李東坡，殷鴻雁，張明理

(1．深圳市禾望電氣有限公司，廣東 深圳 518055;2．錦州供電公司，遼寧 錦州 121001;3．遼寧省電力有限公司規(guī)劃評審中心，遼寧 沈陽 110058)

電壓穩(wěn)定問題是風力發(fā)電并入配電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。近些年來，隨著電網(wǎng)內(nèi)風力發(fā)電裝機容量的不斷增加，傳統(tǒng)配電網(wǎng)的運行迎來了新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)配電網(wǎng)一般為開環(huán)運行的單輻射網(wǎng)絡，由于其配電線路的R/X值通常較大，導致線路電壓降落及網(wǎng)絡損耗較大，其負荷又具有很大的波動性，負荷高峰期間一個短暫的高水平負荷都有可能威脅到系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性，甚至導致電壓崩潰。而風力發(fā)電作為一種分布式電源，接入配網(wǎng)后，改變了其網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，作為饋線末端的電源將引起網(wǎng)絡的潮流改變，從而改變系統(tǒng)的電壓分布。另外，風力發(fā)電自身的間歇性和波動性又不可避免地對配網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性帶來負面影響［1－3］。因此研究含風力發(fā)電的配網(wǎng)電壓穩(wěn)定性十分必要。

G.B.Jasmon等人較早研究了配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性，得出兩節(jié)點的配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性指標L，并通過定義等效阻抗等方式將該指標推廣應用于多節(jié)點的配電網(wǎng)。但在指標L的推導過程中，若從網(wǎng)損等值的角度將復雜配電系統(tǒng)等值成簡單系統(tǒng)，則誤差較大且得到的穩(wěn)定指標表達式?jīng)]有考慮節(jié)點電壓。R.Ranjan和D.Das等提出了旨在反映負荷分布的配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性指標，但是它并不嚴格，因其僅僅是配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定的必要條件而非充分條件［4－7］。

本文在前人工作的基礎上，結(jié)合配電網(wǎng)潮流解的存在性，推導了一種適用于含風力發(fā)電的配網(wǎng)電壓穩(wěn)定指標，并搭建典型的配網(wǎng)網(wǎng)絡模型，在其線路末端接入風力發(fā)電，最后利用推導指標討論了風電接入容量、接入位置以及電網(wǎng)故障對配網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的影響。

1 電壓穩(wěn)定指標

任何的傳輸網(wǎng)絡都可以等效成以下模型，如圖1所示。假設母線i是輸電端，母線j是受電端。輸電端母線i的電壓可以表示為

圖1 配電網(wǎng)典型支路

則電壓的幅值為

若保證式 (3)有解，則需滿足以下條件:

隨著受電端功率需求Pj+j Qj的增長，式 (4)左邊逐漸接近0，兩節(jié)點網(wǎng)絡到達功率傳輸極限。即節(jié)點電壓變得不穩(wěn)定?？蓮氖?(4)獲取電壓穩(wěn)定指標。

用K(Pj+j Qj)代替Pj+j Qj，那么K將有以下特性:

a． 當傳輸線處于傳輸極限以內(nèi)，K大于1;

b． 當傳輸線達到傳輸極限，K等于1;

c． 當傳輸線超過傳輸極限，K小于1，電壓不穩(wěn)定。

將式 (4)中的Pj+j Qj用K(Pj+j Qj)代替，可以得到:

令式 (5)左邊等于0，得到K，即為雙節(jié)點的電壓穩(wěn)定指標。在配電網(wǎng)中，監(jiān)測設備通常在變電站，即輸電端i，所以需要將式 (5)中受電端的變量用輸電端測量數(shù)據(jù)代替，在圖1中，母線j上的功率可以母線i上的功率代替為

整理可得:

結(jié)合式 (5)和式 (6)可以得到式 (7):

由于K值總是大于等于0，可以忽略負值。

由式 (8)，可得到配網(wǎng)電壓穩(wěn)定指標:

根據(jù)推導出的電壓穩(wěn)定指標，在PSCAD中自編程了計算模型，部分程序如圖2所示。

圖2 PSCAD中的指標程序

2 系統(tǒng)仿真計算及分析

選取典型的配網(wǎng)網(wǎng)絡進行分析研究，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，負載同時由輸電網(wǎng)和風場供電。外部系統(tǒng)為恒壓220 kV的無窮大電源。母線1和母線2的額定電壓分別為220 kV和35 kV。并網(wǎng)風機選擇直驅(qū)型變速恒頻發(fā)電機，其通過升壓變壓器連接在母線2上。負荷為1+0.5jMW。仿真將考慮分布式電源的接入位置和接入容量以及故障對配網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的影響。

圖3 典型配網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 接入位置

2臺額定功率為2 MW的風機在恒風速12 m/s下運行。1.0 s時在母線1處接入5+2.5j MW的干擾負荷。圖4中曲線 (a)、(b)和 (c)分別是配電線路長度為25 km、15 km和8 km時的電壓指標變化情況。從圖中這3條曲線可見，配電線路越短，風電接入對配網(wǎng)電壓的支持作用越明顯。配電線路為25 km時，K值最小為0.3，而當其為8 km時，K值最小為0.5，且由圖4中曲線 (c)可見，當配電線路為8 km時負荷波動0.5 s后電壓穩(wěn)定指標K逐漸趨向于1，這說明擾動后電網(wǎng)電壓又恢復了穩(wěn)定。

