摘要：作為一種可再生能源，風(fēng)電一定程度上解決了國家用電需求高漲的問題，但高比例風(fēng)電并網(wǎng)后電力系統(tǒng)的穩(wěn)定控制問題，尤其是靜態(tài)電壓穩(wěn)定性問題日益突出。為穩(wěn)定控制高比例風(fēng)電接入的電力系統(tǒng)靜態(tài)電壓，首先對靜態(tài)電壓穩(wěn)定性進行分析，并結(jié)合內(nèi)蒙古某市電網(wǎng)實例，采用P-V曲線連續(xù)潮流法，根據(jù)高比例風(fēng)電接入系統(tǒng)的負荷裕度計算，提出無功補償和發(fā)電機機端電壓調(diào)整兩種適合該電力系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性控制策略。結(jié)果表明，采用無功補償和發(fā)電機機端電壓調(diào)整策略后，該電力系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定負荷裕度均有明顯提升。

關(guān)鍵詞：高比例;風(fēng)電接入;電力系統(tǒng);靜態(tài)電壓穩(wěn)定;控制

中圖分類號：TM712.2" " 文獻標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2023）15-0015-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.15.004

0" " 引言

隨著能源危機不斷加劇，為實現(xiàn)能源可持續(xù)利用，國家正大力推行可再生能源戰(zhàn)略?？稍偕茉窗ㄋΠl(fā)電、風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電，其中，風(fēng)力發(fā)電是可再生能源中發(fā)展最快的[1]，風(fēng)力發(fā)電的廣泛應(yīng)用在一定程度上解決了能源短缺問題。風(fēng)力發(fā)電具有出力隨機性和不確定性，接入規(guī)模小時，其對電力系統(tǒng)基本不會造成影響;而高比例接入電力系統(tǒng)后，會給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行帶來諸多問題[2]。隨著高比例風(fēng)電接入，電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定問題凸顯。由于電力系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性分析是一個尋找電壓穩(wěn)定平衡點的過程，因此，研究高比例風(fēng)電接入的電力系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性，就是研究潮流方程是否存在可行解的問題[3]。

1" " 風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀及問題所在

風(fēng)電是一種可再生的潔凈能源，具有造價低、可靠性高、發(fā)電方式多樣化和運行維護簡單等優(yōu)點，在國內(nèi)外電力系統(tǒng)中都有廣泛應(yīng)用，并且呈現(xiàn)出日益增長的發(fā)展趨勢[4]。近年來，作為我國電力系統(tǒng)中的新能源，風(fēng)電并網(wǎng)容量逐漸增加。2014年，我國風(fēng)電裝機容量達到114 GW，隨著多年的不斷發(fā)展，截至2021年底，風(fēng)電裝機容量已達328.48 GW，成為實現(xiàn)國家“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的重要手段之一[5]。但是，高比例風(fēng)電接入的電力系統(tǒng)存在一個慣量缺失的問題，無法提供足夠的頻率支撐，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。目前，我國為了保證風(fēng)電機組不對主網(wǎng)的穩(wěn)定性造成太大影響，對于接入不同電壓等級的風(fēng)電機組輸出的電能都有一定的要求，以使輸出電能的電壓、頻率波動控制在統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示。

2" " 高比例風(fēng)電接入的電力系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性分析

2.1" " 高比例風(fēng)電接入對電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的影響

電壓穩(wěn)定是指在給定的初始運行條件下，電力系統(tǒng)受到一定程度的擾動后，所有母線保持穩(wěn)定電壓或恢復(fù)到容許范圍內(nèi)的能力，主要取決于電力系統(tǒng)功率是否平衡。根據(jù)系統(tǒng)受到擾動的大小，可以將電壓穩(wěn)定分為大擾動穩(wěn)定和小擾動穩(wěn)定兩種，即：靜態(tài)電壓穩(wěn)定和暫態(tài)電壓穩(wěn)定。電壓一旦處于不穩(wěn)定狀態(tài)，將會給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行帶來威脅。隨著風(fēng)力發(fā)電的蓬勃發(fā)展，高比例風(fēng)電接入并網(wǎng)已是大勢所趨，但風(fēng)速具有隨機性、波動性，這就降低了電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性[6]。另外，風(fēng)力發(fā)電接入位置通常在電力系統(tǒng)的末端，當(dāng)風(fēng)電出力發(fā)生變化時，將導(dǎo)致電力系統(tǒng)出現(xiàn)短期電壓失穩(wěn)問題。因此，研究高比例風(fēng)電接入電力系統(tǒng)后的靜態(tài)電壓穩(wěn)定問題，對保障電力系統(tǒng)安全、可靠運行具有重要意義。

