付小偉 王 進(jìn) 郭 偉 鄭劍武

（長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410114）

國(guó)家電監(jiān)會(huì)近期發(fā)布的《風(fēng)電安全監(jiān)管報(bào)告》顯示，“十一五”期間，我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量連續(xù)五年翻番，成為全球裝機(jī)規(guī)模第一大國(guó)。隨著江西最大風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)發(fā)電成功以及中國(guó)首臺(tái) 6MW 風(fēng)電機(jī)組的正式出產(chǎn)，大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)已成為必然趨勢(shì)。

風(fēng)電系統(tǒng)在向電網(wǎng)注入有功功率的同時(shí)需要從電網(wǎng)吸收大量的無(wú)功功率，對(duì)于電網(wǎng)來(lái)說(shuō)風(fēng)電場(chǎng)可以看作一種特殊的負(fù)荷。隨著接入風(fēng)電容量的增大，風(fēng)電場(chǎng)從系統(tǒng)中吸收的無(wú)功功率逐漸增大，如果系統(tǒng)不能提供充足的無(wú)功，就可能引起電壓穩(wěn)定性降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成電壓崩潰。

自從世界范圍內(nèi)的幾個(gè)大電網(wǎng)相繼發(fā)生電壓崩潰事故，造成巨大損失以來(lái)，對(duì)于電壓穩(wěn)定性的研究受到了普遍重視[1]。風(fēng)機(jī)的電壓敏感性及低電壓脫網(wǎng)特性使風(fēng)電接入系統(tǒng)后的電壓穩(wěn)定性問(wèn)題面臨著新的挑戰(zhàn)和新的研究?jī)?nèi)容[2]。

本文詳細(xì)研究了風(fēng)電接入系統(tǒng)后影響系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的主要因素,以恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過(guò)Simulink仿真平臺(tái)，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)在不同因素?cái)_動(dòng)下下進(jìn)行仿真研究，分析了引發(fā)系統(tǒng)電壓崩潰風(fēng)險(xiǎn)的相關(guān)因素，并提出了改善系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的措施。

1 異步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型

研究風(fēng)電系統(tǒng)的暫態(tài)特性需要考慮異步發(fā)電機(jī)的機(jī)電暫態(tài)過(guò)程，異步發(fā)電機(jī)三階模型能夠較準(zhǔn)確地描述其動(dòng)態(tài)過(guò)程。忽略定子電磁暫態(tài)過(guò)程，異步發(fā)電機(jī)電壓方程為

異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電磁暫態(tài)方程為

異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程式為

式中，ω0為定子磁場(chǎng)角速度；ω為轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)角速度；s為異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率； TJ為機(jī)組的慣性時(shí)間常數(shù)； Pm為風(fēng)機(jī)機(jī)械功率； Pe為發(fā)電機(jī)電磁功率。

發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩方程為

式中，Pe為發(fā)電機(jī)的電磁功率；Re[·]為取實(shí)部；ω為發(fā)電機(jī)電角速度。

2 影響系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的主要因素

我國(guó)風(fēng)力資源分布極不均勻，風(fēng)資源豐富的地區(qū)往往人口稀少，風(fēng)電基地大都遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，處于供電網(wǎng)絡(luò)的末端，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)十分薄弱，承受沖擊的能力很差。隨著風(fēng)電裝機(jī)容量的增加，在電網(wǎng)中所占的比例增大，使得風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)重大的影響，其中最為突出的問(wèn)題就是使系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性降低，甚至導(dǎo)致電壓崩潰。

2.1 風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力

風(fēng)機(jī)的低電壓穿越能力[3-5]是風(fēng)機(jī)的一項(xiàng)重要特性，直接關(guān)系到風(fēng)電接入系統(tǒng)后的電網(wǎng)穩(wěn)定性。

在風(fēng)電發(fā)展初期，由于風(fēng)電在電網(wǎng)中所占的比例很小，一般不要求風(fēng)電場(chǎng)參與系統(tǒng)控制。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，由于風(fēng)電場(chǎng)本身的電壓穩(wěn)定性無(wú)法保證，通常都采用切除風(fēng)電機(jī)組的措施來(lái)保證風(fēng)電場(chǎng)及電網(wǎng)穩(wěn)定[6]。隨著風(fēng)電穿透功率的提高，電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，風(fēng)電機(jī)組電壓越限保護(hù)或轉(zhuǎn)速越限保護(hù)動(dòng)作會(huì)使風(fēng)電機(jī)組脫離電網(wǎng)，這樣會(huì)加速系統(tǒng)的電壓失穩(wěn)，甚至?xí)l(fā)電壓崩潰。

