风电并网对接入地区电压的影响

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摘要： 随着风电装机规模的不断扩大， 大规模风电场接入地区电网后， 对当地电网的电压造成影响， 研究风电接入地区电网电压问题显得十分重要。以新疆哈密地区风电接入当地电网为例， 统计了并网地区典型运行方式下的母线电压水平。建立风电场机组仿真模型， 考虑尾流效应影响下的风速， 通过实时数据进行潮流计算， 分析与风电场有关的关键节点电压问题。针对当地电网的运行方式， 提出了改善并网地区电压质量的措施， 对投切电抗器和SVC 2 种无功补偿方案进行计算并仿真了方案的可行性。在国内风机脱网的背景下， 分析了投切电抗器可能对同一并网点的风电场群产生影响。

0 引言

风电出力的随机性和波动性以及在电网中风电比例的增高， 使风电对接入地区电网的影响将逐渐扩大， 大容量风电同时并网会造成接入变电站母线电压质量急剧下降[1-2]。风速超过风机切出风速时，大量风电机组的切机使风电场有功出力瞬间下降，易造成系统有功不足，导致频率波动。目前，风电机组大多不能进行持续有效的有功、无功调节，对电网电压影响较大;同时大量的风电功率注入电网后，改变了电网潮流分布，对当地电网的运行调度、无功补偿容量的配置以及电压稳定性产生明显的影响[3-4]，因此， 对含风电的系统在风机不同出力水平下的潮流计算具有重要意义。本文以接入新疆哈密地区电网末端的某风电场为例， 利用电力系统分析综合程序对风电接入地区进行了潮流计算， 仿真研究了风电并网对接入地区电压影响， 提出了改善并网点电压质量的措施。

1 风电接入地区电网电压分析

风电大规模的并网对接入点电压造成显著影响，主要表现在受风电场有功出力影响明显，风电并网点母线电压波动大，风机在故障期间不能为电网提供有效的无功功率支撑，电网的电压稳定性降低[5]。

研究的马莲泉风电场容量为99 MW，以单回线接入地区电网末端， 装机容量占日最大高峰负荷的20%左右。风电场出力通过101.86 km、110 kV 联络线并入当地巴里坤变电站。巴里坤变电站接入220 kV山北变电站。该地区电网接线图如图1 所示。运行数据显示巴里坤地区电压普遍偏高， 其母线最高电压水平统计如表1 所示。

风电场位于电网的末端，远离负荷中心，电网结构薄弱，基本为单放射状，线路供电距离普遍较长，线路充电功率较大， 计算结果表明风电场至巴里坤变电站和黑眼泉变电站至巴里坤变电站线路容性无功功率达9.5 Mvar， 巴里坤变电站至马场变电站线路容性无功功率达6.0 Mvar， 山北变电站至哈密变电站线路容性无功功率达22.0 Mvar;巴里坤变电站三相短路容量为615.7 MVA。运行数据显示巴里坤变电站母线电压在风电场有功出力小于58.0 MW时，风电接入地区电压随风电场出力的增加而升高，这主要是由于风电场并入电网后改变了该地区的潮流分布， 减小了马场变电站至山北变电站及巴里坤变电站线路、哈密变电站至山北变电站线路的潮流。当风电场有功出力超过一定值时， 风电场所在地区由受端变成送端， 线路消耗的无功功率大于线路的充电功率，巴里坤变电站母线电压有所降低。由此可知风电场有功出力的变化影响风电场接入地区无功分布和电压水平， 风电场有功出力的随机性导致了接入地区电压的随机波动[6]。在研究改善风电接入地区电网电压时， 应充分考虑风电的运行特点及其对接入地区电压的影响。

2 改善风电接入地区电网电压质量的措施

该地区接入风电后，受其特性影响，电压质量下降，因此迫切需要改善并网点地区电压质量。

静止无功补偿器(SVC)是一种新型的快速、平滑动态无功补偿装置，由可控的电抗器和电容器组成，通过调节电容器或电抗器实现从容性到感性范围平滑调节， 较之分组投切电容器或电抗器具有明显优势。本文按照电网无功功率就地平衡原则，分别就投入电抗器、SVC 这2 种方式进行比较分析。

