摘要： 隨著風電裝機規(guī)模的不斷擴大， 大規(guī)模風電場接入地區(qū)電網(wǎng)后， 對當?shù)仉娋W(wǎng)的電壓造成影響， 研究風電接入地區(qū)電網(wǎng)電壓問題顯得十分重要。以新疆哈密地區(qū)風電接入當?shù)仉娋W(wǎng)為例， 統(tǒng)計了并網(wǎng)地區(qū)典型運行方式下的母線電壓水平。建立風電場機組仿真模型， 考慮尾流效應影響下的風速， 通過實時數(shù)據(jù)進行潮流計算， 分析與風電場有關的關鍵節(jié)點電壓問題。針對當?shù)仉娋W(wǎng)的運行方式， 提出了改善并網(wǎng)地區(qū)電壓質量的措施， 對投切電抗器和SVC 2 種無功補償方案進行計算并仿真了方案的可行性。在國內風機脫網(wǎng)的背景下， 分析了投切電抗器可能對同一并網(wǎng)點的風電場群產(chǎn)生影響。

0 引言

風電出力的隨機性和波動性以及在電網(wǎng)中風電比例的增高， 使風電對接入地區(qū)電網(wǎng)的影響將逐漸擴大， 大容量風電同時并網(wǎng)會造成接入變電站母線電壓質量急劇下降[1-2]。風速超過風機切出風速時，大量風電機組的切機使風電場有功出力瞬間下降，易造成系統(tǒng)有功不足，導致頻率波動。目前，風電機組大多不能進行持續(xù)有效的有功、無功調節(jié)，對電網(wǎng)電壓影響較大;同時大量的風電功率注入電網(wǎng)后，改變了電網(wǎng)潮流分布，對當?shù)仉娋W(wǎng)的運行調度、無功補償容量的配置以及電壓穩(wěn)定性產(chǎn)生明顯的影響[3-4]，因此， 對含風電的系統(tǒng)在風機不同出力水平下的潮流計算具有重要意義。本文以接入新疆哈密地區(qū)電網(wǎng)末端的某風電場為例， 利用電力系統(tǒng)分析綜合程序對風電接入地區(qū)進行了潮流計算， 仿真研究了風電并網(wǎng)對接入地區(qū)電壓影響， 提出了改善并網(wǎng)點電壓質量的措施。

1 風電接入地區(qū)電網(wǎng)電壓分析

風電大規(guī)模的并網(wǎng)對接入點電壓造成顯著影響，主要表現(xiàn)在受風電場有功出力影響明顯，風電并網(wǎng)點母線電壓波動大，風機在故障期間不能為電網(wǎng)提供有效的無功功率支撐，電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性降低[5]。

研究的馬蓮泉風電場容量為99 MW，以單回線接入地區(qū)電網(wǎng)末端， 裝機容量占日最大高峰負荷的20%左右。風電場出力通過101.86 km、110 kV 聯(lián)絡線并入當?shù)匕屠锢ぷ冸娬尽０屠锢ぷ冸娬窘尤?20 kV山北變電站。該地區(qū)電網(wǎng)接線圖如圖1 所示。運行數(shù)據(jù)顯示巴里坤地區(qū)電壓普遍偏高， 其母線最高電壓水平統(tǒng)計如表1 所示。

風電場位于電網(wǎng)的末端，遠離負荷中心，電網(wǎng)結構薄弱，基本為單放射狀，線路供電距離普遍較長，線路充電功率較大， 計算結果表明風電場至巴里坤變電站和黑眼泉變電站至巴里坤變電站線路容性無功功率達9.5 Mvar， 巴里坤變電站至馬場變電站線路容性無功功率達6.0 Mvar， 山北變電站至哈密變電站線路容性無功功率達22.0 Mvar;巴里坤變電站三相短路容量為615.7 MVA。運行數(shù)據(jù)顯示巴里坤變電站母線電壓在風電場有功出力小于58.0 MW時，風電接入地區(qū)電壓隨風電場出力的增加而升高，這主要是由于風電場并入電網(wǎng)后改變了該地區(qū)的潮流分布， 減小了馬場變電站至山北變電站及巴里坤變電站線路、哈密變電站至山北變電站線路的潮流。當風電場有功出力超過一定值時， 風電場所在地區(qū)由受端變成送端， 線路消耗的無功功率大于線路的充電功率，巴里坤變電站母線電壓有所降低。由此可知風電場有功出力的變化影響風電場接入地區(qū)無功分布和電壓水平， 風電場有功出力的隨機性導致了接入地區(qū)電壓的隨機波動[6]。在研究改善風電接入地區(qū)電網(wǎng)電壓時， 應充分考慮風電的運行特點及其對接入地區(qū)電壓的影響。

