风电集中接入对电网影响分析①

刘 岱， 庞松岭

(1.海口供电公司， 海口 570203； 2.海南电力试验研究所， 海口 570203)

风电集中接入对电网影响分析①

刘 岱1， 庞松岭2

(1.海口供电公司， 海口 570203； 2.海南电力试验研究所， 海口 570203)

以某地区电网风电集中接入的实际工程为例，主要分析风电接入对系统稳定性影响问题并提出相应的解决措施。文中研究了风电场整体与电网的相互作用，采用一台容量与风电场容量相等的等值风电机组模型进行仿真计算，风机模型采用异步电机模型。通过仿真结果分析指出了风电场接入容量与电力系统电压稳定性及功角暂态稳定性的关系，以及提高地区电网电压稳定性及增加风电接入容量时应考虑的措施，如增加静止无功补偿器。

风电场； 电压稳定； 暂态稳定； 电力系统； 静止无功补偿器

随着我国政府对开发利用可再生能源的高度重视及《可再生能源法》的颁布实施，包括风力发电、生物质能发电、太阳能光伏发电在内的可再生能源发电在近几年内得到了较快的发展。其中，风力发电作为技术最成熟、最具规模化开发和商业化发展的新能源发电方式之一，其发展速度居于各种可再生能源之首。

截至2006年底，全国风电场累计装机已达到2589 MW，而根据国家发改委风电发展的规划，我国2010年风电规划装机容量将达到5000 MW，2020年风电总装机将实现30 GW的目标。为了使风电场建设工程实现统筹规划、有序开发、分步实施、持续发展的目标，国家发改委组织了全国风电场工程规划工作，要求各省/自治区根据其风能资源储量及其分布，综合考虑电网承受能力和经济发展水平等因素，制定风电发展规划，以促进风电场开发建设健康有序的进行。

国内外专家学者已对风力发电技术及风电接入对电力系统的影响开展了广泛而深入的研究。文献[1～3]阐述了风电接入后风电场与电力系统的相互影响；文献[4～7]研究了评价风电场运行情况、可靠性及确定风电最大注入功率的方法；文献[8～12]对包含风电场的电力系统稳态及暂态仿真分析方法进行了研究。

本文以某地区电网进行大规模风电接入规划的部分研究成果为例，研究风电机组及风电场建模、风电场集中接入对地区电网线路传输功率及电压水平的影响、风电接入对电力系统暂态稳定性的影响等，并针对风电接入后出现的相关问题提出了相应的改善措施。

1 风电机组运行特性分析及仿真系统

1.1 变速恒频并网风力发电机组运行特性分析

就国内风电场风机类型而言，目前大多数国内风机类型属于水平轴变速恒频异步机发电系统。

变速恒频风力发电机组如图1所示。

图1 变速恒频风力发电机组Fig.1 Variable speed constant frequency generation system

风力发电机多为异步发电机，考虑动态过程的异步电机的模型如式(1)所示。

(1)

发电机转子运动方程为

TJ=Mt-Me

(2)

式中Mt为机械转矩，Me为电磁转矩，TJ为发电机的转子惯性时间常数。

定桨距风机利用桨叶翼形的失速特性，在高于额定风速，达到失速条件后，桨叶表面产生涡流，效率降低，达到限制输出功率的目的。定桨距机型优点是调节和控制简单。缺点在于对叶片、轮毂、塔架等主要部件受力增大，而且风力超过额定风速后风机出力反而下降。

异步发电机运行中会从电网中吸收无功电流建立磁场，导致电网功率因数变差。因此，一般在风机出口处装设可投切的并联电容器组提供非连续可变的无功补偿。通常采用可控硅软并网技术将起动电流限制在额定电流的1.2～1.5倍之内以防止并网失败。同时，采用气动刹车技术、偏航和自动解缆等技术解决风力发电机组并网运行的可靠性问题。

变速恒频风机功率曲线如图2所示。

图2 1500 kW风电机组功率曲线Fig.2 Power characteristic curve of 1500 kWwind power generator

