并网风电场无功补偿策略研究.pdf

摘要随着风电场大规模集中发展，电网对风电场巳益提高的并网要求和风电场并网 点电压波动、功率因数较低的现状存在矛盾。本课题针对风电场无功补偿装置策略 问题展开了一系列的分析研究，提出了应用并联电容器组+SVC对风电场进行联合无 功补偿策略，以保持并网点电压稳定，满足并网要求。研究了风力发电机模型、桨距控制模型、风速模型和风功率模型，其中对风速 模型的研究考虑了平均风、随机风、渐变风和阵风；选取平均风、混合渐变风和阵 风作为输入对不同风速时风电机组的输出特性进行了仿真，分析了功率和电压波动 的原因；分析了不同风速以及三相短路故障下风电场的输出特性。研究了无功补偿装置工作原理，建立了基于PSCAD的仿真模型；分别将并联电 容器组、SVC和STATCOM补偿风电场无功，分析其对风电场电压的支撑能力；对三 种无功补偿装置的补偿效果进行了综合比较。根据目前风电场的实际情况在PSCAD中建立了风电场低电压保护模块，并将该 模块用于电网中进行仿真；分析了无功补偿装置提高风电场低电压穿越能力的机 理，分析无功补偿装置在提高风电场低电压穿越能力的同时给节点电压带来的影 响；提出了应川并联电容器组+SVC对风电场进行联合补偿的无功补偿策略。建立了含有两个等值风电场的电网模型，在风电场出口采川并联电容器组+SVC 联合补偿装置进行无功补偿；分析了风电场出口发生不同类型的短路故障时并联电 容器组+SVC联合无功补偿对风电场并网点电压的支撑能力；对比了采川所提无功补 偿策略前后风电场出口的电压水平和风机转子转速。关键词：风电场；无功补偿；SVC；STATCOMI(C)1994-2019 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.AbstractWith the large-scale centralized development of wind farm,there is a contradiction during the increasing demands which are required by connecting to network,voltage fluctuation of wind power access point and low power factor.Aiming at the stragety of reactive power compensation de vices,this article conducted a series studies,proposed a reactive power compensation strategy using capacitor and SVC to compensate reactive power commonly,to maintain the voltage stability of wind farm access point and meet the requires of connecting the network.The model of constant speed constant frequency wind-driven generator,OARS elongation control model,wind speed model and wind power model are researched.The average wind,stochastic wind,gradient wind and gusty wind were taken consider in the wind speed model.Simulated output characteristic of wind farm using average wind gusts wind,gradient wind and mixing of different wind speed as input,analysed the cause of fluctuation of voltage and power;Analyzes the the output characteristics of wind farm when the wind speed is different or there is a three-phase short-circuit fault in system.Researched the work principle of reactive power compensation devices,set up the simulation model based on PSCAD;Compensated the reactive power which the wind farm needed using parallel capacitor,SVC