摘要： 隨著風電裝機規模的不斷擴大， 大規模風電場接入地區電網后， 對當地電網的電壓造成影響， 研究風電接入地區電網電壓問題顯得十分重要。以新疆哈密地區風電接入當地電網為例， 統計了并網地區典型運行方式下的母線電壓水平。建立風電場機組仿真模型， 考慮尾流效應影響下的風速， 通過實時數據進行潮流計算， 分析與風電場有關的關鍵節點電壓問題。針對當地電網的運行方式， 提出了改善并網地區電壓質量的措施， 對投切電抗器和SVC 2 種無功補償方案進行計算并仿真了方案的可行性。在國內風機脫網的背景下， 分析了投切電抗器可能對同一并網點的風電場群產生影響。

0 引言

風電出力的隨機性和波動性以及在電網中風電比例的增高， 使風電對接入地區電網的影響將逐漸擴大， 大容量風電同時并網會造成接入變電站母線電壓質量急劇下降[1-2]。風速超過風機切出風速時，大量風電機組的切機使風電場有功出力瞬間下降，易造成系統有功不足，導致頻率波動。目前，風電機組大多不能進行持續有效的有功、無功調節，對電網電壓影響較大;同時大量的風電功率注入電網后，改變了電網潮流分布，對當地電網的運行調度、無功補償容量的配置以及電壓穩定性產生明顯的影響[3-4]，因此， 對含風電的系統在風機不同出力水平下的潮流計算具有重要意義。本文以接入新疆哈密地區電網末端的某風電場為例， 利用電力系統分析綜合程序對風電接入地區進行了潮流計算， 仿真研究了風電并網對接入地區電壓影響， 提出了改善并網點電壓質量的措施。

1 風電接入地區電網電壓分析

風電大規模的并網對接入點電壓造成顯著影響，主要表現在受風電場有功出力影響明顯，風電并網點母線電壓波動大，風機在故障期間不能為電網提供有效的無功功率支撐，電網的電壓穩定性降低[5]。

研究的馬蓮泉風電場容量為99 MW，以單回線接入地區電網末端， 裝機容量占日最大高峰負荷的20%左右。風電場出力通過101.86 km、110 kV 聯絡線并入當地巴里坤變電站。巴里坤變電站接入220 kV山北變電站。該地區電網接線圖如圖1 所示。運行數據顯示巴里坤地區電壓普遍偏高， 其母線最高電壓水平統計如表1 所示。

風電場位于電網的末端，遠離負荷中心，電網結構薄弱，基本為單放射狀，線路供電距離普遍較長，線路充電功率較大， 計算結果表明風電場至巴里坤變電站和黑眼泉變電站至巴里坤變電站線路容性無功功率達9.5 Mvar， 巴里坤變電站至馬場變電站線路容性無功功率達6.0 Mvar， 山北變電站至哈密變電站線路容性無功功率達22.0 Mvar;巴里坤變電站三相短路容量為615.7 MVA。運行數據顯示巴里坤變電站母線電壓在風電場有功出力小于58.0 MW時，風電接入地區電壓隨風電場出力的增加而升高，這主要是由于風電場并入電網后改變了該地區的潮流分布， 減小了馬場變電站至山北變電站及巴里坤變電站線路、哈密變電站至山北變電站線路的潮流。當風電場有功出力超過一定值時， 風電場所在地區由受端變成送端， 線路消耗的無功功率大于線路的充電功率，巴里坤變電站母線電壓有所降低。由此可知風電場有功出力的變化影響風電場接入地區無功分布和電壓水平， 風電場有功出力的隨機性導致了接入地區電壓的隨機波動[6]。在研究改善風電接入地區電網電壓時， 應充分考慮風電的運行特點及其對接入地區電壓的影響。

2 改善風電接入地區電網電壓質量的措施

該地區接入風電后，受其特性影響，電壓質量下降，因此迫切需要改善并網點地區電壓質量。

靜止無功補償器(SVC)是一種新型的快速、平滑動態無功補償裝置，由可控的電抗器和電容器組成，通過調節電容器或電抗器實現從容性到感性范圍平滑調節， 較之分組投切電容器或電抗器具有明顯優勢。本文按照電網無功功率就地平衡原則，分別就投入電抗器、SVC 這2 種方式進行比較分析。

