－Q曲線也可以看出，風電場出力水平分別為15 MW、69 MW、99 MW時，其對應的電網(wǎng)無功裕度相差不大。這是由于直驅(qū)風電機組網(wǎng)側(cè)變頻器采取恒電壓的控制策略。在實際運行中風電場相當于電網(wǎng)中的PV節(jié)點，隨著機組出力的增加，當機端電壓或電網(wǎng)電壓有變化時，直驅(qū)風電機組的無功功率可以在較大范圍內(nèi)變化調(diào)整，以保證機組端電壓始終為1.0 p.u.，使電網(wǎng)電壓近似維持不變。這也是恒電壓控制方案下所得出的風電電力系統(tǒng)電壓靜態(tài)穩(wěn)定性好的原因。

4 結(jié)論

風電場穿透功率的增加使其對電網(wǎng)的影響逐漸擴大。尤其是在風電場與電網(wǎng)弱聯(lián)系時，其對地區(qū)電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的影響不容忽視。通過調(diào)整直驅(qū)機組風電場的不同控制策略，其對含直驅(qū)機組風電場的系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性進行了詳細研究，得出的結(jié)論如下。

①風電場在處于低出力水平時，可以較好地改善地區(qū)電網(wǎng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性。但隨著風電場注入功率的增加，線路的無功損耗增大，致使風電場接入地區(qū)需要從地區(qū)主網(wǎng)受入大量無功功率，電網(wǎng)無功裕度減少，最終導致電網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性降低。

②基于直驅(qū)機組并網(wǎng)風電場采取恒功率因數(shù)與恒電壓兩種調(diào)控方案相比，恒電壓控制方式下含直驅(qū)機組風電場的電壓穩(wěn)定性要優(yōu)于恒功率因數(shù)控制方式下的。

［1］王承煦，張源.風力發(fā)電［M］.北京:中國電力出版社，2008.

［2］Ki－Chan Kim，Seung－ Bin Lim，Ki－ Bong Jong，Sung－Gu Lee，Ju Lee，Yeoung－Gyu Son ，Young－Kil Yeo，Soo－ Hyun Baek.Analysis on the Direct－ Driven High Power Permanent Magnet Generator for Wind Turbine［J］.2008，243 －247.

［3］周雙喜，朱凌志，郭錫玖，等.電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性及其控制［M］.北京:中國電力出版社，2004.

［4］王海超，周雙喜，魯宗相，等.含風電場的電力系統(tǒng)潮流計算的聯(lián)合迭代方法及應用［J］.電網(wǎng)技術，2005，29(18):59－62.

［5］張義斌，王偉勝，戴慧珠.基于PV曲線的風電場接入穩(wěn)態(tài)分析［J］.電網(wǎng)技術，2004，28(23):61 －65.

［6］吳俊玲，周雙喜，孫建鋒，等.并網(wǎng)風力發(fā)電場的最大注入功率分析［J］.電網(wǎng)技術，2004，28(20):28 －32.

［7］Chai Chompoo － inwai，Wei－ Jen Lee，F(xiàn)uangfoo P，et al.System Impact Study for the Interconnection of Wind Generation and Utility System［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2005，41(1):163 －168.

［8］HA L T，SAHA T K.Investigation of power loss and voltage stability limits for large wind farm connections to a subtransmission network［C］.Power Engineering Society General Meeting，IEEE，Vol 2，Jun 6 － 10，2004，Denver，USA.2004:2251 －2256.

［9］SMITH J，BROOKS D.Voltage impacts of distributed wind generation on rural distribution feeders［C］.Transmission and Distribution Conference and Exposition，IEEE/PES，Vol 1，Oct 28 －Nov 2，2001，Atlanta，USA.2001(1):492 －497.

［10］Le Thu Ha，Tapan Kumar Saha.Investigation of power loss and voltage stability limits for large wind farm connections to a subtransmission network［J］.IEEE，2007.

［11］Magnip P .Large－scale wind power integration and voltage stability limits in regional networks［C］.IEEE power engineering society summer meeting，2002.

［12］于德龍，趙海翔，曹娜.風電場接入地區(qū)電網(wǎng)的電壓問題分析［J］.中國電力，2006，39(6):10－14.

［13］張紅光，張粒子.風電場接入電網(wǎng)的安全穩(wěn)定分析［J］.中國電力，2007，40(5):105 －109.

［14］遲永寧，劉燕華，王偉勝，陳默子，戴慧珠.風電接入對電力系統(tǒng)影響的研究［J］.電網(wǎng)技術，2006，48(5):38－44.

［15］楊國良，李惠光.垂直軸永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)建模及瞬時功率控制策略［J］.電力自動化設備，29(5)，39－42.

［16］林莉，孫才新，王永平，等.大容量風電場接入后電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的計算分析與控制策略［J］.電網(wǎng)技術，2008，32(3):41 －46.