大型風(fēng)電集群無(wú)功電壓特性研究

梁紀(jì)峰，戎士洋，齊 全，耿 亮

（1.國(guó)網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，河北 石家莊 050021；2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006；3.國(guó)網(wǎng)石家莊供電公司，河北 石家莊 050081）

大型風(fēng)電集群無(wú)功電壓特性研究

梁紀(jì)峰1，戎士洋1，齊 全2，耿 亮3

（1.國(guó)網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，河北 石家莊 050021；2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006；3.國(guó)網(wǎng)石家莊供電公司，河北 石家莊 050081）

通過(guò)研究大型風(fēng)電集群所具有的無(wú)功電壓特性，為制定風(fēng)電集群無(wú)功電壓綜合控制方案提供借鑒。通過(guò)對(duì)瓜州地區(qū)風(fēng)電集群實(shí)際有功出力的統(tǒng)計(jì)分析，及進(jìn)行大量的離線仿真計(jì)算，分別研究了風(fēng)電集群在長(zhǎng)時(shí)間尺度和短時(shí)間尺度下的有功出力特性，風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)的P－V特性，風(fēng)電集群無(wú)功損耗的分布狀況，風(fēng)電集群接入的電網(wǎng)所具有的無(wú)功電壓特性，電網(wǎng)的短路容量與風(fēng)電集群電壓穩(wěn)定性的關(guān)系，初步揭示了大型風(fēng)電集群的無(wú)功電壓特性。

風(fēng)電集群；無(wú)功電壓；無(wú)功損耗；短路容量

隨著我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，在三北地區(qū)形成了多個(gè)百萬(wàn)kW甚至千萬(wàn)kW風(fēng)電基地。由于風(fēng)電出力具有隨機(jī)性、波動(dòng)性和不穩(wěn)定性等特點(diǎn)，當(dāng)大量風(fēng)機(jī)集中接入某一個(gè)末端電網(wǎng)時(shí)候，將造成電網(wǎng)的有功潮流和無(wú)功電壓的頻繁波動(dòng)，在薄弱的系統(tǒng)接入點(diǎn)，風(fēng)電有功和無(wú)功出力的波動(dòng)將急劇惡化局部地區(qū)的無(wú)功電壓狀況。由于已經(jīng)投運(yùn)的風(fēng)電機(jī)組大部分不具備低電壓穿越能力，因此，在風(fēng)電場(chǎng)發(fā)生局部故障的情況下，經(jīng)常導(dǎo)致大規(guī)模風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)事故的發(fā)生，嚴(yán)重情況下，甚至能夠引發(fā)電網(wǎng)穩(wěn)定問(wèn)題［1－4］。因此，研究大型風(fēng)電集群及其接入電網(wǎng)的無(wú)功電壓特性，為制定科學(xué)有效的無(wú)功電壓綜合控制方案具有重要價(jià)值，本文主要通過(guò)對(duì)瓜州地區(qū)具有代表性的風(fēng)電集群進(jìn)行仿真計(jì)算，研究分析風(fēng)電集群集中接入電網(wǎng)后的無(wú)功電壓特性。

1 風(fēng)電集群有功出力特性概述

在我國(guó)目前的大型風(fēng)電連片開(kāi)發(fā)地區(qū)，風(fēng)電機(jī)組和風(fēng)電場(chǎng)分布在廣袤的戈壁、草原和沙漠上，往往是方圓幾百里遍布大大小小的風(fēng)電場(chǎng)。當(dāng)這些地區(qū)出現(xiàn)大風(fēng)天氣時(shí)候，從大風(fēng)吹來(lái)的方向開(kāi)始，依次經(jīng)過(guò)坐落于不同地區(qū)的風(fēng)電場(chǎng)，大風(fēng)吹過(guò)所有風(fēng)電場(chǎng)的時(shí)間差較大，各風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組的出力升速也不同，在幾min和幾十min的時(shí)間尺度內(nèi)，各風(fēng)電場(chǎng)的有功出力具有一定的互補(bǔ)性［5］，風(fēng)電場(chǎng)的集中連片分布，降低了風(fēng)電出力的隨機(jī)性和不穩(wěn)定性。當(dāng)大風(fēng)天氣持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間時(shí)，各風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)況較為接近，風(fēng)電場(chǎng)出力特性將為趨于接近，這時(shí)候，大面積連片風(fēng)電場(chǎng)的有功出力將具有很強(qiáng)的相關(guān)性，導(dǎo)致大型風(fēng)電集群的有功總出力波動(dòng)幅度很大。