and STATCOM,analyzes the voltage support ability of the three devices on wind farm,made a synthetic comparison on the compensation effect.of three reactive compensation devices.Set up a low voltage protection module in PS CAD according to the actual situation of wind power,and analysed the system which contains the model;Analysis the mechanism why reactive power compensation equipment can increase the low voltage ride through ability of wind farm,analysed the effects which was taken by compensation devices when they improve the low-voltage ride through capability of wind farm;Proposed a reactive power compensation strategy using paralle capacitor and SVC to compensate the reactive power on the wind farm export.Established a network model which contain two wind farms,and compensated the reactive power using capacitor and SVC commonly on the wind farm export.Analysed the voltage support capability of the wind farm access point using capacitor and SVC to compensate commonly when there is different faults occurred at the wind farm export,contrast the voltage and rotor speed of wind generator before and after compensation by the strategy that was proposed in this article.Key Words：wind farm；reactive power compensation；SVC；STATCOMii(C)1994-2019 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.目录摘要.IABSTRACT.II第1章绪论.11.1 课题背景及研究的目的和意义.11.1.1 风能的利川及国内外风电的发展.11.1.2 风电发展遇到的问题及本文的意义.21.2 国内外对含风电场的电网无功补偿策略研究现状.31.3 本课题研究的主要内容.4第2章风电场模型和风电场特性分析.62.1 恒速恒频风力发电机组模型.62.1.1 风电机模型.72.1.2 风速模型.72.1.3 风功率模型.82.1.4 桨距角控制系统模型.92.2 变速恒频风力发电机组模型.102.2.1 风电机组模型(MX).102.2.2 励磁模型.112.2.3 风功率模型(TG).112.3 PSCAD中风电机组建模.122.4 风电场特性仿真分析.142.4.1 恒速恒频风电场特性分析.142.4.2 变速恒频型风电场特性分析.182.5 本章小结.20第3章不同无功补偿装置特性仿真.213.1 无功补偿装置研究.213.1.1 并联电容器组.213.1.2 静止无功补偿器SVC.21ill(C)1994-2019 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.3.1.3静止同步补偿器STATCOM.223.2 三种无功补偿装置特性仿真研究.243.2.1 并联电容器组无功补偿特性研究.243.2.2 SVC无功补偿特性研究.263.2.3 STATCOM 无功补偿特性研究.283.3 三种无功补偿装置补偿特性对比研究.303.4 本章小结.32第4章 并网风电场无功补偿装置策略研究.334.1 风电场保护模块的设计与实现.334.2 风电场出口无功补偿设备选择.354.2.1 风电场出口安装电容器组特性分析.354.2.2 风电场出口安装SVC特性分析.364.2.3 风电场出口无功补偿装置选择.384.3 本章小结.38第5章 并网风电场无功补偿策略.405.1 风电场所并入电网建模.405.2 对称故障下对风电场的联合无功补偿.415.3 不对称故障下对风电场的联合无功补偿.455.3.1 单相接地短路故障仿真.455.3.2 两相接地短路故障仿真.485.4 本章小结.52第6章结论与展望.53参考文献.55攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果.59致谢.60IV(C)1994-2019 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.