一种风电场无功能力评估方法

李雍睿，付百令，张冠锋，赵清松

（1.国网辽宁省电力有限公司，辽宁 沈阳 110006；2.吉林松江河水力发电有限责任公司，吉林 通化 134500；3.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006）

一种风电场无功能力评估方法

李雍睿1，付百令2，张冠锋3，赵清松3

（1.国网辽宁省电力有限公司，辽宁 沈阳 110006；2.吉林松江河水力发电有限责任公司，吉林 通化 134500；3.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006）

为精确评估风电场的无功输出能力，从电网需求和风电场实际运行情况出发，建立了风电场接入系统仿真模型；以风电场并网电压为约束条件，评估风电场无功安全裕度，给出了风电场全工况运行模式下的无功裕度限值表，为风电场并网点的无功电压管理提供依据。

风电场；无功功率；评估

随着风电在电力能源结构中占的比例越来越高，大规模风电场集中并网，电网的运行特性受到严重影响。风能具有随机性和不可控性，使得风电场有功出力和无功功率具有波动性，进而风电场与电网相连的线路或电网中的送电通道上的潮流和无功功率不断改变，影响电网电压质量和电压稳定性，经长距离与电网相连的风电场更为突出，因此风电场的无功补偿对调节接入电网电压的稳定性就显得尤为重要［1］。

目前，大多数风电机组采用大功率四象限电力电子变流器与电网连接，通过变流器控制可以实现有功、无功功率解耦，其自身无功调节能力可以应用于风电场的无功功率调节［2－3］。此外并网的风电场须配备无功补偿设备，通过对风电机组和无功补偿设备协调控制实现整个风电场无功功率调节，从而满足电网对风电场的无功要求［4］。

针对风电场无功功率运行特性及控制策略已有大量研究，风电场无功能力评估却未见报道，然而为了更好地实现风电场进行无功和电压控制，电网公司已逐渐开始实施所管辖电网内风电场无功功率管理，以达到减少电压波动，提高电压合格率的目的。本文结合电网需求和风电场实际运行情况，提出了一种风电场不同工况运行下的风电场无功能力评估方法，评估了风电场无功输出能力，制定了不同工况运行下无功出力限值表，为风电场无功调度管理提供了理论依据。

1 风电场有功出力与电压稳定性分析

在电力系统分析中，从并网点看进去风电场可以用1个等效的感应发电机来代替。图1描述了1个理想风电场并网点的有功功率P和无功功率Q关系，并网点电压V是P和Q的函数，通常用PV曲线来描述该点的有功功率和电压的关系。风电场运行在恒功率因数方式下的PV曲线可以通过曲面V（P，Q）和垂直平面Q＝Ptanφ相交得到。

图1为风电场运行在4种不同功率因数情况下的PV曲线。曲线1，2，3分别为滞后功率因数的感性负载曲线，曲线4为超前功率因数的容性负载曲线。未超出电压限制Vmin时，随着功率因数的增大，有功功率P越大。相对于某一PV曲线，随着风电场有功功率输出的增加电压会降低，当有功功率达到Pmax时电压会崩溃。以曲线3为例（功率因数为1），a点电压为正常运行值，b点电压为风电场并网运行的最低限制值，而c点处的电压过低而崩溃。由曲线4可知，功率因数超前时可能会出现过电压问题。电压稳定性反映了系统维持电压稳定性的能力，当负荷导纳增大或者功率增大时，功率和电压都是能控的。电压崩溃是一个动态过程，其所带来的扰动非常大。当风电场发生故障时，会导致等效的发电机阻抗X发生变化，最终使风电场最大有功和无功输出能力受到影响。因此，就系统可靠性角度而言，在各种不同的故障情况下，防止电压崩溃可以通过在发生故障后提供足够的有功和无功功率储备以及在最恶劣情况下切除部分有功和无功负荷实现。

图1 不同功率因数的PV曲线

2 风电场无功功率调节过程

风电场无功控制系统应该能够调节现有无功补偿设备容量范围（包括风电机组和无功补偿装置），实现动态的连续调节维持并网点电压稳定，其调节速度应能符合系统电压调节的规定。风电场参与电压调节的手段主要包括调整风机自身的无功出力、调节动态无功补偿装置的无功出力、调节风电场有载变压器分接头位置，并按照电网调度机构的指令进行相应的调整［4－6］。整个风电场无功功率调节原理如图2所示。

图2 风电场整体无功调节方案图

3 风电场中无功功率负荷

风电场的无功损耗主要包括发电机无功损耗、变压器无功损耗（风电机组箱变和风电场主变压器）、输电线路无功损耗（集电线路和风电场送出线路）3部分［7－9］。

a.发电机无功损耗

风电场风电机组主要由感应发电机（不考虑永磁同步发电机）组成，发电机在风电场或电力系统负荷中占的比重较大，风电场无功负荷的电压－无功特性主要由发电机决定，感应发电机消耗的无功功率QM为