2.2" " 靜態(tài)電壓穩(wěn)定性分析

高比例風(fēng)電接入電力系統(tǒng)后，研究靜態(tài)電壓穩(wěn)定性只需分析風(fēng)電特性對系統(tǒng)帶來的影響?；赑-V曲線研究系統(tǒng)負荷裕度，當(dāng)系統(tǒng)承受負荷及故障擾動時，通過各類特征判斷當(dāng)前狀態(tài)是否穩(wěn)定。計算P-V曲線的常用方法是連續(xù)潮流法，它可以準(zhǔn)確計算不同負荷下的潮流解。

2.2.1" " P-V曲線

通過P-V曲線可以直觀分析靜態(tài)電壓穩(wěn)定情況[7]。在P-V曲線中，P代表負荷節(jié)點的有功功率，V代表負荷節(jié)點的電壓幅值，（P0，V0）為當(dāng)前運行節(jié)點，（Pmax，V1）為穩(wěn)定臨界點，Pmax為負荷極限功率，Pmax與P0差值為有功裕度，如圖1所示。P-V曲線上半支電壓是穩(wěn)定的;P-V曲線下半支是電壓不穩(wěn)定區(qū)域，主要表現(xiàn)為負荷節(jié)點有功功率增大時，節(jié)點的母線電壓也會增大，電壓控制失去因果性，故此區(qū)域靜態(tài)電壓穩(wěn)定性存在問題。

2.2.2" " 雙饋異步風(fēng)機

雙饋異步風(fēng)機采用變速恒頻發(fā)電技術(shù)[8]，通過變流器連接系統(tǒng)，其兩個變流器可在整流和逆變的狀態(tài)下運行，實現(xiàn)有功和無功功率解耦控制，具有一定的無功調(diào)節(jié)能力，靜態(tài)等效電路如圖2所示。但該風(fēng)力發(fā)電機易受電網(wǎng)故障影響，結(jié)構(gòu)如圖3所示。由于雙饋異步風(fēng)機能夠保持恒電壓運行，因此，變速風(fēng)電機組可以看作P-V節(jié)點，對其進行連續(xù)潮流計算處理。

2.2.3" " 靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析方法

由于常規(guī)潮流法在電壓崩潰點外無解，利用連續(xù)潮流法的負荷參數(shù)和預(yù)估校正技術(shù)，在計算過程中不斷更新潮流方程，準(zhǔn)確得到潮流解。隨著系統(tǒng)負荷的不斷變化，連續(xù)潮流法順著負荷變化的方向追蹤P-V曲線，并對下一個工作節(jié)點進行預(yù)估、校正，直到整條P-V曲線勾畫完成。參數(shù)化的連續(xù)潮流方程如公式（1）所示：

式中：Pi為節(jié)點i的電源有功功率;Qi為節(jié)點i的無功功率;PWG，i為風(fēng)電場注入節(jié)點i的有功功率;QWG，i為風(fēng)電場注入節(jié)點i的無功功率;Vi為節(jié)點i母線的電壓;Vj為節(jié)點j母線的電壓;Gij為節(jié)點i與j之間電動勢;θij為節(jié)點i與j之間夾角;Bij為節(jié)點i與j之間導(dǎo)納;λ為負荷裕度;ΔPGi為風(fēng)電場注入節(jié)點的有功功率;ΔPWG，i為風(fēng)電場有功出力的變化;ΔQWG，i為風(fēng)電場無功出力的變化;ΔPLi為發(fā)電機注入節(jié)點功率增長方向;ΔQLi為發(fā)電機注入節(jié)點負荷功率增長方向。

3" " 高比例風(fēng)電接入的電力系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定控制策略

3.1" " 電力系統(tǒng)案例

以內(nèi)蒙古某市電力系統(tǒng)為例，該電力系統(tǒng)主網(wǎng)架由500 kV線路組成，有500 kV變電站1座、220 kV變電站10座、風(fēng)電場8座，風(fēng)力發(fā)電量1 200 MW。風(fēng)電場由220 kV匯集站接入電網(wǎng)的邊緣地區(qū)，對風(fēng)電場匯集站靜態(tài)電壓穩(wěn)定性進行分析。風(fēng)電接入電力系統(tǒng)后，改變了系統(tǒng)的電源分布及潮流方式，因此，對系統(tǒng)的電壓控制提出了不同的要求。

3.2" " 靜態(tài)電壓穩(wěn)定負荷裕度

假設(shè)該電力系統(tǒng)負荷不斷增加，利用連續(xù)潮流法，計算得出系統(tǒng)中每個運行節(jié)點的P-V曲線，根據(jù)電壓穩(wěn)定負荷裕度指標(biāo)分析靜態(tài)電壓穩(wěn)定性。電壓穩(wěn)定負荷裕度指標(biāo)計算如公式（4）所示：