3 算例分析

3.1 仿真模型的建立

(1)風速和機組等效。風電場由數量眾多的不同類型的機組構成，因此，必須對風電場風速和機組進行合理等效，以盡可能反映風電場實際模型。考慮風力發電機尾流效應[7]，并按照風電場機組出線方式進行分組風速等效。以風電場1 條匯流線路上6 臺風機為例，假定風機正風向第1 臺風機(G1)的風速(v1)為額定風速(13 m/s)，參照文獻[7]，則風機背風向G2~G6的風速(v2~v6)如表2 所示。

風電場處在同一均勻風帶上， 將此條匯流線上等效機(Geq)的風速(veq)為該等值機的額定風速;考慮不同風力發電機組類型的特性，采用文獻[8]風電機組等值方法， 將相同類型機組和集電線上的同等數量機組等值成1 臺風機， 則馬蓮泉風電場風機的16 回出線(共99 臺機)等值為4 臺風機(Geq1~Geq4)，等值容量分別為49.5 MW、27.0 MW、10.5 MW 和12.0 MW，Geq1~Geq4的等值額定風速(veq1~ veq4)分別為11.52 m/s、10.85 m/s、10.56 m/s 和10.19 m/s。風電場簡化等值示意如圖2 所示。

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(2)風力發電機母線節點處理。異步風力發電機在并網中向系統發出有功的同時還吸收無功來建立磁場，吸收無功的大小與有功功率(Pe)、機端電壓(U)、轉差(s)有關。目前，異步機的母線節點處理主要有PQ 模型、RX 模型、PZ 模型等。變速恒頻雙饋異步風力發電機由于實現了恒功率因數下的有功無功解耦控制，在實際運行中有功和無功是可控的。結合該風電場實際的無功曲線與功率因數曲線， 將風力發電機母線節點統一處理成PQ 模型。

3.2 不同電壓改進方案效果的仿

真(1)在巴里坤變電站投入電抗器。選取哈密地區電網4 種運行方式為例， 對巴里坤變電站母線投入電抗器，電抗器每組容量為4 Mvar，利用SCADA 實時數據，計算其母線電壓變化，如表3 所示。

由表3 看出，在巴里坤變電站投入電抗器后，各母線電壓質量可得到改善;風機有功出力不同，電抗器投入容量也不同。由于風電場出力的多變性，電抗器投入與退出容量難于及時準確確定， 在極端情況下，如果該風電場內線路出現故障，場內機組大面積脫網，風電場內補償裝置不能在第一時間退出，相當于在聯絡線末端并聯無功補償裝置， 巴里坤變電站電抗器組若不能及時調整，該地區將會嚴重過壓;如果還存在另外風電場在巴里坤變電站并網， 那么另外風電場機組過壓保護動作切除該風電場內機組，將連鎖造成大范圍的機組脫網。電抗器的投退具有階梯性，在實際中存在過量或欠補情況，僅靠電抗器難以達到理想結果。

(2)在巴里坤變電站母線加入SVC。SVC 具有在容性和感性范圍內動態調節電壓能力， 本文在風電場并網點巴里坤變電站母線投入SVC[9-10]，仿真在冬季最小、夏季最小、夏季最大方式機組50%出力下其投入SVC 后母線電壓變化曲線如圖3 所示。可以看出，SVC 投入后母線電壓得到改善。SVC 動態調整性較好， 在風電場并網處電壓波動較大的母線上投入SVC， 比固定電抗器投切具有明顯的優勢， 對改善風電并網處的母線電壓質量具有更加顯著的效果。

3 結語

(1)大規模的風電場并網將改變接入地區潮流分布， 對當地電網的電壓和電抗器投入容量都產生影響，在風電場不同的有功出力水平下，投入電抗器容量有所不同，通過投入電抗器，經計算能將節點電壓控制在合理的水平，分析得出在風電場運行時，應考慮風電場的有功出力水平進行動態無功補償。

(2)當風電接入點處投入SVC 時，接入點母線電壓得到改善。通過仿真曲線表明投入SVC 后，比傳統固定電容器和電抗器的投切具有明顯的優越性。

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