2 風(fēng)電集群無(wú)功電壓特性研究

2.1 風(fēng)電集群P－V特性分析

目前，我國(guó)大型風(fēng)電基地采用的風(fēng)機(jī)類(lèi)型主要有：鼠籠式異步風(fēng)電機(jī)組、雙饋式異步風(fēng)電機(jī)組和多極永磁直驅(qū)式同步風(fēng)電機(jī)組。鼠籠式異步風(fēng)電機(jī)組不能發(fā)出或吸收無(wú)功功率，只能從電網(wǎng)吸收無(wú)功功率建立機(jī)端電壓；雙饋式異步風(fēng)機(jī)具有一定的無(wú)功功率調(diào)節(jié)能力，但是受限于轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的容量，無(wú)功調(diào)節(jié)容量很有限；永磁直驅(qū)式同步風(fēng)機(jī)具有很好的無(wú)功調(diào)節(jié)能力，但是目前并網(wǎng)的該型機(jī)組還較少［6－7］。因此大型風(fēng)電集群主要是以雙饋式異步風(fēng)電機(jī)組為主，當(dāng)風(fēng)電集群有功出力變化時(shí)，風(fēng)電集群送出通道上的無(wú)功損耗將會(huì)隨之變化，風(fēng)電集群接入點(diǎn)的電壓也將因無(wú)功功率支撐的變化而變化，圖1為風(fēng)電集群接入點(diǎn)電壓隨風(fēng)電集群有功出力波動(dòng)而變化的P－V曲線，風(fēng)電集群有功出力的基準(zhǔn)值為額定裝機(jī)容量700 MW。

圖1 風(fēng)電集群接入點(diǎn)P－V曲線

由P－V可知，風(fēng)電集群的有功出力與風(fēng)電集群的集中接入點(diǎn)的電壓呈一定的負(fù)相關(guān)性。大風(fēng)天氣，風(fēng)電集群大出力時(shí)，風(fēng)電送出通道的無(wú)功損耗增加，風(fēng)電集中接入點(diǎn)缺乏無(wú)功功率支撐，電壓降低；無(wú)風(fēng)和弱風(fēng)天氣，風(fēng)電集群出力較小，風(fēng)電送出通道的無(wú)功損耗較小，風(fēng)電集中接入點(diǎn)具有足夠的無(wú)功功率，電壓升高。

2.2 風(fēng)電集群無(wú)功損耗特性

圖2為甘肅瓜州地區(qū)某風(fēng)電集群的并網(wǎng)示意圖，A1～A3為3座雙饋式風(fēng)電機(jī)組風(fēng)電場(chǎng)等值成的風(fēng)電機(jī)組，裝機(jī)容量分別199 MW、199 MW和299 MW，通過(guò)兩級(jí)升壓接入風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)330 kV母線，多個(gè)風(fēng)電集群通過(guò)330／750 kV升壓變接入750 kV主網(wǎng)?？紤]目前在運(yùn)的風(fēng)電機(jī)組大多只能按－0.98～0.98的功率因數(shù)范圍進(jìn)行恒功率因數(shù)模式運(yùn)行［8］，因此風(fēng)機(jī)最大無(wú)功支撐能力為按0.98恒功率因數(shù)模式運(yùn)行。

圖2 風(fēng)電集群并網(wǎng)模型

當(dāng)風(fēng)電集群按0.98恒功率因數(shù)運(yùn)行時(shí)，隨著風(fēng)電集群有功出力的連續(xù)增加，無(wú)功損耗也快速增加，風(fēng)電集群內(nèi)的各部分的無(wú)功損耗量如表1所示。

表1 無(wú)功損耗隨有功出力變化情況

從表1數(shù)據(jù)可知，在風(fēng)電集群中，從風(fēng)電機(jī)組到330 kV風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)的總無(wú)功損耗中，0.69／35 kV和35／330 kV兩級(jí)升壓變的無(wú)功損耗占風(fēng)電集群總無(wú)功損耗的80%左右，是風(fēng)電集群的主要無(wú)功負(fù)荷，如圖3所示。當(dāng)風(fēng)電集群有功出力在額定裝機(jī)容量的60%以下時(shí)，風(fēng)機(jī)提供的感性無(wú)功可以滿足風(fēng)電集群的無(wú)功需求；當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)有功出力超過(guò)額定裝機(jī)容量的60%時(shí)，風(fēng)電集群的等值無(wú)功負(fù)荷大于風(fēng)機(jī)提供的無(wú)功功率，需要從主網(wǎng)吸收無(wú)功或者依靠無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備補(bǔ)償風(fēng)電集群的無(wú)功損耗。

