风电场静态等值及应用研究

孙 勇 ，李海峰 ，侯俊贤

(1.江苏省电力公司，江苏 南京 210024；2.中国电力科学研究院，北京 100085)

并网型的风电场一般都有多台风电机组，风电并网分析时采用风电场的详细模型是最为理想的。工程中对风电接入电网的分析与控制的研究，往往是站在系统的角度，将风电场视为一个整体，关注的是风电场中的若干台风电机组集聚后对电网的综合效应。因此，考虑到数据搭建和维护的难度、计算的速度、算法的可靠性等多种因素，在风电并网分析控制的研究中，对风电场进行等值简化是非常必要的。大量工程应用也表明，采用风电场等值模型进行并网分析计算也是工程实际中的一种可行方法。

1 风电机组静态等值

对于目前已经成为主流机型的双馈类型[1，2]风电机组和全变流直驱类型风电机组来说，由于具有交流励磁性能，能够在一定范围控制风电场的无功出力，将风电场内机组转而等效为功率因数恒定的PQ节点或者是无功有一定限制的PV节点，在工程实际中是可以接受的。含风电场的电力系统静态潮流模型与风电机组的类型和电压控制模式有关，总结如表1所示。

表1 含风电机组的静态潮流模型总结

2 风电场内部电气接线等值

从系统分析角度[2，3]来看风电并网后对输电网的影响，针对整个风电场内的集电系统详细建模是没有必要的。因此，在对风电场进行等值时，应考虑风电场内部电气接线的等值。在等值风电场内部接线时，假设所有风电机组注入集电线路的电流的幅值和相位相等；假设由于并联电容器组的补偿或机组本身有励磁能力，风电机组的功率因数为1。风电场内部接线等值示意图如图1所示。

图1 风电场内部接线等值示意图

图1中，电流I1流经阻抗Z1的电压降为：

同理可以推导出Z2上的电压降为：

定义PZ1为流经阻抗Z1的有功功率，则每一段线路的线损为：

因此，这一段集电线路的总损耗为：

假设集电线路的等值阻抗为Zs，则集电线路的总损耗还可以表示为：

因此，SLOSS=SLOSS_Zs，即：

所以，推导集电线路等值阻抗为：

集电线路等值并联电纳为：

对于机端单元变来说，假设机端电压均相等，则可以将一条集电线路的n台变压器等效为n台变压器的并联。则：

3 风电场静态等值

目前，关于风电场静态等值方法主要有PQ、PV简化模型和 RX 模型[1，4]。

（1）PQ、PV简化模型。假设风电场功率因数为已知量，由此计算出无功功率，然后将风电场节点作为PQ节点。该法的局限是认为风电场的功率因数与单台风电机组的功率因数相同，并未考虑风电场内部集电系统的影响，当风电场规模较大时可能带来较大计算误差。对于有交流励磁能力的双馈机和全变流直驱机来说，当工作在恒电压控制方式下时，可以将该类风电场等效为具有一定无功限制的PV节点。类似地，该法也忽略了风电场内部的电气接线，随着风电场规模的增大，会带来一定误差。

（2）RX模型。实际运行中，随着电压波动，风力电机所消耗或发出的无功是变化的。为了体现无功的变化，需要将异步电机等值电路加入到静态潮流分析模型中把异步电机的滑差表示成机端电压和有功功率的函数，给定初始滑差和风速，由异步机等值电路写出异步机等值阻抗Z=R+jX，将发电机视为阻抗型负荷加入潮流程序，得到风力发电机的电磁功率，另外由风速等信息计算出风力机的机械功率，根据2个功率之差值修正滑差，反复迭代，最终使风力机机械功率与发电机电磁功率相平衡。RX模型充分考虑了风力发电机的输出功率特性，属于比较完善的模型，但此模型的迭代过程也是分2步完成，常规潮流迭代计算和异步发电机的滑差迭代计算，总迭代次数多，收敛速度慢，实用性较差。

在对风电场进行稳态等值时，根据风电场不同的控制方式，相应采用PQ或PV节点类型。对于一些混合型风电场，例如定速异步机与双馈机混合型风电场，若全场采用恒功率因数控制方式，则可将风电场等值为PQ节点；若其中双馈机采用恒电压控制方式，则可将风电场转而等效为PQ和PV两节点。风电场静态等值示意图如图2所示。

其中，风电场的等值节点类型根据风电场采用恒功率因数还是恒电压控制模式，相应地选用PQ节点和PV节点。风电场内部架空线与直埋电缆的等值阻抗及导纳等效在单机变和风场主变之间。

图2 风电场静态等值示意图

4 算例分析

利用江苏中电大丰风电场的实际数据建立典型系统进行风电场静态等值的验证分析。中电大丰风电场装机容量200 MW，其风机生产厂家为金风科技有限公司，包含S50/750型单机容量750 kW的固定转速异步风力发电机组81台，和GW77/1500型单机容量1.5 MW的直驱风电机组93台。按照风电场内详细接线图，基于PSD-BPA仿真软件，建立详细风电场静态算例模型，具体如下：

（1）风电场规模为81台额定功率750 kW的固定转速异步风电机组和93台额定功率1.5 MW的直驱同步风电机组 （风电场装机容量为200.25 MW）。每种类型的机组型号与参数一致，固定转速风电机组不具备电压控制能力，直驱风电机组控制方式为恒功率因数或者恒电压。

（2）汇集各台风电机组的架空线路连接到风电场升压主变的馈线长度，按实际情况考虑。

（3）无功补偿装置安装在风电场升压主变的低压侧。

将详细风电场模型、倍乘风电场模型和考虑风电场接线的倍乘风电场模型分别接入到无穷大系统，进行静态潮流计算并将计算结果加以比较。主要关注的静态参数有：风场主变低压侧无功补偿容量、并网点电压、并网线路的有功和无功以及风电场内部节点电压。

恒功率运行方式下，不同风电出力时倍乘模型、详细风电场模型和考虑接线倍乘模型并网点电压、并网线路无功、并网线路有功和无功补偿投入量对比图如图3—6所示。

5 结束语

（1）对于架空集电线路，当风电出力较小的时候，线路上无功损耗较小，对并网点电压的影响不大。随着风电出力增大，线路电抗的无功损耗增加，集电线路上的电压降也增大，所以“倍乘等值模型”较“风电场详细模型”的计算结果电压偏高。

图3 并网点电压对比

图4 并网线路无功对比

图5 并网线路有功对比

图6 无功补偿投入量对比图

（2）随着风电场装机容量、风电场内部接线规模的扩大，上述“简单倍乘等值模型”不计及“风电场内部接线等效”所引起的偏差将进一步增大；所以，在等值模型中必须计及“风电场内部接线的等值”。

（3）考虑风电场内部接线的倍乘等值模型的静态仿真曲线与详细风电场静态仿真曲线较好的吻合，证明了考虑风电场详细接线的大规模风电场稳态等值方法的有效性。

[1]孙建锋，焦连伟，吴俊岭，等.风电场发电机动态等值问题的研究[J].电网技术，2004，28（7）：58-61.

[2]曹张洁，向 荣，谭 谨，等.大规模并网型风电场等值建模研究现状[J].电网与清洁能源，2011，27（2）：56-60.

[3]苏勋文，米增强，王 毅.风电场常用等值方法的适应性及其改进研究[J].电网技术，2010，34（6）：175-180.

[4]乔嘉赓，鲁宗相，闵 勇，等.风电场并网的新型实用等效方法[J].电工技术学报，2009，24（4）：209-212.