3 算例分析

3.1 仿真模型的建立

(1)风速和机组等效。风电场由数量众多的不同类型的机组构成，因此，必须对风电场风速和机组进行合理等效，以尽可能反映风电场实际模型。考虑风力发电机尾流效应[7]，并按照风电场机组出线方式进行分组风速等效。以风电场1 条汇流线路上6 台风机为例，假定风机正风向第1 台风机(G1)的风速(v1)为额定风速(13 m/s)，参照文献[7]，则风机背风向G2~G6的风速(v2~v6)如表2 所示。

风电场处在同一均匀风带上， 将此条汇流线上等效机(Geq)的风速(veq)为该等值机的额定风速;考虑不同风力发电机组类型的特性，采用文献[8]风电机组等值方法， 将相同类型机组和集电线上的同等数量机组等值成1 台风机， 则马莲泉风电场风机的16 回出线(共99 台机)等值为4 台风机(Geq1~Geq4)，等值容量分别为49.5 MW、27.0 MW、10.5 MW 和12.0 MW，Geq1~Geq4的等值额定风速(veq1~ veq4)分别为11.52 m/s、10.85 m/s、10.56 m/s 和10.19 m/s。风电场简化等值示意如图2 所示。

(2)风力发电机母线节点处理。异步风力发电机在并网中向系统发出有功的同时还吸收无功来建立磁场，吸收无功的大小与有功功率(Pe)、机端电压(U)、转差(s)有关。目前，异步机的母线节点处理主要有PQ 模型、RX 模型、PZ 模型等。变速恒频双馈异步风力发电机由于实现了恒功率因数下的有功无功解耦控制，在实际运行中有功和无功是可控的。结合该风电场实际的无功曲线与功率因数曲线， 将风力发电机母线节点统一处理成PQ 模型。

3.2 不同电压改进方案效果的仿

真(1)在巴里坤变电站投入电抗器。选取哈密地区电网4 种运行方式为例， 对巴里坤变电站母线投入电抗器，电抗器每组容量为4 Mvar，利用SCADA 实时数据，计算其母线电压变化，如表3 所示。

由表3 看出，在巴里坤变电站投入电抗器后，各母线电压质量可得到改善;风机有功出力不同，电抗器投入容量也不同。由于风电场出力的多变性，电抗器投入与退出容量难于及时准确确定， 在极端情况下，如果该风电场内线路出现故障，场内机组大面积脱网，风电场内补偿装置不能在第一时间退出，相当于在联络线末端并联无功补偿装置， 巴里坤变电站电抗器组若不能及时调整，该地区将会严重过压;如果还存在另外风电场在巴里坤变电站并网， 那么另外风电场机组过压保护动作切除该风电场内机组，将连锁造成大范围的机组脱网。电抗器的投退具有阶梯性，在实际中存在过量或欠补情况，仅靠电抗器难以达到理想结果。

(2)在巴里坤变电站母线加入SVC。SVC 具有在容性和感性范围内动态调节电压能力， 本文在风电场并网点巴里坤变电站母线投入SVC[9-10]，仿真在冬季最小、夏季最小、夏季最大方式机组50%出力下其投入SVC 后母线电压变化曲线如图3 所示。可以看出，SVC 投入后母线电压得到改善。SVC 动态调整性较好， 在风电场并网处电压波动较大的母线上投入SVC， 比固定电抗器投切具有明显的优势， 对改善风电并网处的母线电压质量具有更加显著的效果。

3 结语

(1)大规模的风电场并网将改变接入地区潮流分布， 对当地电网的电压和电抗器投入容量都产生影响，在风电场不同的有功出力水平下，投入电抗器容量有所不同，通过投入电抗器，经计算能将节点电压控制在合理的水平，分析得出在风电场运行时，应考虑风电场的有功出力水平进行动态无功补偿。

(2)当风电接入点处投入SVC 时，接入点母线电压得到改善。通过仿真曲线表明投入SVC 后，比传统固定电容器和电抗器的投切具有明显的优越性。

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