圖3 風(fēng)電集群無(wú)功損耗分布

3 風(fēng)電集群并網(wǎng)點(diǎn)無(wú)功電壓特性

3.1 電網(wǎng)無(wú)功電壓特性分析

大型風(fēng)電集群一般都是通過(guò)多級(jí)升壓站升壓和電流匯集，接入一個(gè)超高壓電網(wǎng)送出系統(tǒng)，而超高壓輸電線對(duì)地電容產(chǎn)生很高的容性無(wú)功功率，當(dāng)風(fēng)電出力隨著風(fēng)速變化而變化時(shí)，超高壓線路上的潮流和輸變電設(shè)備上產(chǎn)生的無(wú)功損耗也隨之不斷變化，此時(shí)，超高壓線路上富裕的大量容性無(wú)功功率將隨無(wú)功損耗的變化而波動(dòng)，從而造成電壓的大幅度波動(dòng)，嚴(yán)重影響末端電網(wǎng)和風(fēng)電集群內(nèi)部的電壓穩(wěn)定性。風(fēng)電大出力時(shí)，風(fēng)電集群內(nèi)部的輸變電設(shè)備和超高壓輸變電設(shè)備潮流重載，末端電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)電壓嚴(yán)重偏低，無(wú)風(fēng)和弱風(fēng)時(shí)候，潮流輕載，風(fēng)電集群和末端電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)電壓又嚴(yán)重偏高。

由于目前大多數(shù)風(fēng)電場(chǎng)以鼠籠式異步風(fēng)機(jī)和雙饋異步風(fēng)機(jī)為主，風(fēng)電機(jī)組不具備無(wú)功調(diào)節(jié)能力或具有有限的無(wú)功支撐能力，風(fēng)電機(jī)組只能以恒功率因數(shù)模式運(yùn)行，為了支撐風(fēng)電出力的送出和提高風(fēng)電集群的電壓穩(wěn)定性，因此需要對(duì)風(fēng)電機(jī)組和風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償設(shè)計(jì)，如在風(fēng)電場(chǎng)安裝電容電抗器、SVC和SVG等無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備等。根據(jù)實(shí)際統(tǒng)計(jì)分析風(fēng)電場(chǎng)出力分布狀況，風(fēng)電集群的出力95%的時(shí)間是在風(fēng)電場(chǎng)額定容量65%以下，出于投資回收和經(jīng)濟(jì)性的考慮，目前風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的配置僅具備支撐大部分時(shí)間內(nèi)的風(fēng)電出力及其送出，對(duì)于風(fēng)電極端出力情況下的無(wú)功電壓支撐尚無(wú)能為力。

3.2 電網(wǎng)短路容量的影響

電力系統(tǒng)的短路容量是衡量電壓穩(wěn)定的一個(gè)重要指標(biāo)，短路容量大的系統(tǒng)，系統(tǒng)聯(lián)系緊密，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)堅(jiān)強(qiáng)，具有較高的電壓穩(wěn)定性；短路容量小的系統(tǒng)，電網(wǎng)內(nèi)部聯(lián)系不夠緊密，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)比較薄弱，電壓穩(wěn)定性較低。在相同的潮流波動(dòng)情況下，短路容量小的系統(tǒng)電壓波動(dòng)比短路容量小的系統(tǒng)大。

大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)采用的風(fēng)電場(chǎng)分層分區(qū)接入及打捆外送的并網(wǎng)方式，可以有效避免在單一風(fēng)電場(chǎng)或變電站內(nèi)發(fā)生故障時(shí)引起大面積的停電事故，提高系統(tǒng)的可靠性。分層分區(qū)的風(fēng)電場(chǎng)接入方式，導(dǎo)致電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱，降低了風(fēng)電接入地區(qū)電網(wǎng)的短路容量，也即降低了風(fēng)電集中接入電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性。對(duì)比瓜州風(fēng)電基地周邊母線短路電流水平和甘肅主網(wǎng)的短路電流水平，可以發(fā)現(xiàn)瓜州地區(qū)同類(lèi)母線短路電流只有甘肅主網(wǎng)的不到1／2，短路水平明顯偏低（見(jiàn)表2）。

風(fēng)電集群接入的電網(wǎng)由于短路容量小，在風(fēng)電出力變化時(shí)，接入點(diǎn)母線電壓水平波動(dòng)也比較大。圖2所示風(fēng)電集群在35%P的初始出力水平下，風(fēng)電集群以0.98恒功率因數(shù)運(yùn)行，風(fēng)電集群330 kV升壓站的SVC全部投入運(yùn)行，不采取其他無(wú)功電壓調(diào)節(jié)措施，當(dāng)風(fēng)電集群出力分別上下波動(dòng)5%P和10%P時(shí)，風(fēng)電集群接入的750 kV母線電壓變化如表3所示。