变速恒频风机具体运行过程为：

(1)当风速持续10 min(可设置)超过3.5 m/s，风机将自动启动。为了避免并网时对电网的冲击，当电机转速接近同步转速时，发电机通过可控硅实现软并网，并网后接触器将可控硅旁路。

(2)随着风速的增加，发电机的出力随之增加，当风速接近14～15 m/s时，达到额定出力，超出额定风速机组失速。

(3)当风速高于25 m/s持续10 min，将实现正常刹车。

(4)当风速高于33m/s并持续2 min时，实现正常刹车。

(5)当风速高于50m/s并持续1 min时，实现安全刹车。

(6)当遇到一般故障时，实现正常刹车。

(7)当遇到特定故障时，实现紧急刹车。

1.2 风电场模型

本文在研究风电场接入对电力系统的影响时，主要研究风电场作为一个整体与电网之间的相互作用，而风电场内部的潮流分布及风电场中各风电机组之间的相互影响不在本文研究的范围内。由于所研究的风电场还处于规划阶段，且没有详细的风电场内部接线规划，因此本文采用一台容量与风电场容量相等的等值风电机组模型代替整个风电场。

1.3 仿真系统

本文的研究对象是我国某省一个即将大规模接入风力发电的地区电网，该地区电网以220 kV线路构成主干网架，线路距离长，距电网枢纽点较远，没有强大的电源支撑。其地理位置接线如图3所示。三个风电场的总装机容量为200 MW，通过汇集站接入主网。汇集站至变电站A为风电的主要送出通道。A、B两个火电厂的装机容量分别为400 MW和2 100 MW。

图3 地区电网地理位置主接线Fig.3 Geographic diagram of reginal network

2 电网静态电压稳定性及线路传输功率

2.1 线路传输功率

规划接入风电场接入汇集站，再通过导线型号为LGJ-2×400、长91 km的220 kV线路接入变电站A。表1列出该线路输电能力的各项指标。可以看出，线路的输送能力大于规划的约200 MW风电装机容量，为将来风电装机的进一步发展奠定了基础。

表1 220 kV线路输电能力Tab.1 Transmission Capacity of 220 kV lines

2.2 静态电压稳定性

计算接入汇集站的风电场最大容量时，增加的风电场装机按照采用变速恒频风机考虑。假设接入西郊变风电场的容量达到400 MW，随风电场出力持续增加时，相关母线电压变化如图4(a)所示。在风电场总体出力达到260 MW、310 MW、345 MW时，风电场侧分批投入共120 Mvar电容器组。从电压曲线可以看出，当出力超过300 MW时，风电场侧电压随功率增长的变化幅度愈来愈大，电压稳定性水平也越来越差，普通电容器组的投切操作无法满足实际运行的要求；且由系统向风电场注入的无功功率超过100 Mvar，导致赤峰220 kV电网的主要发电机组如A厂G1、B厂G1的无功出力也急剧增加，其变化曲线如4(b)所示，A厂机组的调压能力接近底线，系统电压调节能力接近边缘。这种情况下，风电场总出力水平很难超过340 MW甚至更低。

(a) 风电场出力增加母线电压变化曲线

(b) 风电场出力增加电厂无功出力变化曲线图4 风电场出力增加相关参量变化曲线Fig.4 Related parameters curve when output powerof wind farm increases

(a) 风电场出力增加母线电压变化曲线

(b) 风电场出力增加电厂无功出力 变化曲线图5 风电场出力增加相关参量变化曲线(加装SVC后)Fig.5 Related parameters curve when output powerof wind farm increases (with SVC)

由于风电场无法提供充足的无功支持，其升压变及送出线路消耗的无功需从电网远距离向风电场输送，从而导致了线路压降增大，风电场接入地区电网的电压稳定性变差。

要想提高风电场的出力水平的同时保证一定的电能质量，且考虑到实际的可操作性，除了要在风电场侧补偿风电场消耗的无功功率，还需在电网侧增加更先进灵活的无功补偿措施来满足电网侧因传输有功功率增加导致的无功需求。图5为汇集站低压侧装设容性SVC后随风电场出力增加母线电压及主要火电机组的无功出力变化曲线，可以看出风电场侧的无功补偿只需要两组电容器，且电压变化相对平缓，电压稳定性得到提高。

