风电场建模及其对接入电网稳定性的影响分析

王天宇

（国电奈曼风电有限公司 内蒙古自治区通辽市奈曼旗 028300）

随着环境保护力度的加强，开始推行新能源发电方式。风力发电资源丰富，且具备绿色环保优势，因此被广泛应用到电力行业。发电市场发展速度加快，总装机容量增长率超过30%。我国能源结构不合理，新能源占比小于1%，风力占有量非常低，和世界能源发展方向不同。所以，加大风力开发利用度，可以缓解电力与电煤供需紧张问题。我国风能资源丰富，且风电装机容量达到10.625GW。

变速型风力发电机组，运行效率比较高，能够对发电机输出功率因数进行调整，因此被广泛应用到风电场中，然而出力具备不可控性、波动性特点。本文注重分析风电场建模问题，并且探讨其对接入电网稳定性的影响。

1 风电场模型

连接电网、风电场，深入分析电网影响、运行特点问题，为风电场模型建设奠定基础。风电场建设，涉及到较多学科，组成包括发电机、风力涡轮机、传动系统等。风力涡轮机，可以获取风能，能够获取空气动力学理论，为风力模型建设提供依据。在传统系统中，涉及到风力涡轮机、发电机，连接装置。

2 风力涡轮机模型

风力涡轮机，可以从风中获取风能，表达式如下：

在（1）式中，V 表示风速；Vn表示额定风速；Vin表示切入风速；Vout表示切出风速；ρ—空气密度；R—叶桨半径；Cp—功率系数；λ—叶尖速比；β—叶桨螺旋桨。

在风力涡轮机中，功率系数为关键参数，能够获取风能效率。关联叶尖速比、叶桨螺旋桨，形成非线性函数。遵循Betz 理论知识，功率系数最大值为0.582。

一般来说，风机设备的功率系数曲线基本相同，因此无需根据风机类别，设定相应的功率系数表达式。在此次研究中，借助Heier 方程，表示功率系数。合理设置c1～c9数值。

2.1 传动系统模型

相比于汽轮发电机，风力发电机组传动轴长度不足，然而轴刚度系数较低，且风力机配置齿轮箱，因此传动轴的柔性比较强。在机组动态运行中，会产生扭转振荡。传动系统数学模型，多应用等效质量块法。在此次研究中，将传动系统等效为风力涡轮机、低速轴。发电机转子、高速轴，均为质量块，采用柔性模型。注重调整传动系统扭振方程，获取以下方程式：

在（3）式中，KS—转子角速度；θS—扭转角度；TE—电磁转矩。

2.2 风力发电机模型

针对异步风力发电机模型，为了做好准确化描述，需要遵循以下方程要求：具体如下：

在（4）式中，V'D、V'Q—暂态电动势；X'—暂态电抗；T0—暂态开路时间常数。

3 风电对接入电网的影响

传统方式会影响系统功率因数，还会降低母线电压水平。因此，针对异步发电机端，注重无功补偿装置配置，选用并联电容器时，无功补偿量、机组端电压平方，具备正相关性。系统故障时，会降低母线电压、无功补偿量，影响系统电压水平。按照相关研究可知，通过静止型无功补偿器，使风电场获取无功功率，确保系统处于稳定运行状态。

当风电场位于系统边缘位置时，将会削弱系统稳定性，同时涉及到电压波动、波形畸变、电压闪变等。

风力发电机组单机容量增加，在并网操作时，会冲击影响电网，严重可导致系统冲击电力水平加大，降低电压水平，还会损伤发电机、机械部件。当并网冲击时间比较长时，会导致电力系统瓦解，对并网机组运行危害比较大，所以必须选择适宜并网技术。

4 实际算例分析

在此次研究中，通过用户程序接口、C++语言，编写风电潮流、稳定计算用户程序，基于稳态、暂态角度，仿真分析某地区风电场。

4.1 风电场概况

A 风电场位于地区郊区，与城区距离9.5km。由于区域为山地地形，因此形成自然缺口，地处盆地走廊，风沙大。该地区为季风性气候，以东北风为主。风场划分为A、B 两个场区，A 区长度为9.8km，宽度为1.9km；B 区长度为7.1km，宽度为2.4km。

风电场规划装机50MW，一期工程为A 区风机建设，总装机量为21.4MW。风电场机组单机容量为750kW，属于异步电机。

4.2 确定无功补偿容量

风电场可以调节电压、主变压器变比，涉及到无功功率指标。风电场可以自主调节无功功率，对于变电站高压侧电压，运行输出功率不一致时，可控功率因数处于‐0.95～0.95。

利用异步发电机稳态方程式，注重有功功率、无功功率、转子滑差计算，同时设置端电压关系式，明确发电机功率因数、转子滑差关系，如图1所示。

图1：发电机功率因数与转子滑差关系图

通过图1 可知，当转子滑差不足‐0.01 时，功率因数波动不明显。发电机处于低速状态时，会降低功率因数。转子滑差为‐0.002 时，功率因数为0.35675。风速较低时，有功功率出力小，但是无功功率值高，电容器并联投运，加强电网电压值。

接入风电场，会对接入点母线电压、功率因数造成影响。电容器投入运行后，补偿无功功率补偿，如表1所示。

表1：无功补偿装置计算结果

通过表1 数据可知，风力场出力30%时，接入点电压、功率因数低，需要投入无功补偿装置3 组，使功率因数达到‐0.832；当风力场出力60%时，投入3 组无功补偿装置，将功率因数提升至‐0.866；当风力场出力100%时，投入3 组无功补偿装置，将功率因数提升至‐0.87。

4.3 风电机组并网分析

异步发电机运行时，对机组调速精度要求低，也不用同步操作设备，合理控制发电机转速、同步转速，确保转速相等，提升并网运行效果。风电场运行时，需要启停机组，再检修风机故障，同时分析单台机组、电网冲击影响关系。发电机组并网之前，两侧母线电压值如表2所示。

表2：并网前两侧母线电压值

在风电场中，当 t=2s 时，风机与电网并联，引发冲击电流，电流值约为稳定状态的4.8 倍。电网运行产生影响，加快风力发电机转子速度，在1 个摇摆周期后，以发电状态位置，同时将传输功率传输至系统。

风电场、系统侧母线电压幅值、频率相同时，会增加电压相角差。风电机组并网时，冲击电流比较高。风电场、系统侧母线电压相差180°，风电场并网后，冲击电流达到最大值，等于稳态状态9.5 倍。

4.4 风电场接入对电网稳定性分析

风电场暂态稳定，是系统在运行状态下遭受大干扰影响，恢复至原有状态。合理选择风电场、电网联络线。出现故障问题后，风电场电压，如图2所示；电流曲线，如图3所示。

图2：故障时的电压曲线

图3：故障时的电流曲线

图2所示可知，切除故障后，风电场电压为0.8，则恢复正常状态。故障影响危害后，会降低电网稳定性。通过图3 可知，风电场、系统联络线，面临三相接地短路故障，增加短路电流幅值。切断故障后，减幅震荡处理，逐渐恢复稳定。通过计算可知，采用刚性模型计算后，传动系统可以获得理想结果。

5 结束语

综上所述，本文针对风电场实施建模分析，建设空气动力模型、传动系统模型、风力发电机模型。联合某地区风电场实况，仿真分析电网不良影响。结果显示，对于风电机组而言，功率因数、转子转速的指标相关性高。处于低速状态时，功率因数下降；高速状态下，功率因数上升，但是变化幅度不明显。并网后，电流幅值为稳态状态9.5 倍。