第1章绪论1.1 课题背景及研究的目的和意义1.1.1 风能的利用及国内外风电的发展风能作为一种清洁的可再生能源，已在世界范围内受到重视。风能蕴藏量 巨大，全球风能资源总量约为2.74X 109MW,其中可利川的风能为2义107Mk 近 年来，全球风电继续保持快速发展的势头，2001年至2007年全世界风电总装 机容量以年均25%的增长率发展，远居各种电源增长率之首口。2008年全球风 电新增装机容量超过27000MW,总装机容量超过120000MW。2009年全球风力 发电新增31%,共增加37500MW新装机容量，全球总装机容量达到157900MW的 新高峰。1800001600001400001200001000008000060000400002000001997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 年份口风电总装机容量（MW）每年新增装机容量（MW）图1-1近年来世界风力发电装机容量中国丰富的风力资源为风电产业的发展奠定了基础。2006年可再生能源 法出台以及国家的政策的扶持，使得我国的风力发电快速发展，截至2008 年底，我国风电机组吊装容量已超过1OGW,提前两年实现 一五”风电发 展目标。2009年新增装机达到1300万千瓦，占到全球新增装机三分之一强，至2009年底国家电网公司运营范围内风电统调并网运行装机容量已达 16130MW5o我国近十年风力发电装机容量的发展状况如图1-2所示。1（C）1994-2019 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.1800016000140001200000OO2o o O o o O o o O 8 6 4年份图1-2近十年中国风力发电装机容量1.1.2 风电发展遇到的问题及本文的意义我国风能在地理及季节上分布不均，加之风能本身的不确定性和间歇性，导致我国风电发展中存在着一系列亟待解决的问题。主要体现在：(1)风电场接入电网末端，与电网连接薄弱；(2)风电的间歇性和反调峰特性突出，缺少快速调节电源，调峰能力不足;(3)风电大规模集中快速开发，同时率较高，单一省内难以全额消纳；(4)风电场功率预测精度低，不能有效参与系统调度；(5)风电规划与电网规划脱节，风电利川小时数低；(6)风电机组低电压穿越能力不合格，引发风电场大规模脱网。风电的特点决定了大容量风电并网必然会对电网电压稳定产生较大影响，无功备用容量和无功调节速度是维持风电场稳定的重要因素。目前主流的异步 发电机向电网输出有功功率的同时还需从电网吸收无功功率，加之电力汇集系 统、升压变压器及送出线路的无功消耗，导致电网向风电场输送无功较多，为 了减小电网无功传输的压力，一般采取在风电场出口安装无功补偿装置对风电 场需求的无功进行补偿。当风电场并网发电向系统输送有功功率时，输电线路的电阻上存在着使端 电压上升的电压分量，同时风电场也会从系统吸收无功功率，在输电线路的电 抗上产生使电压下降的分量，风电场的端电压最大值对应的有功功率会因风电 场流动的功率不同以及输电线路的电阻/电抗比值不同而不同，风电场发出的有2(C)1994-2019 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.功和无功有如下关系：Qv=3Z2X=3(P2+e2)/C/2eX(1-1)式1-1中，Qn表示风电场的无功功率，Xl表示风电场总的阻抗。由式1-1可知，风电场无功功率与有功功率的平方成正比。在实际运行中，风速变化、风机启停、尾流效应以及湍流会造成风电场功率和电压的波动，杆 塔的遮蔽效应也会使得风电场有功功率与电压存在周期性波动，而风电场一般 接入比较薄弱的电网末端，需要及时的无功支撑来保持电压的稳定性，这就要 求无功补偿装置的反应速度敏捷，延时较小。目前主流的无功补偿装置有电容器组、SVC和STATCOM,并联电容器组 不能平滑调节无功，而且无功补偿量的大小与接入点电压的平方成正比，当系 统电压较低时，电容器的无功补偿迅速下降，风电场对电网的无功需求增大，进一步恶化电压水平。