要提高接入风电场的地区电网的电压稳定性及增加风电场的最大接入容量，可以考虑采取以下措施：

(1)整个风电场采取恒功率因数控制或恒电压控制方式将并网点的功率因数或电压控制在某一恒定值；

(2)采用静止无功补偿器SVC(static var compensator)、静止同步补偿器STATCOM(static synchronous compensator)等动态无功补偿设备代替普通的并联电容器组，动态平衡风电出力变化导致的无功需求变化，平滑无功补偿设备投切过程带来的电压急剧变动；

(3)加强电网网架结构。

3 电网的暂态稳定性

冬天火电大发(简称冬大)冬大方式下，在网内对火电机组稳定性影响较大的故障线路设定故障后0.12 s线路开断，通过各发电机的功角变化判断系统的稳定性。图6分别为B厂～变电站C#1线路在元宝山厂侧发生三相短路故障，现有风电场停运和满发时，B厂1号机组及A厂1号机组相应的功角变化曲线。

可以看出，无论现有风电场停运或满发，系统发生故障后火电机组都能维持稳定，但风电接入拉大了网内机组与主网机组之间的功角差。表2为其他线路发生故障后主要火电机组功角的最大摇摆幅度(正反向最大两个功角之差)。从功角摇摆曲线及功角的最大摇摆幅度来看，现有320 MW风电场对于该地区电网稳定性的影响，与故障线路有关，有些情况下风电会使电网稳定性加强，而有些情况下会使得电网稳定性减弱，但从总体上看，现有风电对网内故障时地区电网稳定性的影响较小。

(a) 三相短路故障时主要火电机组的 功角变化曲线(风电停运)

(b) 三相短路故障时主要火电机组的 功角变化曲线(风电满发)图6 三相短路故障时主要火电机组的功角变化曲线Fig.6 Power angle curve of the main thermal powerplant when three-phase short-circuit failure happens表2 冬大方式主要线路故障主要火电机组最大功角变化量Tab.2 Max change of power angle of main lines failure

故障线路B厂G1功角的最大摇摆角/(°)A厂G1功角的最大摇摆角/(°)风电场停运风电场满发风电场停运风电场满发B厂～C变#163.683.443.559.5C变～D变24.121.321.616.3B厂～E变70.921.549.216.5

风力发电机组在发电状态下可以以不同的转速运行，风电机组之间不存在功角稳定问题。在系统故障期间，电磁转矩和机械转矩不平衡会导致风电机组加速，很大一部分不平衡能量暂存在风电机组叶片和轴系加速旋转的动能中，这部分能量会降低风电机组在暂态过程中对电网的冲击。

4 结论

风电集中接入主要在潮流、电压以及暂态稳定对电网产生一定的影响。风电场集中接入前应根据风电机组特性及风电场所在地电网的实际情况，因地制宜地制定合适的系统接入方案，特别是电网比较薄弱的地方，需要通过完善配套设施来提高电网的可靠性和风电场运行的经济性。

[1] Chompoo-Inwai Chai, Lee Wei-Jen, Fuangfoo Pradit,etal.System impact study for the interconnection of wind generation and utility system[J].IEEE Trans on Industry Applications,2005,41(1)：163-168.

[2] Piwko Richard,Miller Nicholas,Sanchez-Gasca Juan,etal.Integrating large wind farms into weak power grids with long transmission lines[C]∥5th International Power Electronics and Motion Control Conference, Shanghai, China: 2006．

[3] Ha L T,Saha T K. Investigation of power loss and voltage stability limits for large wind farm connections to a subtransmission network[C]∥IEEE Power Engineering Society General Meeting, Denver, USA: 2004.

[4] 申洪，王伟胜(Shen Hong,Wang Weisheng).一种评价风电场运行情况的新方法(A new method for evaluating operation of wind power plant)[J].中国电机工程学报(Proceedings of the CSEE)，2003，23(9)：90-93.