鑒于風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)帶來(lái)的嚴(yán)重后果，歐洲國(guó)家根據(jù)各自的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架和風(fēng)電場(chǎng)情況對(duì)風(fēng)機(jī)組的低電壓穿越能力提出了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。其中影響最大的是德國(guó)的E.ON標(biāo)準(zhǔn)：故障后電壓恢復(fù)期間，必須保證風(fēng)電場(chǎng)能連續(xù)運(yùn)行而不脫離電網(wǎng)，還要求風(fēng)電機(jī)組動(dòng)態(tài)發(fā)出無(wú)功功率以支持電網(wǎng)電壓，加速系統(tǒng)電壓恢復(fù)，防止風(fēng)電機(jī)組由于電壓過(guò)低導(dǎo)致的跳閘。風(fēng)電機(jī)組這種故障期間保持不間斷并網(wǎng)運(yùn)行的能力稱為低電壓穿越能力（Low Voltage Ride Through，LVRT）。

2.2 短路容量

電網(wǎng)的強(qiáng)弱可以用風(fēng)電場(chǎng)與電力系統(tǒng)連接點(diǎn)（Point of Common Coupling，PPC）的短路容量來(lái)表示。短路容量大表明該節(jié)點(diǎn)與系統(tǒng)電源點(diǎn)的電氣距離小，聯(lián)系緊密，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)強(qiáng)，由擾動(dòng)引發(fā)的電壓變化量小，有利于擾動(dòng)后的電壓恢復(fù)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者和工程技術(shù)人員通常用風(fēng)電場(chǎng)短路容量比來(lái)衡量并網(wǎng)點(diǎn)接納風(fēng)電的適宜程度，它是指風(fēng)電場(chǎng)額定容量與該風(fēng)電場(chǎng)和電力系統(tǒng)連接點(diǎn)的短路容量之比，如式（5）所示。

式中， Swind為風(fēng)電場(chǎng)額定容量； Ssc為風(fēng)電場(chǎng)接入點(diǎn)的短路容量。

風(fēng)電場(chǎng)接入點(diǎn)的短路容量反映了該節(jié)點(diǎn)的電壓對(duì)風(fēng)電注入功率變化的敏感程度。風(fēng)電場(chǎng)短路容量比小，表明系統(tǒng)承受風(fēng)電擾動(dòng)的能力強(qiáng)。通常采用風(fēng)電場(chǎng)短路容量比來(lái)重點(diǎn)考察風(fēng)電功率的注入對(duì)局部電網(wǎng)的電壓質(zhì)量和電壓穩(wěn)定性的影響。對(duì)于短路容量比K的取值，歐洲國(guó)家給出的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為4%～5%[7]。而在我國(guó)受風(fēng)力資源分布的影響，適合建風(fēng)電場(chǎng)的地區(qū)，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)比較薄弱，風(fēng)電場(chǎng)接入點(diǎn)的短路容量較小，如要滿足短路容量比為 4%～5%的要求，則風(fēng)電場(chǎng)的規(guī)模要受到很大的限制。在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一定時(shí)，如果風(fēng)電接入容量增大，使得風(fēng)電場(chǎng)短路容量比K增加，系統(tǒng)承受風(fēng)電擾動(dòng)的能力減弱，將會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。

2.3 系統(tǒng)風(fēng)電穿透功率

風(fēng)電穿透功率是指風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量占系統(tǒng)總負(fù)荷的比例[8]。由于風(fēng)的隨機(jī)性，所以風(fēng)電場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響大多是負(fù)面的。當(dāng)系統(tǒng)中風(fēng)電穿透功率較小時(shí)，系統(tǒng)本身的調(diào)節(jié)作用可以減小這些負(fù)面影響；當(dāng)系統(tǒng)中風(fēng)電穿透功率增大時(shí)，并入電網(wǎng)的風(fēng)電容量隨之增大，同時(shí)意味著常規(guī)發(fā)電機(jī)組的容量減少，而帶普通感應(yīng)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對(duì)電壓沒(méi)有控制能力，這樣系統(tǒng)對(duì)電壓的控制作用就會(huì)降低，進(jìn)而會(huì)消弱系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。因此，若能計(jì)算出電網(wǎng)中風(fēng)電功率穿透極限，則會(huì)對(duì)風(fēng)電的規(guī)劃起到重要的指導(dǎo)意義。