2 改善風電接入地區(qū)電網(wǎng)電壓質量的措施

該地區(qū)接入風電后，受其特性影響，電壓質量下降，因此迫切需要改善并網(wǎng)點地區(qū)電壓質量。

靜止無功補償器(SVC)是一種新型的快速、平滑動態(tài)無功補償裝置，由可控的電抗器和電容器組成，通過調節(jié)電容器或電抗器實現(xiàn)從容性到感性范圍平滑調節(jié)， 較之分組投切電容器或電抗器具有明顯優(yōu)勢。本文按照電網(wǎng)無功功率就地平衡原則，分別就投入電抗器、SVC 這2 種方式進行比較分析。

3 算例分析

3.1 仿真模型的建立

(1)風速和機組等效。風電場由數(shù)量眾多的不同類型的機組構成，因此，必須對風電場風速和機組進行合理等效，以盡可能反映風電場實際模型。考慮風力發(fā)電機尾流效應[7]，并按照風電場機組出線方式進行分組風速等效。以風電場1 條匯流線路上6 臺風機為例，假定風機正風向第1 臺風機(G1)的風速(v1)為額定風速(13 m/s)，參照文獻[7]，則風機背風向G2~G6的風速(v2~v6)如表2 所示。

風電場處在同一均勻風帶上， 將此條匯流線上等效機(Geq)的風速(veq)為該等值機的額定風速;考慮不同風力發(fā)電機組類型的特性，采用文獻[8]風電機組等值方法， 將相同類型機組和集電線上的同等數(shù)量機組等值成1 臺風機， 則馬蓮泉風電場風機的16 回出線(共99 臺機)等值為4 臺風機(Geq1~Geq4)，等值容量分別為49.5 MW、27.0 MW、10.5 MW 和12.0 MW，Geq1~Geq4的等值額定風速(veq1~ veq4)分別為11.52 m/s、10.85 m/s、10.56 m/s 和10.19 m/s。風電場簡化等值示意如圖2 所示。

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(2)風力發(fā)電機母線節(jié)點處理。異步風力發(fā)電機在并網(wǎng)中向系統(tǒng)發(fā)出有功的同時還吸收無功來建立磁場，吸收無功的大小與有功功率(Pe)、機端電壓(U)、轉差(s)有關。目前，異步機的母線節(jié)點處理主要有PQ 模型、RX 模型、PZ 模型等。變速恒頻雙饋異步風力發(fā)電機由于實現(xiàn)了恒功率因數(shù)下的有功無功解耦控制，在實際運行中有功和無功是可控的。結合該風電場實際的無功曲線與功率因數(shù)曲線， 將風力發(fā)電機母線節(jié)點統(tǒng)一處理成PQ 模型。

3.2 不同電壓改進方案效果的仿

真(1)在巴里坤變電站投入電抗器。選取哈密地區(qū)電網(wǎng)4 種運行方式為例， 對巴里坤變電站母線投入電抗器，電抗器每組容量為4 Mvar，利用SCADA 實時數(shù)據(jù)，計算其母線電壓變化，如表3 所示。

由表3 看出，在巴里坤變電站投入電抗器后，各母線電壓質量可得到改善;風機有功出力不同，電抗器投入容量也不同。由于風電場出力的多變性，電抗器投入與退出容量難于及時準確確定， 在極端情況下，如果該風電場內線路出現(xiàn)故障，場內機組大面積脫網(wǎng)，風電場內補償裝置不能在第一時間退出，相當于在聯(lián)絡線末端并聯(lián)無功補償裝置， 巴里坤變電站電抗器組若不能及時調整，該地區(qū)將會嚴重過壓;如果還存在另外風電場在巴里坤變電站并網(wǎng)， 那么另外風電場機組過壓保護動作切除該風電場內機組，將連鎖造成大范圍的機組脫網(wǎng)。電抗器的投退具有階梯性，在實際中存在過量或欠補情況，僅靠電抗器難以達到理想結果。

(2)在巴里坤變電站母線加入SVC。SVC 具有在容性和感性范圍內動態(tài)調節(jié)電壓能力， 本文在風電場并網(wǎng)點巴里坤變電站母線投入SVC[9-10]，仿真在冬季最小、夏季最小、夏季最大方式機組50%出力下其投入SVC 后母線電壓變化曲線如圖3 所示。可以看出，SVC 投入后母線電壓得到改善。SVC 動態(tài)調整性較好， 在風電場并網(wǎng)處電壓波動較大的母線上投入SVC， 比固定電抗器投切具有明顯的優(yōu)勢， 對改善風電并網(wǎng)處的母線電壓質量具有更加顯著的效果。

3 結語

(1)大規(guī)模的風電場并網(wǎng)將改變接入地區(qū)潮流分布， 對當?shù)仉娋W(wǎng)的電壓和電抗器投入容量都產(chǎn)生影響，在風電場不同的有功出力水平下，投入電抗器容量有所不同，通過投入電抗器，經(jīng)計算能將節(jié)點電壓控制在合理的水平，分析得出在風電場運行時，應考慮風電場的有功出力水平進行動態(tài)無功補償。

(2)當風電接入點處投入SVC 時，接入點母線電壓得到改善。通過仿真曲線表明投入SVC 后，比傳統(tǒng)固定電容器和電抗器的投切具有明顯的優(yōu)越性。

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