孫 勇 ，李海峰 ，侯俊賢

(1.江蘇省電力公司，江蘇 南京 210024；2.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京 100085)

并網(wǎng)型的風(fēng)電場(chǎng)一般都有多臺(tái)風(fēng)電機(jī)組，風(fēng)電并網(wǎng)分析時(shí)采用風(fēng)電場(chǎng)的詳細(xì)模型是最為理想的。工程中對(duì)風(fēng)電接入電網(wǎng)的分析與控制的研究，往往是站在系統(tǒng)的角度，將風(fēng)電場(chǎng)視為一個(gè)整體，關(guān)注的是風(fēng)電場(chǎng)中的若干臺(tái)風(fēng)電機(jī)組集聚后對(duì)電網(wǎng)的綜合效應(yīng)。因此，考慮到數(shù)據(jù)搭建和維護(hù)的難度、計(jì)算的速度、算法的可靠性等多種因素，在風(fēng)電并網(wǎng)分析控制的研究中，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行等值簡(jiǎn)化是非常必要的。大量工程應(yīng)用也表明，采用風(fēng)電場(chǎng)等值模型進(jìn)行并網(wǎng)分析計(jì)算也是工程實(shí)際中的一種可行方法。

1 風(fēng)電機(jī)組靜態(tài)等值

對(duì)于目前已經(jīng)成為主流機(jī)型的雙饋類型[1，2]風(fēng)電機(jī)組和全變流直驅(qū)類型風(fēng)電機(jī)組來(lái)說(shuō)，由于具有交流勵(lì)磁性能，能夠在一定范圍控制風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功出力，將風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)機(jī)組轉(zhuǎn)而等效為功率因數(shù)恒定的PQ節(jié)點(diǎn)或者是無(wú)功有一定限制的PV節(jié)點(diǎn)，在工程實(shí)際中是可以接受的。含風(fēng)電場(chǎng)的電力系統(tǒng)靜態(tài)潮流模型與風(fēng)電機(jī)組的類型和電壓控制模式有關(guān)，總結(jié)如表1所示。

表1 含風(fēng)電機(jī)組的靜態(tài)潮流模型總結(jié)

2 風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部電氣接線等值

從系統(tǒng)分析角度[2，3]來(lái)看風(fēng)電并網(wǎng)后對(duì)輸電網(wǎng)的影響，針對(duì)整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的集電系統(tǒng)詳細(xì)建模是沒(méi)有必要的。因此，在對(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行等值時(shí)，應(yīng)考慮風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部電氣接線的等值。在等值風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部接線時(shí)，假設(shè)所有風(fēng)電機(jī)組注入集電線路的電流的幅值和相位相等；假設(shè)由于并聯(lián)電容器組的補(bǔ)償或機(jī)組本身有勵(lì)磁能力，風(fēng)電機(jī)組的功率因數(shù)為1。風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部接線等值示意圖如圖1所示。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部接線等值示意圖

圖1中，電流I1流經(jīng)阻抗Z1的電壓降為：

同理可以推導(dǎo)出Z2上的電壓降為：

定義PZ1為流經(jīng)阻抗Z1的有功功率，則每一段線路的線損為：

因此，這一段集電線路的總損耗為：

假設(shè)集電線路的等值阻抗為Zs，則集電線路的總損耗還可以表示為：

因此，SLOSS=SLOSS_Zs，即：

所以，推導(dǎo)集電線路等值阻抗為：

集電線路等值并聯(lián)電納為：

對(duì)于機(jī)端單元變來(lái)說(shuō)，假設(shè)機(jī)端電壓均相等，則可以將一條集電線路的n臺(tái)變壓器等效為n臺(tái)變壓器的并聯(lián)。則：

3 風(fēng)電場(chǎng)靜態(tài)等值

目前，關(guān)于風(fēng)電場(chǎng)靜態(tài)等值方法主要有PQ、PV簡(jiǎn)化模型和 RX 模型[1，4]。

（1）PQ、PV簡(jiǎn)化模型。假設(shè)風(fēng)電場(chǎng)功率因數(shù)為已知量，由此計(jì)算出無(wú)功功率，然后將風(fēng)電場(chǎng)節(jié)點(diǎn)作為PQ節(jié)點(diǎn)。該法的局限是認(rèn)為風(fēng)電場(chǎng)的功率因數(shù)與單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的功率因數(shù)相同，并未考慮風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部集電系統(tǒng)的影響，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模較大時(shí)可能帶來(lái)較大計(jì)算誤差。對(duì)于有交流勵(lì)磁能力的雙饋機(jī)和全變流直驅(qū)機(jī)來(lái)說(shuō)，當(dāng)工作在恒電壓控制方式下時(shí)，可以將該類風(fēng)電場(chǎng)等效為具有一定無(wú)功限制的PV節(jié)點(diǎn)。類似地，該法也忽略了風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部的電氣接線，隨著風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模的增大，會(huì)帶來(lái)一定誤差。

（2）RX模型。實(shí)際運(yùn)行中，隨著電壓波動(dòng)，風(fēng)力電機(jī)所消耗或發(fā)出的無(wú)功是變化的。為了體現(xiàn)無(wú)功的變化，需要將異步電機(jī)等值電路加入到靜態(tài)潮流分析模型中把異步電機(jī)的滑差表示成機(jī)端電壓和有功功率的函數(shù)，給定初始滑差和風(fēng)速，由異步機(jī)等值電路寫(xiě)出異步機(jī)等值阻抗Z=R+jX，將發(fā)電機(jī)視為阻抗型負(fù)荷加入潮流程序，得到風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電磁功率，另外由風(fēng)速等信息計(jì)算出風(fēng)力機(jī)的機(jī)械功率，根據(jù)2個(gè)功率之差值修正滑差，反復(fù)迭代，最終使風(fēng)力機(jī)機(jī)械功率與發(fā)電機(jī)電磁功率相平衡。RX模型充分考慮了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率特性，屬于比較完善的模型，但此模型的迭代過(guò)程也是分2步完成，常規(guī)潮流迭代計(jì)算和異步發(fā)電機(jī)的滑差迭代計(jì)算，總迭代次數(shù)多，收斂速度慢，實(shí)用性較差。