表2 甘肅主網(wǎng)及瓜州地區(qū)部分母線短路水平

表3 風(fēng)電集群接入點(diǎn)電壓變化情況

由表3中電壓數(shù)據(jù)可以看出，隨著風(fēng)電集群的有功出力增加，風(fēng)電集群接入點(diǎn)750 kV母線電壓波動(dòng)幅度較大，當(dāng)風(fēng)電集群有功出力變化5%P時(shí)，風(fēng)電集群接入點(diǎn)750 kV母線電壓波動(dòng)在10 kV左右，當(dāng)風(fēng)電集群有功出力變化10%P時(shí)，風(fēng)電集群接入點(diǎn)750 kV母線電壓波動(dòng)在20 kV左右，電壓波動(dòng)幅度非常大。這也從短路容量的角度解釋了大規(guī)模風(fēng)電集中接入地區(qū)電網(wǎng)隨風(fēng)電出力變化，電壓波動(dòng)比較大的原因。

4 結(jié)論

a.在短時(shí)間尺度內(nèi)，風(fēng)電集群各風(fēng)電場(chǎng)有功出力具有互補(bǔ)性，在小時(shí)級(jí)以上的長(zhǎng)時(shí)間尺度內(nèi)，同一地區(qū)的各風(fēng)電群的有功出力具有相關(guān)性。

b.風(fēng)電集群并網(wǎng)點(diǎn)電壓與風(fēng)電場(chǎng)的有功出力水平呈現(xiàn)正相關(guān)特性。

c.風(fēng)電集群內(nèi)的無(wú)功損耗分布中，69／35 kV和35／330 kV兩級(jí)升壓變的無(wú)功損耗占總無(wú)功損耗的80%左右。

d.由于風(fēng)電機(jī)組無(wú)功調(diào)節(jié)容量有限，風(fēng)電場(chǎng)升壓站中配備的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備不足于平衡風(fēng)電出力水平超過(guò)65%時(shí)的無(wú)功補(bǔ)償需求。

e.風(fēng)電集群接入的電網(wǎng)短路容量越大，風(fēng)電集群的電壓穩(wěn)定水平越高。

［1］ 張麗英，葉廷路，辛耀中.大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)的相關(guān)問(wèn)題及措施［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，30（25）：1－9.

［2］ 李雪明，行 舟，陳振寰.大型集群風(fēng)電有功智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2010，34（17）：59－63.

［3］ 朱凌志，陳 寧，王 偉.兼顧接入地區(qū)無(wú)功需求的風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功控制策略［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2009，33（5）：81－85.

［4］ 賈書(shū)杰，徐建源.風(fēng)電場(chǎng)的功率波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性影響研究［J］.東北電力技術(shù)，2013，34（2）：15－18.

［5］ 肖創(chuàng)英，汪寧渤.甘肅酒泉風(fēng)電出力特性分析［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2010，34（17）：64－67.

［6］ 倪 林，袁榮湘，張宗包.大型風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)的控制方式和動(dòng)態(tài)特性研究［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011，39（8）：75－79.

［7］ 吳冠男，徐建源.雙饋風(fēng)機(jī)并網(wǎng)仿真模型的改進(jìn)研究［J］.東北電力技術(shù)，2013，34（2）：10－14.

［8］ 陳慧粉，喬 穎，魯宗相.風(fēng)電場(chǎng)群的無(wú)功電壓協(xié)調(diào)控制策略［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2010，34（18）：78－82.

Research on Reactive Voltage Characteristic of Clusters for Large?scale Wind?power

LIANG Ji?feng1，RONG Shi?yang1，QI Quan2，GENG Liang3
（1.Electric Power Research Institute of State Grid Hebei Electric Power Co.，Ltd.，Shijiazhuang，Hebei 050021，China；2.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China；3.Sate Grid Shijiazhuang Power Supply Corporation，Shijiazhuang，Hebei 050081，China）

By studying reactive voltage characteristics of clusters for large wind?power，reference for the development of wind power cluster reactive power and voltage control scheme is provided.Through the statistical analysis for Guazhou area wind power cluster actu?al active outpot，and a lot of off?line simulation，wind power clusters active output characteristics were investigated at short time scales and scales，P?V characteristics of the wind farm access point，the distribution of wind power cluster reactive power loss，the reactive power and voltage characteristics of the power grid wind power cluster access，the relationship short?circuit capacity of grid with wind power cluster voltage stability.All of which initially revealed reactive voltage characteristic clusters of large?scale wind power.

wind power clusters；Reactive power and voltage；Reactive power loss；Short?circuit capacity

TM614；TM761＋.1

A

1004－7913（2015）02－0035－03

梁紀(jì)峰（1985—），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行、分析與控制。

2014－11－25）