吳麗娜，邵龍，秦召磊，劉觀起

（1.華北電力大學電氣與電子工程學院，河北保定 071003；2.國家電網(wǎng)山西省電力公司計量中心山西 太原 030002）

自20世紀70年代以來，世界各國的電壓崩潰事故發(fā)生頻率不斷上升，給國家和人民造成了巨大的經(jīng)濟損失，電壓穩(wěn)定問題開始受到廣泛關(guān)注。電壓穩(wěn)定根據(jù)研究過程不同，可分為靜態(tài)電壓穩(wěn)定，暫態(tài)電壓穩(wěn)定和動態(tài)電壓穩(wěn)定。其中，靜態(tài)電壓穩(wěn)定能夠較好地反映系統(tǒng)的電壓水平，且計算量較小，是整個系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的基礎(chǔ)和前提[1]。深入研究系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性可為電壓穩(wěn)定的后續(xù)研究奠定良好的基礎(chǔ)。

隨著風電的不斷發(fā)展，風電并網(wǎng)容量的不斷增加，大規(guī)模風電并網(wǎng)給電力系統(tǒng)帶來了很多新問題。風電輸出功率的隨機性和波動性使得電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行受到嚴重威脅，因此對大規(guī)模風電并網(wǎng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性進行研究具有十分重要的意義。文獻[2-4]通過理論分析和仿真驗證，研究了不同類型風電場并網(wǎng)對電壓穩(wěn)定性的影響。文獻[5]利用戴維南等效理論和兩點潮流計算法，對預測負荷的臨界電壓和臨界功率做出快速預測，得出PV曲線以及VQ曲線，進而研究系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。

文中以國內(nèi)某一風電并網(wǎng)容量很大的實際電網(wǎng)為研究對象，對大規(guī)模風電接入電網(wǎng)后的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性進行分析研究。通過電力系統(tǒng)分析綜合程序（PSASP）軟件搭建模型，并進行仿真，計算該電網(wǎng)在接入風電場以及不接入風電場兩種情況下的靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度和靜態(tài)儲備系數(shù)，并對在電壓薄弱環(huán)節(jié)配置無功補償設(shè)備、提高風力機機端電壓兩種措施對系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響進行仿真分析。

1 PV曲線

電壓失穩(wěn)一般發(fā)生在系統(tǒng)最大傳輸功率點附近。在臨界點附近，如果負荷有一個較小的增量，系統(tǒng)電壓便會急劇下降，導致電壓失穩(wěn)。PV曲線分析法是靜態(tài)電壓穩(wěn)定性分析中一種重要的分析方法[6]。在PV曲線中，P表示某區(qū)域的總負荷，U表示關(guān)鍵母線或節(jié)點的電壓。根據(jù)系統(tǒng)中各節(jié)點的PV曲線，可以得到關(guān)于電壓穩(wěn)定性的兩個重要參量：臨界電壓和極限功率[7]。這兩個參量可用來計算系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定裕度，判斷各節(jié)點電壓穩(wěn)定性的好壞。

2 靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的分析指標

迄今為止，研究人員從不同角度提出了多種靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的分析指標，總體上可分成狀態(tài)指標和裕度指標兩類[8]。相對于狀態(tài)指標而言，裕度指標能夠針對系統(tǒng)當前運行點到電壓崩潰點距離的量度，給運行人員提供一個較為直觀的表示，且系統(tǒng)運行點到電壓崩潰點的距離與裕度指標的大小呈線性關(guān)系。因此，電壓穩(wěn)定裕度指標分析方法受到了廣泛的重視。PV曲線的拐點為穩(wěn)定運行的臨界點，根據(jù)PV曲線可求得電壓穩(wěn)定裕度，計算公式如下：