SVC和STATCOM能够根据监测节点的电压调节输出无 功，但SVC和STATCOM成本较高，这就要求对风电场出口无功补偿装置的选 择根据实际情况，综合考虑电能质量和经济问题。本文基于这种背景，对含有风电场的电网进行仿真分析，比较并联电容器 组和动态无功补偿装置对风电场在风速变化及故障情况下的电压支撑能力，综 合考虑电能质量和经济问题，提出了一种应用并联电容器组和动态无功补偿装 置联合对风电场进行补偿的无功配置策略，不仅保证了风电场并网点电压的稳 定性，而且具有一定的经济性。1.2 国内外对含风电场的电网无功补偿策略研究现状目前，大容量风电场并网对电网的稳定已构成一定威胁，风电场出口无功 补偿策略的好坏直接影响到风电能否持续提供恒定有功功率，国内外相关研究 人员都对风电并网后的问题进行了积极研究，文献提出了电压崩溃的典型顺 序和关键因素，无功补偿是稳定电压水平的重要措施。文献7阐述了 SVC在 我国的应用现状及技术特点。文献阐述了扰动期间对风电场进行无功补偿可 以提高风机穿越能力。文献9分析了无功补偿必要性和北美并网风电场的无功 补偿需求，总结了不同类型风电机组的无功补偿容量。文献10阐述了无功补 偿的意义，并分析了不同的无功补偿方式的补偿规则。文献11,12提出了应用 遗传算法确定风电场并网点处并联电容器组的分组和控制方法；文献13分析 了与系统联络较弱的风电接入点的无功配置。文献口45提出了风电也应参与 调峰和调节电网的电压，并针对风电如何调压提供了一种无功补偿策略。文献 16提出建立节点电压-并联电纳间的灵敏度，并综合灵敏度和概率潮流算法以3(C)1994-2019 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.确定有效而必要的补偿位置。文献17提出了能够消减系统的振荡能量提高互 联系统的动态稳定性水平的阻尼控制策略，单调持续地消减区域间暂态振荡能 量总量，使得区域振荡逐渐平息，稳定受扰系统。文献18提出旋转对称分量 法以电压为同步坐标，可消除谐波对电流的影响，准确地计算出三相并联补偿 导纳值。基于同步对称分量法的SVC在电压、电流畸变时也能快速地跟踪补偿 系统的无功，保持系统电压稳定，具有较好的抗干扰性。在电压控制方面，文 献19-23提出了智能自适应比例积分微分（PID）控制方式、基于模糊算法，遗传算法等算法的非线性SVC控制方式、蚁群算法寻优的PID控制及电压闭环 最优非线性控制方法等。文献24研究了将SVC应川于电力系统改善电压稳定 性问题，侧重于SVC的建模及控制器的设计，没有考虑SVC的补偿容量。文 献25提出在系统发生扰动时，风电场接入点为电压控制点，扰动前的稳态电 压为控制目标的变速恒频风电场无功控制策略，川于动态调节风电场输出无功 功率，改善接入地区电压稳定性。文献26计及风速和负荷变化的情况下，对 风电场所安装的快速投切电容器组的容量及其投切规则进行了研究。文献27 提出STATCOM的控制器均采用PI控制，对参数变化及扰动敏感，参数不易确 定。文献28滑模变结构控制是一种非线性控制方法，它具有响应快速、对参数 变化及扰动不敏感、鲁棒性强、物理实现简单等优点。文献29应用直流侧电 容电压控制和系统无功电流反馈控制对静止无功补偿器（STATCOM）实行控制,分析了不同风速下STATCOM的补偿效果。1.3 本课题研究的主要内容目前，我国投运的风电场采用的风电机组大多需要从网络吸收无功功率以 建立磁场，为了减小系统无功输送压力，采取的措施是在风电场出口并联无功 补偿装置。并联电容器组结构简单成本低廉，但只能对系统无功进行离散调节，存在着过补偿与欠补偿现象，静止无功补偿器以及静止同步补偿器等动态无功 补偿装置能够快速平滑的调整无功，但占地面积大制造成本高。本文针对风电 场出口如何选川无功补偿设备这一实际问题，分别对风电场出口安装并联电容 器组、静止无功补偿器和静止同步补偿器的情况进行仿真，旨在找出一种能够 平衡电网的稳定和无功装置造价的风电场无功补偿策略，本文的主要研究工作 如下：（1）研究恒速恒频风力发电机模型、桨距控制模型、风速模型和风功率模 型，选取平均风、混合渐变风和阵风作为输入对不同风速时风电机组的输出特 性进行仿真，分析功率和电压波动的原因；对于不同类型故障时风电场的输出 特性进行仿真。4(C)1994-2019 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.(2)研究无功补偿装置工作原理，比较并联电容器组、SVC和STATCOM 的无功补偿特性。基于单机一无穷大系统，对于风电场出口分别安装电容器组、SVC和STATCOM时风电场的输出特性进行仿真分析。(3)根据目前风电场的实际情况在PSCAD中添加风电场低电压保护模块，并将该模块川于电网中进行仿真，从理论上分析无功补偿装置提高风电场低电 压穿越能力的机理，并对无功补偿装置在提高风电场低电压穿越能力的同时给 节点电压带来的影响进行了分析；综合多方面因素提出一种对风电场出口进行 无功补偿的策略。