大型风力发电场并网对系统电压的影响分析(1112).doc

大型风力发电场并网对系统电压的影响分析
侯佑华 杨涛 齐军
(天津大学；内蒙古电力公司调通中心)
Researching On the Effect Of the Grid-connected Large-scale Wind Farm To the System Voltage
ABSTRACT:
This paper studied the effect of the grid-connected large-scale wind farm to the system voltage. Through comparison and simulation, the paper analyzed the influence of some typical wind generators and the large-scale wind farm composed by these wind generators on the system voltage and the system reactive power flow; Revealed the different change features between the reactive power of the constant speed constant frequency generator (CSCF) and the variable speed constant frequency generator (CSCF) inputting random wind. The simulation and the calculation by Bpa and psat to a simple wind power system and a grid-connected large-scale wind power system, demonstrated that the grid-connected large-scale wind farm will bring random disturbance to the system voltage and the reactive power of the thermal power machine related to; and these disturbances caused by the CSCF wind farm and the CSCF wind farm are different characteristics. The result of this paper is the base of the future research on the strategies about the reactive power and voltage control to the large-scale wind farm, and also can give advices to the planning and running of the grid-connected large-scale wind farm.
KEY WORDS：wind power; random wind field; constant speed constant frequency; variable speed constant frequency; reactive power and voltage control
摘要：
本文研究了大型风电场并网对电网电压的影响。通过仿真比较，分析了不同风力发电机以及由不同风机构成的大型风电场，对系统电压及无功潮流的影响;揭示了恒速恒频、变速恒频风机在输入随机风后，无功功率波动的不同性质。采用psat、Bpa仿真软件，分别对简单风电系统以及大型并网风电场进行仿真计算，结果表明大型风电场并网后，随着风速的随机变化，将对系统电压、相邻火电机组无功功率构成随机扰动；分别由恒速恒频和变速恒频风机构成的不同风电场，其对系统电压影响的随机程度不同。文章所得结论是进一步研究风电场无功电压控制策略的基础，能够为大型风力发电场的规划建设、并网运行管理提供依据。
关键词：风力发电；随机风场；恒速恒频；变速恒频；无功电压控制
0 引言
风力发电作为一种清洁发电技术，近年来得到了快速发展。截止2008年底，全国并网风电容量已超过12000MW，位居世界第四位[1] 。据国家发改委新能源规划，预计到2020年，全国并网风电容量将达1－1.5亿千瓦，其中规划了七个千万级风电基地[2]。我国风电主要采用集中接入模式，与欧洲的分散接入模式有很大的不同，必将面临很多新问题。
由于自然风存在随机性，风力发电会对电网形成有功、无功功率的随机扰动。其中无功功率的波动，直接影响系统运行电压。单台风机无功波动相对系统容量较小，但随着风电场规模的日益增大，大型风电场无功波动对系统电压将构成较大影响。因此研究风电机组及风电场在随机风场扰动下，无功功率波动性质，显得尤为必要。
典型风力发电机包括：恒速恒频风机和变速恒频风机。其中恒速恒频机为异步感应发电机。伴随随机风速的变化，发电机转子转速及转差率都将变化，进而导致发电机与电网之间无功功率交换的随机波动。变速恒频风机采用双馈感应发电机通过控制回路将定子电流引入转子作为励磁电流。控制回路调节励磁电流频率，在不同风速下，可以保持旋转磁场转速、转差率不变[3]。因此其无功功率的波动的随机性较小。大型风电场由多台风机构成，采用集中接入模式，在风速随机变化的情况下，并网风电场将影响系统运行电压。针对以上问题进行分析研究，是大型风电场运行管理的基础。
本文以两种典型风力发电机模型为基础，结合随机风模型，分析典型风力发电机无功功率的变化性质，研究大型风电场无功功率波动对系统电压的影响。通过仿真计算，得到典型风力发电机并网点电压波动曲线，进而比较不同风力发电机无功功率变化的随机性。对IEEE 3机9节点系统的仿真结果表明，不同风力发电机并网后，对系统电压将产生不同的影响，恒速恒频风机无功功率波动随机性较大，而变速恒频风机无功功率波动随机性相对较小。仿真研究表明，并网大型风电场将对系统电压构成较大影响。不同风电机组构成的风电场，将对系统电压构成不同程度、不同性质的扰动。由恒速恒频风机构成的风电场，其无功功率变化随机性较大，对电网电压影响较重。而变速恒频风机构成的风电场，其无功功率变化随机性相对较小，对电网电压影响也较小。但大型风电场集中并网，仍将对系统电压产生较大影响，降低电网的稳定水平。因此我们应对此问题给予足够地关注。
1 典型风力发电机静态模型
风力发电系统静态模型由三部分组成：随机风模型、风机模型及发电机模型。典型风机主要包括：恒速恒频风机、变速恒频风机。
1.1随机风模型
常用随机风模型有韦伯分布模型和四参数混合模型[4]，其中四参数混合模型准确度较高，应用最为广泛。
四参数混合模型： (1-1)
基本风：
为常值 (1-1-1)
阵风： (1-1-2)
其中，—阵风峰值；—阵风周期；—阵风开始时间；
渐变风：(1-1-3)
其中，—渐变风最大值；—渐变风开始时间；—渐变风结束时间；—渐变风保持时间；
随机风： (1-1-4)
；
；
其中，—第i个分量的角频率；—随机分量的离散间距；—0~之间服从均匀分布的随机变量；—平面扩张系数；—紊乱尺度因子；—参考高度的平均风速；—第i个随机分量的振幅。
图1为四参数组合随机风曲线。