式中：Qm为励磁功率；Qσ为漏抗功率；Xm为励磁电抗；Xσ为漏电抗；U、I分别为机端电压和电流［7］。

b.变压器无功损耗

风电场的变压器损耗为所有箱变损耗和主变压器损耗的总和。变压器的无功损耗QLT包括空载损耗（励磁损耗）ΔQo和漏抗中的损耗ΔQT，即：

式中：I0%为空载电流；US%为短路电压；PN、UN分别为额定功率和额定电压；S、U分别为变压器的功率和电压；BT为变压器的对地电纳；XT为变压器的电抗。励磁功率大致与电压的二次方成正比，漏抗中损耗的无功功率与电压的二次方成反比，因此变压器的无功损耗电压特性与感应发电机相似。

c.输电线路的无功损耗

风电场输电线路无功损耗为集电线路损耗和送出线路损耗。针对高电压、长距离并网的风电场，线路电纳影响较明显，所以本文采用Π形等值电路表示输电线路，线路串联电抗的无功损耗ΔQL与线路流通电流的二次方成正比，即：

式中：P1、P2、Q1、Q2分别为线路首末两端的有功功率和无功功率；U1、U2分别为首末两端的电压；X为线路的电抗。

线路对地电容的充电功率与电压二次方成正比，与线路无功损耗负号相反。

线路的无功总损耗为

4 风电场无功能力评估分析

基于风电场无功功率负荷数学模型，搭建风电场的Matlab仿真程序，结合风电场电压稳定性与无功能力的关系，进行风电场并网点的无功输出能力评估，风电场参数信息如表1所示。

不同电压和有功出力情况下风电场容性无功能力输出能力QWF1＝QSVG（SVG容性无功出力）＋QFC（电容器组容性出力）＋QG（风电机组容性无功）＋ΔQB（集电线路充电功率）－QM（发电机组无功损耗）－QLT（主变损耗＋箱变损耗）－ΔQL（集电线路无功损耗），仿真结果如图3和表2所示。

计算结果包含了风电场在不同电压水平下的容性无功输出能力，本文采用在不同电压水平下的风电场最小容性无功输出能力作为考核指标，得到风电场应当具备如表3所示的容性无功调节能力。

由表3可知，在不考虑风电场并网点电压情况下，对应不同的有功出力，风电场应具备的最小容性无功输出能力，保证并网点或风电场发生故障时，能够提供一定的无功支撑。

表1 风电场主要设备参数

不同电压和有功出力情况下风电场感性无功输出能力QWF2＝QSVG＋QG＋ΔQB＋QM＋QLT＋ΔQL，仿真结果如图4和表4所示。

计算结果包含了风电场在不同电压水平下的感性无功输出能力，得到风电场应当具备如表5所示的感性无功调节能力，表明在不同电压水平下的风电场应具备最小感性无功输出能力。

通过对风电场不同出力及电压水平下的无功输出能力计算可知，风电场在零出力的情况下风电场无功输出能力为－4.61～7.63 Mvar，风电场在满出力的情况下无功输出能力为－28.13～10.07 Mvar。

表2 不同电压和有功出力情况下风电场容性无功输出能力Mvar

表3 风电场容性无功输出能力

表4 不同电压和有功出力情况下风电场感性无功输出能力Mvar

表5 风电场感性无功输出能力

图3 不同电压和有功出力情况下风电场容性无功能力输出能力

图4 不同电压和有功出力情况下风电场感性无功输出能力

5 结束语

本文针对风电场无功能力评估问题，建立了风电场无功功率负荷与电源模型，提出不同工况无功充裕度评估方法，全面评估了风电场无功输出能力，给出风电场不同工况运行下无功出力限值，为调度控制中心对风电场无功管理提供了理论依据。

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［5］李 晶，方 勇，宋家骅，等.变速恒频双馈风电机组分段分层控制策略的研究［J］.电网技术，2005，29（9）：15－21.

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［9］梁纪峰，戎士洋.大型风电集群无功电压特性研究［J］.东北电力技术，2015，36（2）：35－41.

An Assessment Method of Wind Farm's Reactive Power Capacity

LI Yong⁃rui1，FU Bai⁃ling2，ZHANG Guan⁃feng3，ZHAO Qing⁃song3
（1.State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China；2.Jilin Songjianghe Hydropower Co.，Ltd.，Tonghua，Jilin 134500，China；3.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyng，Liaoning 110006，China）

In order to accurately asses the reactive power output capacity of wind farm，this paper establishes wind farm simulation model based on the demand of grid and actual operation of wind farm.With voltage constraints of wind farm，assessing windfarm reac⁃tive safety margin，wind farm reactive margin limit tables of all operating conditions are proposed which provides basis for reactive volt⁃age management of connected wind farm.

Wind farm；Reactive power；Assessment

TM614

A

1004－7913（2016）08－0018－04

李雍睿（1984—），男，学士，工程师，从事电力市场负荷预测及调度运行技术研究工作。

2016－05－10）