對比上述兩次負荷裕度計算結(jié)果，風(fēng)電場接入后的負荷裕度比未接入風(fēng)電場稍高，證明該系統(tǒng)不需要從電網(wǎng)吸收無功，風(fēng)電接入后還可以為原電網(wǎng)提供一定的無功功率。因此，高比例風(fēng)電接入后，該電力系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性變好，究其原因，是所有風(fēng)電場均采用了雙饋異步風(fēng)機。

3.3" " 靜態(tài)電壓穩(wěn)定性控制策略

為了更好地運行管理電力系統(tǒng)，應(yīng)考慮合理的策略以提高靜態(tài)電壓穩(wěn)定性。根據(jù)該電力系統(tǒng)的實際情況，對其提出了無功補償和發(fā)電機機端電壓調(diào)整兩種策略。

3.3.1" " 無功補償

從靜態(tài)電壓穩(wěn)定的角度來看，為了提高電力系統(tǒng)的無功支撐能力，配備無功電源是改善部分無功不足的重要方法，它可以增加輸電系統(tǒng)無功補償，使電力系統(tǒng)中各母線電壓維持在較高狀態(tài)。因此，對該電力系統(tǒng)的風(fēng)電場裝設(shè)50 Mvar、80 Mvar固定無功補償設(shè)備，再對其電壓穩(wěn)定性進行分析，得出配備了固定無功補償設(shè)備之后的P-V曲線，通過軟件得出，負荷裕度分別增加了14 MW和19 MW，靜態(tài)電壓穩(wěn)定性均有一定的提高，使用80 Mvar固定無功補償設(shè)備比50 Mvar固定無功補償設(shè)備的效果明顯，證明了無功補償設(shè)備的容量越大，越有利于靜態(tài)電壓穩(wěn)定性提升。因此，風(fēng)電場接入?yún)^(qū)域及沿線需要配備無功補償設(shè)備。

3.3.2" " 發(fā)電機機端電壓調(diào)整

在風(fēng)電接入的電力系統(tǒng)中，風(fēng)電機組出力會引起電網(wǎng)電壓波動，因此，有必要調(diào)整風(fēng)電機組出力配合電力系統(tǒng)內(nèi)其他電源。調(diào)整風(fēng)電機組出力可以通過調(diào)整發(fā)電機機端電壓實現(xiàn)，下面研究該方法對電力系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響。將電力系統(tǒng)中所有雙饋異步風(fēng)機的機端電壓提高0.02 p.u.和0.05 p.u.，并對比負荷裕度的提升效果。當(dāng)機端電壓提高0.02 p.u.時，負荷裕度提高了27 MW，由原來的747 MW提高到774 MW;當(dāng)機端電壓提高0.05 p.u.時，負荷裕度提高了65 MW，由原來的747 MW提高到812 MW。通過負荷裕度的提升數(shù)據(jù)可以得出，提高機端電壓實際是提高了發(fā)電機的有功功率，實現(xiàn)了負荷裕度的最大化，同時，還提升了無功功率的輸出，兼顧了發(fā)電機出力成本與負荷裕度，可以很好地提高電力系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性。

4" " 結(jié)論

風(fēng)電作為典型的可再生能源已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，高比例風(fēng)電接入的電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性將會受到影響，因此，需要制定出科學(xué)合理的控制策略，從而為電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定運行奠定良好基礎(chǔ)。

本文以內(nèi)蒙古某市電網(wǎng)為例，對高比例風(fēng)電接入的電力系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性進行研究，得出以下結(jié)論：1）P-V曲線可以提供電壓穩(wěn)定性的重要信息，選取P-V曲線計算方法具有重要意義，連續(xù)潮流法使用了負荷參數(shù)和預(yù)估校正技術(shù)，因而是求取P-V曲線的有效方法;2）該電力系統(tǒng)高比例風(fēng)電并網(wǎng)，由于所有風(fēng)電場均采用了雙饋異步風(fēng)機，負荷裕度稍高，靜態(tài)電壓穩(wěn)定性變好;3）針對靜態(tài)電壓穩(wěn)定性控制策略，根據(jù)該系統(tǒng)的實際情況，選擇了無功補償和發(fā)電機機端電壓調(diào)整，負荷裕度均有明顯提高，且無功補償設(shè)備容量越大，效果越明顯，同理，發(fā)電機機端電壓升高越多，負荷裕度增大效果越好。

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收稿日期：2023-04-10

作者簡介：李鵬年（1982—），男，甘肅古浪人，高級工程師，從事電力研究工作。