图1 四参数随机风速曲线
表1 随机风参数

峰值(m/s)
开始时间(s)
结束时间(s)
基本风
2
0
20
阵风
15
5
15
渐变风
15
5
15
随机风
---
0
20
1.2 恒速恒频风机模型

图2恒速恒频风机原理图
图2所示为恒速恒频风机原理图。异步感应发电机直接与电网相连。当风速范围满足感应电机工作要求时，发电机才与电网并列发电。风速过快或过慢都不能满足异步感应电机工作要求[4]。以下是风机模型。
风机模型为：
(1-2)
其中，—空气密度；—功率系数；—叶尖速比；—叶片面积。

其中，—叶尖速比；—齿轮传动比；—桨叶半径；—电机极对数；
；；
1.3 变速恒频风机模型

图 3变速恒频风机原理图
图3所示为变速恒频风机原理。与恒速恒频风机不同，变速恒频风机定子直接与电网相连，转子通过变频器与电网相连。通过改变转子励磁电流频率，可以在风速改变的情况下，保持转子磁场转速不变[4]。以下是风机模型。
风机模型为：
(1-3)
其中， ；
为桨叶倾斜角。

11

1.4 异步感应发电机模型

图4 异步发电机等效电路图
图4为异步发电机等效电路图，异步发电机简化功率方程:

(1-3)
(1-4)
(1-5)
其中，、分别为有功、无功功率； 为滑差；为励磁等效电抗；、为定、转子等效电抗；
2 典型风电机组无功波动的随机特性
依据随机风模型及各风力发电机静态模型，可以得到典型风机在随机风场中，有功功率、无功功率方程，通过仿真计算，可得各风机无功功率曲线[5、6]。
2.1 恒速恒频发电机无功功率特性
将式1-1带入1-2中，得到恒速恒频风机有功功率方程，再将有功功率方程分别带入1-4，1-5中，得到恒速恒频风机无功功率方程。
假设风电系统无功补偿装置足够，维持接入点母线电压恒定，图5所示为输入随机风情况下，恒速恒频风机无功功率曲线。