2.4 無(wú)功補(bǔ)償裝置

異步發(fā)電機(jī)組在向電網(wǎng)輸出有功功率的同時(shí)，還需要從電網(wǎng)吸收滯后的無(wú)功功率，并隨著發(fā)電機(jī)輸出有功功率的變化而變化[9]。因此每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)端都配有補(bǔ)償電容器。在通常情況下，風(fēng)電機(jī)組出于自身保護(hù)的需要，在遭受大擾動(dòng)后風(fēng)電場(chǎng)將與系統(tǒng)解列，大型風(fēng)電場(chǎng)退出運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)更大的功率缺額，將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，在系統(tǒng)故障期間，更需要吸收大量的無(wú)功功率以完成電壓的恢復(fù)。

目前常用的無(wú)功補(bǔ)償裝置仍屬于離散控制，調(diào)節(jié)速度緩慢，在補(bǔ)償量的各個(gè)階段中有功功率的變化引起的無(wú)功需要仍然需要由電網(wǎng)提供，而且電容器組發(fā)出的無(wú)功功率與機(jī)端電壓的平方成正比，當(dāng)電網(wǎng)水平降低時(shí)，無(wú)功補(bǔ)償容量迅速下降，導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電網(wǎng)的無(wú)功需求上升，進(jìn)一步惡化電壓水平，易造成電壓崩潰[10]。

3 數(shù)字仿真與結(jié)果分析

在Matlab的Simulink環(huán)境下建立圖2所示的風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)仿真模型，風(fēng)力發(fā)電機(jī)參數(shù)（以額定容量為1.5MW為基準(zhǔn)的標(biāo)幺值）選取如下

額定電壓u=690V，頻率f=50Hz，定子電阻Rs=0.0048，定子電抗 Ls= 0 .1248，轉(zhuǎn)子電阻 Rr= 0 .0043，轉(zhuǎn)子電抗 Lr= 0 .1791，勵(lì)磁電抗 Lm= 6 .77，慣性時(shí)間常數(shù) H = 5 .04s。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)圖

風(fēng)電場(chǎng)由6臺(tái)1.5MW普通異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組組成，發(fā)電機(jī)出口電壓為690V，通過(guò)集點(diǎn)變壓器將電壓升至 10kV，然后經(jīng)過(guò) 1km的集電線路送至風(fēng)電場(chǎng)升壓變電站，再經(jīng)由 25km的輸電線路與 110kV無(wú)窮大系統(tǒng)相連，如上圖1所示PPC即為風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)的并網(wǎng)點(diǎn)。

為分析風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行對(duì)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的影響，根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)圖，利用Matlab/Simulink構(gòu)建仿真模型，分別基于以下幾種方案進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。

方案1：6臺(tái)風(fēng)電機(jī)組同時(shí)并網(wǎng)發(fā)電，風(fēng)電場(chǎng)輸出有功功率為 9MW，基本風(fēng)速為 7m/s，持續(xù)時(shí)間為15s,陣風(fēng)強(qiáng)度分別為3m/s、4 m/s、5 m/s，5s時(shí)開(kāi)始持續(xù)時(shí)間為5s，其中測(cè)量點(diǎn)為風(fēng)電場(chǎng)高壓側(cè)。

圖2 不同強(qiáng)度陣風(fēng)下的仿真結(jié)果

圖2分別給出了風(fēng)速、電壓、無(wú)功的仿真波形，其中電壓和無(wú)功波形中的1、2、3分別對(duì)應(yīng)陣風(fēng)風(fēng)速為3m/s、4m/s、5m/s時(shí)的仿真結(jié)果。由圖可以看出，無(wú)功波形對(duì)應(yīng)幅值為負(fù)，說(shuō)明風(fēng)電場(chǎng)在向系統(tǒng)傳送有功的同時(shí)，還需要從系統(tǒng)吸收大量的無(wú)功。強(qiáng)度為3m/s和4m/s陣風(fēng)過(guò)后，電壓能夠恢復(fù)到穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)，且風(fēng)速越大，電壓波動(dòng)就越大。當(dāng)陣風(fēng)風(fēng)速為5m/s時(shí)，由于機(jī)組不平衡轉(zhuǎn)矩過(guò)大，轉(zhuǎn)速迅速上升，無(wú)功需求增大，此時(shí)系統(tǒng)無(wú)法提供足夠的無(wú)功支持，最終導(dǎo)致電壓崩潰，如曲線3所示。