式中，Pmax為靜態(tài)電壓穩(wěn)定的功率極限值；P0為當前運行點所對應(yīng)的負荷功率；Pmargin為電壓穩(wěn)定裕度值[9]。

根據(jù)電壓穩(wěn)定裕度，可進一步求得靜態(tài)儲備系數(shù)KP，即：

3 仿真分析

3.1 仿真系統(tǒng)描述

本文以國內(nèi)某城市電網(wǎng)A為例，分析大規(guī)模風電接入電網(wǎng)對靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響。在電網(wǎng)A中，35 kV以上變電站總計40座，主變一共76臺，總?cè)萘?715.5 MV·A，其中500 kV變電站兩座，主變4臺，總?cè)萘繛?000 MV·A，220 kV變電站主變26臺，總?cè)萘繛?646 MV·A，有載調(diào)壓變壓器22臺；66 kV變電站主變46臺，總?cè)萘?569.5 MV·A，有載調(diào)壓變壓器39臺。

220 kV線路67回，總長度2790.03 km，最長193.49 km，最短2.988 km；66 kV線路205回，總長度4012.0739 km，最長126.758 km，最短0.83 km。

火電廠11座，總?cè)萘?4521 MW。水電廠2座，總?cè)萘?3.3 MW。風電場25座，總?cè)萘?584 MW。電網(wǎng)A的接線圖如圖1所示，圖中相應(yīng)線路和變壓器的參數(shù)參見表1—表3。

3.2 電壓穩(wěn)定裕度計算

計及風電場時，對實際電網(wǎng)A在PSASP中搭建模型，設(shè)定系統(tǒng)中負荷逐漸增加，各個風電場均不切出，通過計算得出系統(tǒng)中各個節(jié)點的PV曲線。由于節(jié)點數(shù)目較多，這里不作羅列。

該電網(wǎng)A的有功負荷為2725 MW，在PSASP中的電壓穩(wěn)定計算作業(yè)中，將常規(guī)潮流方法設(shè)置為“牛頓功率法”，病態(tài)潮流方法設(shè)置為“按過渡方式修正法”，步長設(shè)置為0.01，執(zhí)行計算作業(yè)，得出該電網(wǎng)的臨界點對應(yīng)的功率極限值為4015 MW。根據(jù)式（1），得出電壓穩(wěn)定裕度值為：

根據(jù)式（2），得出系統(tǒng)靜態(tài)儲備系數(shù)為47.3%。

當不計及風電場時，假定該電網(wǎng)未接入風電場，其他條件均與計及風電場時一樣，電網(wǎng)A的有功負荷仍為2725 MW，電網(wǎng)的發(fā)電機數(shù)據(jù)組中除去所有風力發(fā)電機，再次運行電壓穩(wěn)定計算作業(yè)，得出該電網(wǎng)的功率極限值為3898 MW，電壓穩(wěn)定裕度值為1173 MW，系統(tǒng)靜態(tài)儲備系數(shù)為43%。

表1 線路參數(shù)Tab.1 Line parameters

由上述計算可知，該電網(wǎng)接入風電場后，其電壓穩(wěn)定裕度比未接入風電場時略高，系統(tǒng)靜態(tài)儲備系數(shù)也略大，表明接入風電場以后，電網(wǎng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性變好。其原因是由于該地區(qū)風電場容量較大，且都采用了雙饋型風力發(fā)電機組，基本不需要從電網(wǎng)吸收無功，在風電并網(wǎng)后，可以為電網(wǎng)提供一定的有功甚至是無功功率，對系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性形成有力的支撐。所以當風電大規(guī)模并網(wǎng)時，能夠提高系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性。

3.3 無功補償設(shè)備對靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響

根據(jù)電壓穩(wěn)定裕度的計算結(jié)果，在接入風電場時，該系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定裕度為1290 MW。隨著負荷的增加，寶龍山（BLS）與開魯（KL）兩個變電站電壓下降幅度最大，這兩個點即被認為是該地區(qū)電壓穩(wěn)定性最差的兩個點。

考慮到電壓穩(wěn)定性的降低主要是由于局部無功不足造成的，所以配備無功電源是改善靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的重要方法。為了研究無功補償裝置對靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響，在這兩個電壓穩(wěn)定性最差的節(jié)點裝設(shè)一定容量的固定無功補償設(shè)備，再對其電壓穩(wěn)定性進行分析，進一步探討無功補償裝置對電壓穩(wěn)定性的影響。

在BLS、KL兩個節(jié)點分別裝設(shè)30 Mvar、50 Mvar、80 Mvar的固定無功補償設(shè)備，得出配備了無功設(shè)備之后這兩個節(jié)點的PV曲線，分別如圖2、3、4所示。