圖4 風電接入位置對配網(wǎng)電壓穩(wěn)定性影響

2.2 接入容量

保持配電網(wǎng)線路長度不變，將風電并網(wǎng)裝機容量由4 MW增加到12 MW。1.0 s時在母線1處接入5+2.5j MW的干擾負荷。從圖5的 (a)、(b)、(c)3條曲線可見，隨著風電接入容量的增大，其對配網(wǎng)電壓穩(wěn)定水平的支持效果越好。

從圖5曲線 (b)和 (c)可見，在經(jīng)歷了負荷干擾后，由于風電接入對配網(wǎng)電壓的支持作用，指標K經(jīng)過短暫的下降后又逐漸趨向于1，根據(jù)前面的推導，說明母線1上的電壓經(jīng)過一段時間的波動后基本恢復了穩(wěn)定。但是，風電的容量并不是越大越好，如果注入容量大于負荷，則會造成功率逆向傳輸，使線路末端電壓高于系統(tǒng)電壓，甚至越限。另外，隨著容量增大，風電自身的間歇性和不穩(wěn)定性也會給配網(wǎng)電壓帶來更大的影響，且在其接入電網(wǎng)和退出運行時會造成更大的沖擊，對配網(wǎng)電壓穩(wěn)定性造成不利影響。

圖5 風電接入容量對配網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的影響

2.3 風速變化及故障

保持配網(wǎng)線路長度不變，0.3 s時加入隨機風，持續(xù)到0.6 s，1.5 s時在風機端口設置短路故障，持續(xù)0.2 s，則配網(wǎng)電壓穩(wěn)定指標曲線如圖6(a)、(b)和 (c)所示?？梢钥闯?，風電接入量越大，配網(wǎng)線路長度越短，在風速變化和故障情況下對配網(wǎng)電壓的沖擊力越大。由于隨機風的作用引起風機輸出功率變化。圖6(a)、(b)和 (c)中K值最小值分別為0.82、0.6和0.7，這種情況下，雖然圖6(c)的K值比圖6(b)中的大，但其振蕩最大值明顯要大于圖6(b)，因此更加不穩(wěn)定。由于故障原因引起的振蕩中，圖6(a)中K值最小值達到0.2，而圖6(b)和 (c)中K值最小值已經(jīng)低于0.1，幾乎接近于0，電網(wǎng)電壓已經(jīng)崩潰，且在故障切除后，都沒有重新恢復穩(wěn)定。因此，雖然風機接入配網(wǎng)對其電壓有明顯的支持作用，但在考慮風機的接入位置和接入容量時，也需要考慮其自身的不穩(wěn)定性因素給配網(wǎng)帶來的影響。

圖6 不同風電容量及接入位置情況下故障對配網(wǎng)電壓的影響

3 結(jié)論

本文利用配網(wǎng)的潮流解的存在性推導了適用于含風力發(fā)電的配網(wǎng)電壓穩(wěn)定指標，搭建了典型的配網(wǎng)模型，利用指標研究了風電作為分布式電源接入配網(wǎng)時不同位置和容量以及故障情況下對配網(wǎng)電壓的影響。

風電接入配電網(wǎng)以后，一方面能抬高節(jié)點電壓及減少配電網(wǎng)網(wǎng)損，從而對配網(wǎng)電壓進行支持。另一方面，其接入可能會對原有的配電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊性影響，如大容量風電的接入可能會將功率逆送至大電網(wǎng)。同時，風力發(fā)電自身的間歇性和不穩(wěn)定性也會對傳統(tǒng)配電網(wǎng)帶來影響。通過分析得到以下結(jié)論。

a． 配網(wǎng)線路長度越短，風電接入對配網(wǎng)電壓的支持作用越明顯。

b． 風電容量越大，其對配網(wǎng)電壓的支持作用越明顯。但是，風電的容量并不是越大越好，如果注入容量大于負荷，則會造成功率逆向傳輸，使線路末段電壓高于系統(tǒng)電壓，甚至越限。

c． 配網(wǎng)線路長度越短，風電容量越大，風電自身的間歇性和不穩(wěn)定性以及故障對配網(wǎng)電壓造成的負面影響越大。因此在考慮配網(wǎng)規(guī)劃的過程中也應充分考慮這一點以確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

［1］ 葉 萌，劉文霞，張 鑫．考慮電壓穩(wěn)定的分布式發(fā)電最優(yōu)配置 ［J］．現(xiàn)代電力，2010，27(4):30－34．

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［3］ 丁思敏．分布式發(fā)電對配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性影響的研究［D］．南京理工大學碩士論文，2010．

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［6］ 武曉朦，劉 健，畢鵬翔．配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性研究 ［J］．電網(wǎng)技術(shù)，2006，30(24):31－35．

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