圖3 不同強(qiáng)度陣風(fēng)下的電壓波形

方案 2：將風(fēng)力發(fā)電臺(tái)數(shù)翻倍，風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量增為18MW，其他條件同方案1。

圖3中的曲線1、2、3分別對(duì)應(yīng)陣風(fēng)風(fēng)速為3m/s、4m/s、5m/s時(shí)的仿真結(jié)果。比較圖2與圖3的電壓波形可以看出，方案2只在陣風(fēng)風(fēng)速為3m/s時(shí)電壓能夠恢復(fù)穩(wěn)定，但電壓波動(dòng)比方案1更大，并且穩(wěn)定運(yùn)行電壓比額定值略低，而在另外兩種陣風(fēng)下，都出現(xiàn)了電壓崩潰現(xiàn)象。

方案 3：風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量為 9MW，基本風(fēng)速為7m/s，不考慮陣風(fēng)擾動(dòng)，1s時(shí)在風(fēng)電場(chǎng)10kV母線上發(fā)生三相短路故障，故障切除時(shí)間分別為0.1s和0.35s。

仿真結(jié)果如圖4所示，系統(tǒng)在兩個(gè)不同作用時(shí)間的三相短路故障下，都能恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行，但是當(dāng)0.35后切除短路故障，電壓到3s時(shí)才能恢復(fù)穩(wěn)定，而故障切除時(shí)間為0.1s時(shí)，電壓在2 s時(shí)就能恢復(fù)穩(wěn)定。由此可知繼電保護(hù)動(dòng)作時(shí)間也會(huì)對(duì)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

圖4 風(fēng)電場(chǎng)10kV母線三相短路故障時(shí)的電壓波形

方案 4：在風(fēng)電場(chǎng)低壓側(cè)加裝靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM），分別在陣風(fēng)和短路故障擾動(dòng)下進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖5所示。

圖5 陣風(fēng)和三相短路故障擾動(dòng)下STATCOM補(bǔ)償效果仿真

由圖5（a）可知，當(dāng)陣風(fēng)強(qiáng)度為4m/s時(shí)，如果風(fēng)電場(chǎng)沒(méi)有加裝STATCOM，則電網(wǎng)電壓會(huì)跌至0.85倍的額定電壓，加裝STATCOM之后，電網(wǎng)電壓波動(dòng)很小且能迅速恢復(fù)穩(wěn)定；當(dāng)陣風(fēng)強(qiáng)度為5m/s時(shí)，在沒(méi)有 STATCOM 情況下會(huì)發(fā)生電壓崩潰，加裝STATCOM 之后，電壓跌落最低點(diǎn)也能維持在 0.9倍的額定值以上，使系統(tǒng)在以前可能發(fā)生電壓崩潰的情形下繼續(xù)保持穩(wěn)定運(yùn)行。

仿真圖5（b）是在風(fēng)電場(chǎng)高壓側(cè)母線上發(fā)生三相短路時(shí)的電壓波形，短路故障從1s開(kāi)始，持續(xù)時(shí)間為0.4s。可以看出，在風(fēng)電場(chǎng)沒(méi)有加裝STATCOM時(shí)，故障后母線電壓降低至 0.6倍的額定值，保護(hù)裝置會(huì)切除風(fēng)電機(jī)組，使之不能繼續(xù)并網(wǎng)運(yùn)行，風(fēng)電場(chǎng)大量機(jī)組脫網(wǎng)可能會(huì)引發(fā)系統(tǒng)發(fā)范圍的電壓失穩(wěn)；加裝STATCOM之后，電壓在故障后3s內(nèi)就恢復(fù)到了額定值，增強(qiáng)了風(fēng)電場(chǎng)的低電壓穿越能力。

4 結(jié)論

利用Matlab/Simulink建立風(fēng)電場(chǎng)模型，仿真結(jié)果表明，風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行會(huì)對(duì)影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量，引起電壓波動(dòng)和閃變，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致電壓崩潰。通過(guò)加裝STATCOM 對(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的無(wú)功補(bǔ)償，抑制了由風(fēng)速、故障引起的電壓波動(dòng)，提高了風(fēng)電場(chǎng)的低電壓穿越能力，改善了風(fēng)電場(chǎng)接入后電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性。

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