图5 恒速恒频风机无功出力
表2 单台风电机组电气参数
额定容量/kW 600
额定电压/kV 0.69
定子电抗X1 0.09985
转子电抗X2 0.10906
转子电阻r2 0.00373
励磁电抗Xm 3.54708
额定转差 SN -0.004
功率因数 0.89
在随机风扰动下，恒速恒频风机无功出力变化呈现随机性。风速越大，其无功出力越小；风速的随机变化将导致风电机组无功出力的随机变化。
2.2 变速恒频风机无功功率特性
与前述方法相同，将式1-1带入1-3中，再带入感应发电机功率方程，得到双馈感应发电机无功功率方程。
图6所示为输入随机风后，双馈风机无功功率曲线。

图6变速恒频风机无功出力
比较两种不同风电机组，在随机风情况下，变速恒频风机无功出力亦呈现随机性。与恒速恒频风机不同，变速恒频风机无功功率变化的随机性较小，在风速变化相同的情况下，变速恒频风机无功功率波动较小。
3 典型风力发电机并网后对系统电压的影响
由于风力发电机无功功率的随机性，并网后将造成并网点电压水平的随机变化。图9分别为在IEEE3机9节点系统母线2接入两种不同类型风力发电机的情况下[7、8]，仿真分析接入点母线电压变化。

图9 风电场接入IEEE3机9节点系统

图10 不同风电场并网点母线电压曲线
从仿真结果可见，风电机组并网后，将对系统并网点电压构成随机扰动。恒速恒频风机对系统母线电压的影响随机性较大，而变速恒频风机对系统母线电压影响随机性相对较小。这一结论与风电机组无功功率变化的随机性一致。
4 大型风力发电场并网对电网电压的影响
单台风机容量有限，其无功功率波动对系统电压的影响也较小，但随着大型风电场的建立，风机集中并网，将对系统电压造成较大的影响。
作为国家级风电发展基地，内蒙古电网风电发展迅速。现有并网风电容量超过3000MW，最大发电负荷2100MW，超过电网当日发电负荷15%。且风电场呈现大容量、集中并网的特点。本文选择内蒙古电网并网运行风电基地作为研究对象，选用实际运行数据进行仿真计算，分析大型风电场并网对系统运行电压的影响[9、10]。
图11为内蒙古电网巴彦淖尔地区风电基地简图。三个并网大型风电场装机信息如表3。
分别设定三个风电场风机类型为恒速恒频和变速恒频风机，在不同随机风风速情况下，比较内蒙古电网巴彦淖尔地区500kV德岭山变以及220kV文更变母线电压，同时计算该地区火电机组的无功功率。研究大型风电场对电网电压及无功潮流的影响。
鲁能
川井
漳泽
川井
龙源
川井
文更
获各琦
布拉格
厂汉
临河
前锋
国电
风电
德岭山
隆兴昌
临河
热电

图 11 巴彦淖尔风电基地简图
表 3 风电场装机信息

漳泽川井
鲁能川井
龙源川井
装机容量
197.4MW
100MW
100MW
单机容量
0.85MW
0.75MW
0.75MW

a、恒速恒频风机 b、变速恒频风机
只有随机扰动情况下

a、恒速恒频风机 b、变速恒频风机
阵风风速 2M

a、恒速恒频风机 b、变速恒频风机
阵风风速 3M
图12 文更变、德岭山变母线电压
表4枢纽变电站母线电压波动(文更变)

随机风
2M
3M
最大值
恒速恒频
222.55kV
223.19 kV
233.2 kV
变速恒频
222.60 kV
222.60 kV
222.60 kV
最小值
恒速恒频
223.3 kV
212.08 kV
154 kV
变速恒频
222.60 kV
222.46 kV
222.60 kV
变化
范围
恒速恒频
0.37 kV
11.1 kV
79.2 kV
变速恒频
0 kV
0.13 kV
0.22 kV

表5枢纽变电站母线电压波动(德岭山变)