(4)对风电场出口发生不同类型的短路故障进行仿真，对风电场出口进行 并联电容器组+SVC联合无功补偿，验证本文所提出无功补偿策略的正确性和 有效性。5(C)1994-2019 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.第2章 风电场模型和风电场特性分析2.1恒速恒频风力发电机组模型恒速恒频风力发电机组主要有变桨距风力发电机组和定桨距风力发电机组 两类，定桨距风力发电机组的叶片按失速效应设计，根据风速的大小可自动对 风电功率进行调节，没有桨距控制系统，变桨距风力发电机组具有桨距控制能 力，能够根据风力发电机组的功率输出和风速的大小，对桨距角进行控制以保 障不同风速下，叶片受到的转矩恒定，进而保持转矩和功率输出的恒定。本章 以变桨距风力发电机组为例对恒速恒频风力发电机组为例进行介绍。变桨距恒速恒频风力发电机组主要结构包括叶片、轮毂、齿轮箱、联轴器、异步发电机、机端补偿电容器组和桨距控制系统等，结构图如图2-1所示。从 图2-1可看出，风速作用在风力机叶片上产生转矩，该转矩驱动轮毂转动，此 时的转速较低，必须通过齿轮箱变速后再与异步发电机转子相联，为了尽可能 地减小风电功率的波动，变桨距风力发电机组还配备有桨距角控制系统，通过 测量风速和比较输出功率来改变叶片的桨距角，实现对风力发电机组输出功率 的调节和控制网。+Ps望即控制东统联轴器异步发电机图2-1恒速恒频风力发电机组模型本文在对风力发电机组进行描述时，主要采用了四部分动态模型，分别为：风力发电机组模型、风功率模型、桨矩控制系统模型和风速模型，下面分别对 这四部分模型进行介绍。(C)1994-2019 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.2.1.1风电机模型风力发电机组中风电机模型采用异步电机，风电机组的滑差是负值、发出 有功功率，为了减小风电机对电网功率的吸收，在异步电机的出口装有电容器2.1.2风速模型风速是风力机的原动力，为了较精确地描述风的随机性和间歇性的特点，本文中采川了国内外使川较多的风力四分量模型，各分量分别为平均风速丫卬、随机风VwN、渐变风VwR和阵风VwG。（1）短期风速一般知道的是平均风速，短期风速只能根据某种算法来模拟。短期风速一 般是根据小时平均风速数值求得风速的功率谱密度函数，再通过对功率谱密度 函数进行积分即可得到短期的风速数据。按照Vaicaitis模型有风速随机分量分布谱密度为：品)=2K/*(2-1)式（2-1）中Sy（例）为风速随机分量分布谱密度（m2/s）；co,为风速频率（rad/s）；K为地表粗糙系数，一般取0.004；F为扰动范围尺度（m）,一般 取600m；丫卬为相对高度的平均风速（m/s）o风速随机分量为：N yVWN=2ZSv3)Ag/2cos(gJ+4)z=l(2-2)7(C)1994-2019 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.式（2-2）中，N为统计风速总数，一般取50；o,=（i-/）A co,A co为频 率间距，一般取0.52.0rad/s；巾，.为02h之间均匀分布的随机变量（rad）。（2）渐变风速0 t T1RWR=ramp（尺%T2RVramp=MaxRl-（t-T2R）/（T1R-T2R）（2-4）式（2-3）和（2-4）中Vm、MaxR、T17?T27?T 分别为渐变风速（m/s）、渐变风最大值（m/s）、渐变风起始时间（s）、渐变风终止时间（s）和渐变风 保持时间（s）。（3）阵风0 t TiGwg=Kos Tig tT1G+TgL=（MqG/2）1 cos2 研/）（兀/）（2-6）式中V.G、Tg、T】g、MaxG分别为阵风风速（m/s）、阵风作用时间（s）、阵风启动时间（s）和阵风最大值（m/s）。（4）总的风速总的风速为上述三种风速和基本风的叠加，即Vw=%+Vwn+Vwh+Vwg（2-7）2.1.3风功率模型风电机组有功功率取决于风速的大小，稳态运行情况下，风速和输出功率 之间的关系可以近似用图2-3所示的曲线表示：图2-3风速和输出功率之间的关系曲线8(C)1994-2019 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.图中，V力和V 分别表示风机的切入风速和切出风速，V，是风电机组 的额定风速，P,是风电机组的额定有功出力，风电机的功率特性曲线一般由风 机制造厂商随风机提供给川户，也可以通过实测得到，在计算中可以川分段函 数表示，如式（2-8）所示：PM=10cut-inPr0(2-8)v v Vv y cut-outV Vcut-in V。不考虑叶片本身的动态特性，叶片上的风速与其输出转矩之间的关系为:心=；空。