[5] 陈树勇，戴慧珠，白晓民，等(Chen Shuyong ,Dai Huizhu, Bai Xiaomin,etal).风电场的发电可靠性模型及其应用(Reliability model of wind power plant and its application)[J].中国电机工程学报(Proceedings of the CSEE)，2000，20(3)：26-29.

[6] 雷亚洲，王伟胜，印永华，等(Lei Yazhou, Wang Weisheng,Yin Yonghua,etal).基于机会约束规划的风电穿透功率极限计算(Wind power penetration limit calculation based on chance constrained programming)[J].中国电机工程学报(Proceedings of the CSEE)，2002，22(5)：32-35.

[7] 吴俊玲，周双喜，孙建锋，等(Wu Junling, Zhou Shuangxi, Sun Jianfeng,etal).并网风力发电场的最大注入功率分析(Analysis on maximum power injection of wind farm connected to power system)[J].电网技术(Power System Technology)，2004，28(20)：28-32.

[8] 张义斌，王伟胜，戴慧珠(Zhang Yibin, Wang Weisheng, Dai Huizhu). 基于P-V曲线的风电场接入系统稳态分析(P-V curve based static analysis for integration of wind farm into power system)[J].电网技术(Power System Technology)，2004，28(23)：61-65.

[9] 陈树勇，申洪，张洋，等(Chen Shuyong,Shen Hong ,Zhang Yang,etal).基于遗传算法的风电场无功补偿及控制方法的研究( Researches on the compensation and control of reactive power for wind farms based on genetic algorithm)[J].中国电机工程学报(Proceedings of the CSEE)，2005，25(8)：1-6.

[10]石力宝，戴世强，徐政，等(Shi Libao,Dai Shiqiang,Xu Zheng,etal).大规模双馈型风电场并网的系统暂态稳定仿真 (Transient stability simulation with large scale grid-connected wind farms of DFIG type)[J].电力系统及其自动化学报(Proceedings of the CSU-EPSA)，2009，21(4)：1-7.

[11]郑太一，严干贵，周志强，等(Zheng Taiyi,Yan Gangui, Zhou Zhiqiang,etal)．电网电压跌落时风电机组运行仿真与实证分析 (Simulation and verification of DFIG wind turbine to grid voltage sags)[J].电力系统及其自动化学报(Proceedings of the CSU-EPSA)，2009，21(4)：1-7.

[12]张开明(Zhang Kaiming) ．基于PSCAD/EMTDC变速恒频风电机组控制系统仿真(Simulation of the variable-speed constant-frequency wind turbine control system based on PSCAD/EMTDC)[J].电力系统及其自动化学报(Proceedings of the CSU-EPSA)，2008，20(3)：70-76.

[13]李东东，陈陈(Li Dongdong, Chen Chen).风力发电机组动态模型研究(A Study on dynamic model of wind turbine generators sets)[J].中国电机工程学报(Proceedings of the CSEE)，2005，25(3)：115-119.

[14]Poller M, Achilles S, Moodley G. Variable-speed wind-generator models for power system stability analysis[C]∥The World Wind Energy Conference and Renewable Energy Exhibition,CapeTown,SouthAfrica:2003.

SystemImpactsAnalysisforInterconnectionofWindFarmandPowerGrid

LIU Dai1， PANG Song-ling2

(1.Haikou Power Supply Company, Haikou 570203, China;2.Hainan Electric Power Test & Research Institute, Haikou 570203, China)

Taking a wind power integration project for an example, the impact on the power system stability of large integrated wind farms is analyzed. The interaction between wind farm and power system is studied, so a windmill generator model equivalent capacity to a wind farm is used in simulation. Asynchronous model is used in simulation. Relationship between wind farm capacity, voltage stability and transient stability was studied by simulation.Measures for enhancing system stability and inereaing wind farm capacity is presented for example static synchronous compensator.

wind farm； voltage stability； transient stability； power system； static synchronous compensator

2009-10-23

2009-12-10

TM614； TM712

A

1003-8930(2011)03-0156-05

刘 岱(1981-)，女，硕士，助理工程师，主要从事电力系统运行工作。Email:ldai2000@tom.com

庞松岭(1981-)，男，硕士，助理工程师，主要从事电力系统分析工作。Email:SL_PANG@163.com