可見，在加裝了固定無功補償設(shè)備后，這兩個節(jié)點的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性都有了一定的提高，而且配備的無功設(shè)備容量越大，電壓穩(wěn)定性提高越明顯。

在這兩個節(jié)點安裝無功設(shè)備，對該電網(wǎng)的無功裕度也有一定的提升。通過計算表明，在兩個節(jié)點安裝30 Mvar的固定無功設(shè)備后，該電網(wǎng)的無功裕度

圖2 配備30 M var固定補償裝置的PV曲線Fig.2 PV curves w ith 30 M var fixedcompensation device

圖3 配備50 M var固定補償裝置的PV曲線Fig.3 PV curves w ith 50 M var fixed compensation device

圖4 配備80 M var固定補償裝置的PV曲線Fig.4 PV curves with 80 M var fixed compensation device

從原來的1290 MW升高到1332 MW，提高了42 MW；安裝50 Mvar的固定無功設(shè)備后，無功裕度從原來的1290 MW升高到1408 MW，提高了118 MW；安裝80 Mvar的固定無功設(shè)備后，無功裕度從原來的1290 MW升高到1489 MW，提高了199 MW。由此可以看出，配備的無功設(shè)備容量越大，電壓無功裕度提升越大。

3.4 提高機端電壓對靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響

由之前的計算可知，在接入風電場之后，電網(wǎng)A的靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度為1290 MW。為了評估提高風力發(fā)電機的機端電壓對靜態(tài)電壓穩(wěn)定的影響，仍然選取了開魯變電站和寶龍山變電站進行研究。

開魯變電站共接有5個風電場，將這5個風電場中的所有風電機組的機端電壓分別升高0.02 pu和0.05 pu，以此來提高風力發(fā)電機輸出的有功與無功功率，并研究其對系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的影響。開魯變電站的PV曲線如圖5所示。

圖5 提高機端電壓后開魯變電站PV曲線Fig.5 PV curves of KL Substation after im proving the term inal voltage

機端電壓提高0.02 pu時，經(jīng)過計算可得，該電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定裕度從1290 MW提高到1342 MW，提高了52 MW。機端電壓提高0.05 pu時，電壓穩(wěn)定裕度從1290 MW提高到1457 MW，提高了167 MW。

寶龍山變電站共接有4個風電場，將這4個風電場中的所有機組的機端電壓分別升高0.02 pu和0.05 pu，并研究其對系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的影響。寶龍山變電站的PV曲線如圖6所示。

機端電壓提高0.02 pu時，經(jīng)過計算可得，該電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定裕度從1290 MW提高到1337 MW，提高了47 MW。機端電壓提高0.05 pu時，電壓穩(wěn)定裕度從1290 MW提高到1431 MW，提高了141 MW。

通過上面的分析可知，提高風電機組機端電壓可以改善電網(wǎng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性。其原因是提高了機端電壓，既增大了發(fā)電機輸出的有功功率，有力支撐了電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性，還增大了無功功率的輸出，使得風力機不需要從外界吸收無功功率，甚至可以向電網(wǎng)提供一定的無功，所以提高機端電壓可以有效提高電網(wǎng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性。

圖6 提高機端電壓后寶龍山變電站PV曲線Fig.6 PV curves of BLS Substation after im proving the term inal voltage

4 結(jié)論

文中采用電力系統(tǒng)分析綜合程序（PSASP）建立了國內(nèi)某實際電網(wǎng)A的模型，并分析了該電網(wǎng)在接入風電場時與不接入風電場時的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性，研究了在系統(tǒng)中薄弱環(huán)節(jié)配置無功補償設(shè)備、改變風力機機端電壓兩種措施對電網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響。最終得出結(jié)論：風電并網(wǎng)后，電網(wǎng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度以及靜態(tài)儲備系數(shù)均有所提高，即風電并網(wǎng)能夠提高系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性；在系統(tǒng)中裝設(shè)無功補償設(shè)備、提高風力發(fā)電機的機端電壓兩種措施均可以有效地提高系統(tǒng)的無功裕度，改善系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性。

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