在對(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)等值時(shí)，根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)不同的控制方式，相應(yīng)采用PQ或PV節(jié)點(diǎn)類型。對(duì)于一些混合型風(fēng)電場(chǎng)，例如定速異步機(jī)與雙饋機(jī)混合型風(fēng)電場(chǎng)，若全場(chǎng)采用恒功率因數(shù)控制方式，則可將風(fēng)電場(chǎng)等值為PQ節(jié)點(diǎn)；若其中雙饋機(jī)采用恒電壓控制方式，則可將風(fēng)電場(chǎng)轉(zhuǎn)而等效為PQ和PV兩節(jié)點(diǎn)。風(fēng)電場(chǎng)靜態(tài)等值示意圖如圖2所示。

其中，風(fēng)電場(chǎng)的等值節(jié)點(diǎn)類型根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)采用恒功率因數(shù)還是恒電壓控制模式，相應(yīng)地選用PQ節(jié)點(diǎn)和PV節(jié)點(diǎn)。風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部架空線與直埋電纜的等值阻抗及導(dǎo)納等效在單機(jī)變和風(fēng)場(chǎng)主變之間。

圖2 風(fēng)電場(chǎng)靜態(tài)等值示意圖

4 算例分析

利用江蘇中電大豐風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際數(shù)據(jù)建立典型系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)靜態(tài)等值的驗(yàn)證分析。中電大豐風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量200 MW，其風(fēng)機(jī)生產(chǎn)廠家為金風(fēng)科技有限公司，包含S50/750型單機(jī)容量750 kW的固定轉(zhuǎn)速異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組81臺(tái)，和GW77/1500型單機(jī)容量1.5 MW的直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組93臺(tái)。按照風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)詳細(xì)接線圖，基于PSD-BPA仿真軟件，建立詳細(xì)風(fēng)電場(chǎng)靜態(tài)算例模型，具體如下：

（1）風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模為81臺(tái)額定功率750 kW的固定轉(zhuǎn)速異步風(fēng)電機(jī)組和93臺(tái)額定功率1.5 MW的直驅(qū)同步風(fēng)電機(jī)組 （風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量為200.25 MW）。每種類型的機(jī)組型號(hào)與參數(shù)一致，固定轉(zhuǎn)速風(fēng)電機(jī)組不具備電壓控制能力，直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組控制方式為恒功率因數(shù)或者恒電壓。

（2）匯集各臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的架空線路連接到風(fēng)電場(chǎng)升壓主變的饋線長(zhǎng)度，按實(shí)際情況考慮。

（3）無(wú)功補(bǔ)償裝置安裝在風(fēng)電場(chǎng)升壓主變的低壓側(cè)。

將詳細(xì)風(fēng)電場(chǎng)模型、倍乘風(fēng)電場(chǎng)模型和考慮風(fēng)電場(chǎng)接線的倍乘風(fēng)電場(chǎng)模型分別接入到無(wú)窮大系統(tǒng)，進(jìn)行靜態(tài)潮流計(jì)算并將計(jì)算結(jié)果加以比較。主要關(guān)注的靜態(tài)參數(shù)有：風(fēng)場(chǎng)主變低壓側(cè)無(wú)功補(bǔ)償容量、并網(wǎng)點(diǎn)電壓、并網(wǎng)線路的有功和無(wú)功以及風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)電壓。

恒功率運(yùn)行方式下，不同風(fēng)電出力時(shí)倍乘模型、詳細(xì)風(fēng)電場(chǎng)模型和考慮接線倍乘模型并網(wǎng)點(diǎn)電壓、并網(wǎng)線路無(wú)功、并網(wǎng)線路有功和無(wú)功補(bǔ)償投入量對(duì)比圖如圖3—6所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）對(duì)于架空集電線路，當(dāng)風(fēng)電出力較小的時(shí)候，線路上無(wú)功損耗較小，對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)電壓的影響不大。隨著風(fēng)電出力增大，線路電抗的無(wú)功損耗增加，集電線路上的電壓降也增大，所以“倍乘等值模型”較“風(fēng)電場(chǎng)詳細(xì)模型”的計(jì)算結(jié)果電壓偏高。

圖3 并網(wǎng)點(diǎn)電壓對(duì)比

圖4 并網(wǎng)線路無(wú)功對(duì)比

圖5 并網(wǎng)線路有功對(duì)比

圖6 無(wú)功補(bǔ)償投入量對(duì)比圖

（2）隨著風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量、風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部接線規(guī)模的擴(kuò)大，上述“簡(jiǎn)單倍乘等值模型”不計(jì)及“風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部接線等效”所引起的偏差將進(jìn)一步增大；所以，在等值模型中必須計(jì)及“風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部接線的等值”。

（3）考慮風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部接線的倍乘等值模型的靜態(tài)仿真曲線與詳細(xì)風(fēng)電場(chǎng)靜態(tài)仿真曲線較好的吻合，證明了考慮風(fēng)電場(chǎng)詳細(xì)接線的大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)態(tài)等值方法的有效性。

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