*3号*106（2-9）式（2-9）中，Mw为叶片输出转矩（pu）；P为空气密度（kg/m3）；Cp为 叶片风能转换效率系数；R为叶片扫风半径（m）；Vw为轮毂高度处的风速（m/s）；入为叶尖速率比；为叶片机械角速度（rad/s）；为叶片额定机械角速度（rad/s）；B.a为系统基准容量（MVA）。将入QR代式（2-9）中，得到输出转矩的表达式为:Mw=.空匕 Qn*10-6 冰22 P QR Bmva 2 pcoBmva其中电磁功率为：乙 a(2-10)(2-11)2.1.4桨距角控制系统模型桨距角控制系统根据风速的大小和输出的机械功率来调节叶片的偏移程度，进而维持叶片的转矩和输出功率恒定不变，模型如图2-4所示:图2-4桨距角控制系统模型9(C)1994-2019 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.不同的控制策略会导致桨距角控制模型有不同的控制规律，当输入信号为 风电场有功功率的测量值时，桨距角用于风速高于额定风速时限制风电机组出 力。当输入信号为风电场转速的参考门槛值时，桨距角用于参与故障情况下的 紧急控制。本文将选择用于风速过高时限制风电机组出力的桨距角控制。2.2 变速恒频风力发电机组模型变速恒频风电机组带有交流励磁系统，是本次仿真系统风电场选川的机组 之一。与恒速恒频异步机相比，双馈电机可以跟踪最大风功率，调节无功输出，运行更加灵活可控，效率也更高，因此，双馈机模型应准确模拟有功功率的跟 踪和无功功率的调节过程，才能正确反映电机动态过程。图2-5所示为双馈异 步风力发电机组的动态模型，主要包括发电机、换流器模块、电气控制模块、涡轮机及其控制模块。本节重点介绍风电机组模型(MX)、励磁模型和风功率模 型。图2-5双馈异步风力发电机组的动态模型2.2.1 风电机组模型(MX)变速恒频风力发电机组模型如图2-6所示，该发电机模型与传统的发电机 模型不同，川代数方程和微分方程表示。该模型中的两个延迟环节代表换流器,图中的X“不是实际发电机的次暂态电抗，而是一个等效的电抗。图2-6变速恒频风力发电机组模型10(C)1994-2019 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.2.2.2 励磁模型双馈异步风力发电机组的励磁模型包含两个部分，第一个部分为风电机组 WPMS（风电功率监测系统）模型。该部分是整个风电场的无功检测控制模块 的简单模拟，输入信号为某节点电压（经过线路压降补偿），为测量环节时 间常数，与参考电压的差值经过PI环节和一个延迟环节TV。模型如图2-7所 示：Q min图2-7风电机组WPMS（风电功率监测系统）模型第二个部分为电气控制部分，该部分是对励磁/换流器系统进行的简单模拟，监测发电机的无功功率Qge”和端电压V-,计算风电机组电压EiJ当 vltflg=O时，只通过WMPS系统和开环控制系统控制发电机的无功，当vltflg=l 时，该模型同时能够进行闭环控制。模型如图2-8所示：图2-8电气控制模型2.2.3 风功率模型（TG）机械功率与风速的关系式为:P=ArVCp0)(2-12)其中的P是机械功率，夕是空气密度（kg/m3）,是转子叶片的扫风面积（n?）,丫卬是风速（m/s）,O转换效率系数，是2和的函数，2是转子叶片速11(C)1994-2019 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.度和风速的比例，9是叶片的倾斜角，叶片转速和涡轮转速是一个固定的比例 关系KJ因此2的计算公式为入=转换效率系数CP是一组曲线，近似的计算公式为:4 4Cp=ZZ%才i=0 j=0(2-13)其中，ai是一组常数，当2入G为短路模块，可以视为风电场内部故障。12(C)1994-2019 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.图2-10PSCAD中建立的异步风电机组模型图2-11所示为风速、涡轮机和桨距角控制模型，其中Wind Source为风速 模型，风速模型中模拟了平均风速、随机风、渐变风和阵风，总的风速模型为 这四种风速模型的叠加，在仿真过程中可以根据需要选择随机风、渐变风和阵 风中的一种或几种与平均风速叠加作为风速的输出。Wind Turbine Governor MOD 2 Type为桨距角控制模型，PSCAD中的桨距角控制系统模型根据风电场 的有功输出对桨距角进行调节，以保证在不同的风速下风电场的输出有功为恒 定值。Wind Turbine MOD 2 Type为涡轮机模型，涡轮机根据输入的风速和桨图2-12所示PSCAD中建立的双馈风电机模型，模型选用绕线转子异步电 机，风电场出口电压为0.69kV,经过箱变升压到10.5kV,即为风电场并网点电 压，图中A连接至电网。13(C)1994-2019 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.2.4 风电场特性仿真分析风速的波动，系统故障将会影响风电场发出的有功功率和吸收的无功功率,降低风电场出口电压的稳定性，风电装机容量较大时甚至影响到系统稳定。