风电场接入电网末端后系统稳定性分析

李晓龙

(华北电力大学，河北 保定 071003)

风力发电是一种清洁的可再生能源，可以改善能源结构,提高能源安全,积极应对气候变化，为经济和社会发展带来显著的效益。受自然条件的限制，风电场一般建设在人迹罕至的边远地区，远离负荷中心，属于电网的末端。由于电网末端与主网架之间电气联系薄弱，系统稳定性较差，尤其是在有间歇式能源接入的情况下，如何维持系统的稳定性是亟需分析和解决的问题。

1 蔚县风电场运行方式

河北省南部电网(简称“河北南网”)蔚县风电场一期工程建设容量为49.5 MW，现有风机33台，单台风机容量为1 500 kW，接入系统方式为单回线接至白石山110 kV侧母线。风电场并网地区局部电网结构示意见图1。

图1 风电场并网地区局部电网结构示意

以下利用PSASP暂态分析软件，对蔚县风电场接入河北南网后系统的稳定性进行详细的建模和仿真计算。

2 风电场最大接入容量分析

风电接入容量按照风电场短路容量(电流)比计算。风电场短路容量比定义为风电场额定容量Swind与该风电场和电力系统的连接点(Point of Common Connection，PCC)的短路容量Ssc之比，即k=Swind/Ssc×100%。短路容量表示网络结构的强弱，短路容量大说明该节点与系统电源点的电气距离小、联系紧密。风电场接入点的短路容量反映了该节点的电压对风电注入功率变化的敏感程度。风电场短路容量比按国际上通行的最大取值10%计算，可得110 kV电网的风电场最大接入容量为144 MW(96台1 500 kW的风机)，也就是说，蔚县风电场还可扩建63台同型号风机。由于110 kV线路输送功率有限，LGJ-120输电线路的极限输送功率为72.3 MW，因此，当蔚县风电场扩建后，需要再增加2条110 kV输电线路，输电线路的型号可选为LGJ-150。

3 风电场稳态分析

将蔚县风电场装机容量从0 MW增加至144 MW(风电场最大接入容量)，以考查风电场不同出力水平下的系统电压和静态稳定情况。当风电机组的功率因数在0.95(滞后) ～0.98(超前)之间变化时，风电场出力与相关母线和接入系统母线电压的关系曲线，见图2。

(a) 风电场出口侧380 V母线电压

(b) 风电场出口侧35 kV母线电压

(c) 风电场出口侧110 kV母线电压

通过计算可知，在正常方式下现有风电场容量为49.5 MW(0.495 p.u.)时，风电场具备无功调节能力，则通过风电机组自身无功调整可维持各相关母线电压在合理范围内，若风电场运行于恒功率因数1.0控制状况下，各相关母线电压也基本在可接受范围内。

4 风电场暂态分析

风电场的动态特性影响接入系统的电压、频率和暂态稳定性，因此需要通过仿真方法检验系统在某些扰动下是否会失去安全性和稳定性。在发生故障的情况下，电网和风电场是否能够维持自身的稳定性是电网稳定运行的关键。在风电场出力为49.5 MW，cosφ=1时，设置110 kV出线距白石山5%处三相短路，故障切除时间0.12 s，邻近母线电压、发电机频率曲线见图3、图4。

图3 0.12 s切除故障后各母线电压曲线

图4 系统运行频率曲线

风电场出口三相短路时，系统附近保定热电厂-国华定洲发电有限责任公司(简称“保热-定电”)机组的相对功角如图5所示。

图5 三相短路时保热-定电机组相对功角

从大量仿真结果可以看出，在风电场现有规模下，系统可保持同步稳定运行，电网电压、频率和功角均可维持稳定，并具有足够长的故障切除时间，系统稳定性并没有因为风电场容量的增加而变差。但是，当35 kV母线附近发生接地故障时，故障恢复后35 kV母线电压明显升高。因此，应实时监测35 kV侧母线电压并增设过电压联切装置，在35 kV母线运行电压接近极限值时，切除风电场部分风机。

5 风机低电压穿越测试

风力发电机低电压穿越 (Low Voltage Ride Through,LVRT) 能力是指在端电压降低到一定值的情况下不脱离电网而继续维持运行，甚至还可以为系统提供一定支持，以帮助系统恢复电压的能力。

在蔚县风电场目前装机容量为49.5 MW的情况下，对该风电场进行低电压穿越仿真分析，设风电场风速为12 m/s，2 s时在风电场110 kV送出线路首端发生三相短路接地短路故障，故障持续0.7 s切除，持续0.1 s风机与系统解列。仿真结果证明，系统即使在风机低电压穿越时间整定为0.1 s时也能保持稳定。风机低电压穿越时，保热-定电机组的相对功角如图6所示。

图6 保热-定电机组相对功角

6 结束语

通过蔚县风电场接入电网后对电网的影响研究，证明该风电场在现有规模49.5 MW时，接入电网后对电网电压及暂态影响不大，能够维持电网的稳定运行。在低电压仿真分析中，因为系统具有较大的无功储备，因此并不需要风电场在系统发生故障后对系统提供无功支持，可以实现风电场的快速解列。该风电场在终期规模下，35 kV母线故障恢复后电压较高，因此，必须采取必要的保护措施，如增设过电压联切装置，切除风电场部分风机，以此维持风电场及电网的稳定运行。

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