随机风
2M
3M
最大值
恒速恒频
508 kV
505.6 kV
520 kV
变速恒频
505.85 kV
498.5 kV
505.85 kV
最小值
恒速恒频
505.5 kV
505.95
480
变速恒频
505.8 kV
505 kV
505.4 kV
变化
范围
恒速恒频
2.15 kV
6.5 kV
40 kV
变速恒频
0.3 kV
0.35 kV
0.45 kV

阵风风速 2M

阵风风速3M
a、恒速恒频风机 b、变速恒频风机
图13 临河热电1#机组无功出力变化
分析以上仿真结果：1、在输入风速随机变化情况下，分别由恒速恒频风机、变速恒频风机构成的风电场，将对系统运行电压构成影响，且这一影响具有随机性。2、随着阵风风速加强，风电场无功波动对系统电压的影响逐渐加强，严重情况下将威胁系统稳定运行。3、由恒速恒频风机构成的风电场，随着风速变化，其无功波动较大，将对系统电压造成较严重影响。在仿真算例中出现了系统电压低，无法运行的情况(220kV电压低至154kV，500kV电压低至480kV)。而变速恒频风机构成的风电场，随着风速的变化，其无功功率波动相对较小，对系统电压影响亦较小。仿真算例中未发现由于风电场无功变化造成的系统电压过低现象。
5 大规模风电入网后系统电压变化分析
作为全国风电入网最大的省级电网，内蒙古电网并网风电对系统电压影响较大。根据内
蒙古电力调通中心统计的数据，大量风电采用220kV电压等级并网，除应考虑风机的无功特性以外，还要考虑线路的充电功率对系统电压的影响，具体统计情况见下表：
表6内蒙古电网风电场并网点电压(2009年1-6月)
地区
变电站
最高电压/kV
最低电压/kV
差值/kV
巴彦淖尔
文更
240.7
227.7
13.0
获各琦
237.4
222.4
15.0
德岭
235.6
223.9
11.7
包头
红塔
235.3
215.7
19.6
望海
236.8
216.1
20.7
乌兰察布
高顺
230.8
217.5
13.3
德胜
231.5
215.2
16.3
兴广
236.9
222.0
14.9
汗海
235.1
223.8
11.3
锡林郭勒
灰腾梁
244.2
218.0
26.2
表中，电网电压变化最大的是距离电网负荷中心较远的锡林郭勒地区的灰腾梁和包头地区望海220kV变电站，由于现在并网的风电机组无功调节能力较差或采用定功率因数运行方式，当风电小出力运行期间，风电场接入系统的220kV线路轻载运行，充电功率较大导致系统电压偏高；风电大出力运行期间，无功损耗增加导致风电场和风电场接入点220kV电压又有较大幅度下降。说明大量风电并网导致风电并网点电压差进一步加大。
现内蒙古电力调通中心已要求风电场应配置满足各种运行方式需要的无功补偿装置，包括容性补偿和感性补偿，动态无功补偿的比例一般不低于补偿容量的50%；风电场容性补偿容量应不低于装机容量的25%，安装恒频恒速异步风电机组的风电场，容性补偿容量一般不低于装机容量的50%；此外，国内风机制造企业也开始推出可以动态调节无功的风电机组，减少大规模风电入网对系统电压的影响。
6 结论
本文选择大型并网风电场对系统电压的影响作为研究对象。采用仿真对比方法，比较分析了恒速恒频风机、变速恒频风机，在风速随机变化情况下，无功功率变化的随机性。在此基础上，选择实际运行的大型并网风电场作为仿真对象，研究并网风电场对系统运行电压的影响。仿真结果表明，由恒速恒频风机构成的风电场，其无功功率波动较大，对系统电压构成较严重影响。而变速恒频风机构成的风电场，随风速变化，其无功功率变化不大，对系统电压影响亦较轻。大规模风电入网后，应配置足够容量的无功补偿装置（包括一定比例的动态无功补偿装置），对缓解系统电压波动，为下一步系统优化运行打好基础。
参考文献

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