本 节在风速变化和故障的情况下对风电场输出特性进行仿真分析，为了能更准确 的研究风电机组本身的输出特性，本节对一台2.5MW的风电机组与无穷大电 网连接的情况进行仿真，风机出口电压0.69kV,经箱变升压至10.5kV,最后经 输电线接入HOkV电网。241恒速恒频风电场特性分析2.4.1.1风速变化时风电场特性分析 1413必12 E 用11 区 1090 2 4 6 8 10时间(s)图2-13风电场风速变化曲线14(C)1994-2019 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.选取包含平均风、阵风和渐变风叠加的风速模型作为风电场的风速输入。平均风速为10m/s,阵风风速lm/s,作川时间0-6s,阵风周期2s。在4s时加入 渐变风，最大值3m/s保持3s,仿真时间为lOso风速的变化曲线如图2-13所O一八(Mw)S建与亚内出区53525150 3 2 LO.0 2 4 6 8 10时间(s)图2-14风电场发出的有功功率风电场有功功率输出曲线如图2-14所示，从图中可以看出，风电场的有功 功率随着风电场风速的变化而变化，相对风速变化有一定的延迟性。对应1s 和3s出现的阵风最大值，风电场发出的有功功率峰值为1.158s和3.156so在 7s渐变风急国J下降时，风电场有功较平滑的下降并在随后的平均风速下保持恒 定。杼尺总与修W出区0-5-10-15-200 2 4 6 8 10时间(s)图2-15风电场吸收的无功功率图2-15所示是风电场在风速变化时吸收无功功率变化曲线，从图中可以看 出吸收的无功功率为负值，表明风电机组向电网吸收无功。对比图2-14和图 2-15可以看出，风电场吸收的无功功率与发出的有功功率变化趋势基本一致，15(C)l 994-2019 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.发出的有功功率愈多，吸收的无功功率则愈多。(nd)0.8 010.950.90.854 6时间(s)8 10图2-16风电场电压变化曲线图2-16是风速变化时风电场的电压波动情况。对比图2-15和2-16可以出 风电场吸收的无功对风电场出口节点电压的影响。风电场正常运行情况下，电 压波动与风电场吸收的无功功率有关，风电场吸收的无功功率越多，风电场节 点电压越低。在风速为平均风、阵风和渐变风叠加的模型时，随着风电场功率 的变化电压的波动比较大。2.4.1.2故障情况下风电场特性分析采用上节中风电场风速模型，在风电场并网处设置三相短路故障，故障发 生时刻为5s,持续时间0.25s。4(Mz)3210-10 2 4 6 8 10时间(s)图2-17风电场发出的有功功率图2-17所示为故障前后风电场发出的有功功率变化曲线，从图中可以看出 在风速保持不变的情况下，风电场有功功率迅速达到稳定状态，故障发生瞬间 风电场有功功率急速下降为0MW,并在故障瞬间吸收少量有功功率。故障切16(C)1994-2019 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.除后，有功功率恢复正常随着风速的波动而变化。7s后风速固定在恒定值，风 电场有功功率也随之达到恒定值保持不变。10.80.60.40.2(nd)田出usw出区0 0 2 4 6时间(s)8 10图2-18风电场电压变化曲线图2-18所示是故障前后风电场的电压变化情况。正常运行时，风电场出口 节点电压保持在0.969pu。故障期间，电压瞬时下降至0,由于风电场与电网连 接时没有设置低电压保护模块，风电场并未脱网，故障切除后风电场出口节点 电压经过短时间的波动，最终恒定在平均额定值附近。-500-10-204 6时间(s)8 10图2-19风电场吸收的无功功率图2-19所示为风电场故障前后所需的无功功率变化曲线。由图可知，风电 场启动及运行过程中需要向电网吸收无功功率。发生故障时，风电场发出的有 功功率急国J减少，使得风电场所需要的无功也随之减少。故障清除后，风电场 在恢复正常运行的暂态过程中需要吸收更多的无功功率来支撑电压，如图中 5.1s出现的低谷所示。风电场恢复正常运行后，风电场向电网吸收的无功恢复 恒定。17(C)1994-2019 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.0 6 4 2.U.OQ.O I 1 1.1(nd)煦+片区0 2 4 6 8 10时间(s)图2-20风电机组转子转速图2-20所示为故障前后风电机组的转子转速变化情况。由图可见，风速的 波动使得转子转速出现波动，5s发生的三相短路故障，使得转子转速迅速增大。风速的波动使电压存在波动，电磁转矩发生变化，导致风机转子转速随之变化,产