阳细斌

随着大批风电场的建设，风电机组在电网中所占比例越来越高。由于风力发电机组的可控性远弱于火力发电机组和水力发电机组，所以给电网带来了许多新的技术问题。我国风电场多建在薄弱电网，一定规模的风电场接入局部电网后势必带来电压稳定问题，影响电力系统稳定。针对风电场并入薄弱电网的电压稳定性问题进行分析研究，并进行仿真，从静态角度分析了影响风电场电压稳定的不同因索。

电压稳定性；风电场；短路容量

风力发电是一种清洁的可再生能源，可以改善能源结构，提高能源安全，积极应对气候变化，为经济和社会发展带来显著的效益。中国风能资源较为丰富的地方往往地处偏僻，位于电网末端，远离负荷中心，电网较弱，电压不稳定。由于风能具有随机性和间歇性的特点，随着风电装机容量及在电网中所占比例的增加，给电网的安全、稳定运行带来重大的影响，因此，如何维持系统的稳定性是亟需分析和解决的问题。

1.风电场并网运行引起的电压波动和闪变

风电场并网运行除了产生谐波之外，还会引起电网电压波动和闪变，根本原因是并网风电机组输出功率的波动，下面将分析并网风电机组输出功率波动引起电压波动和闪变的机理。

图1为风电机组并网示意图，其中为风电机组出口电压相量；为电网电压相量；分别为线路电阻和电抗；，分别为线路上流动的有功功率电流和无功功率电流相量。一般而言，有功功率电流要远大于无功功率电流。

由图lb)可见，是造成电压降落的主要原因，与垂直，造成的电压降落可以忽略不计。由图l c)可见，是造成电压降落的主要原因，与垂直，造成的电压降落可以忽略不计。所以有功功率电流和无功功率电流都会造成明显的电压降落，分别为和。当并网风电机组的输出功率波动时，有功功率电流和无功功率电流随之变化，从而引起电网电压波动和闪变。

影响风电机组输出功率的因素很多，其中风速是主要因素。风电机组的机械功率可以表示为 （1）

式中：为功率；为空气密度；为叶片扫风面积；为风速；为功率系数，表示风电机组利用风能的效率，它是叶尖速比和桨距角的函数。叶尖速比定义为（2）

式中为叶轮转速，为叶轮半径。

由式(1)和式(2)可见，空气密度、叶轮转速、桨距角和风速的变化都将对风电机组的输出功率产生影响。风速的变化是由自然条件决定的，随机性比较强，且功率与风速的三次方近似呈正比，因此当风速快速变化时，并网风电机组的输出功率将随之快速变化。叶轮转速和桨距角的变化由风电机组类型和控制系统决定，龙高山风电场的风机为变速、变桨距风机，风机的输出功率受风速影响较大。

此外，在并网风电机组持续运行过程中，由于受塔影效应、偏航误差和风剪切等因素的影响，风电机组在叶轮旋转一周的过程中产生的转矩不稳定，而转矩波动也将造成风电机组输出功率的波动，并且这些波动随湍流强度的增加而增加。并网风电机组不仅在持续运行过程中产生电压波动和闪变，而且在启动、停止和发电机切换过程中也会产生电压波动和闪变。典型的切换操作包括风电机组启动、停止和发电机切换，其中发电机切换仅适用于多台发电机或多绕组发电机的风电机组。这些切换操作引起功率波动，并进一步引起风电机组端点及其他相邻节点的电压波动和闪变。

2.风电场电压稳定性分析

当风电场连接到一个薄弱电网时，风速的波动会引起风机的无功功率和有功功率的波动，造成电压波动（见图2)，当进行模拟仿真时给定风速是一个类似不规则变化的噪音风的模型时，输出的结果会发现实际输出功率会随着风速的波动而波动，机端电压也会波动，但其波动方向与风速和输出功率的波动方向相反。

风电场接入点负载能力的强弱。风电场接人点负载能力的强弱可用风电场接人点的短路容量来表征。国内外的学者和工程技术人员通常采用短路容量比来表征电力系统中风力发电规模的大小，以此作为计算分析和进行评价的依据。风电场短路容量比等于风电场额定容量对风电场与电力系统连接点PCC的短路容量SCC(Short Circuit Capacity)的比值。

短路容量比是电压稳定问题的研究中经常使用的一个概念。PCC一般是指风电场变电站的高压侧节点。短路容量表示网络结构的强弱，反映了该节点的电压对风电注人功率变化的敏感程度，短路容量大说明该节点与系统电源点的电气距离小，联系紧密。因此短路容量比决定了该网络承受风电扰动的能力，风电场短路容量比小表明系统承受风电扰动的能力强。

联络线参数刀的影响。联络线上的电压降落近似为

≈（3）

式中：为风电场输出的有功和无功功率，>0，<0；为联络线的阻抗参数；为风电场端电压。

由此可见，当风电场向系统输送有功功率时，在输电线的电阻上产生使风电场端电压上升的电压分量，而风电场从系统吸收的无功功率，在输电线的电抗上产生使风电场端电压下降的分量。

因此，联络线的阻抗参数对风电场的功率电压特性有很大的影响。

由上分析，可知风电场端电压的稳定性和短路容量比和联络线参数有一定的关系。为了证实上述分析，用PSCAD针对上述2种情况并且从静态的角度进行模拟仿真，以期得到2种参数对电压稳定性影响的定性的结论。

3.风场电压稳定性的静态仿真分析

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图3为风电场接在配电网的末端，通过双回输电线与电网相连。风电场接人末端电网，改变了局部地区的潮流分布和电压水平。因为重点观察风电功率注入对局部电网电压的影响，所以将变压器110kV以上电压等级的外部系统简化为等值电源与等值阻抗。

稳定风速在8m/s时，取无功补偿电容=0.3时风电场端电压初值为1.0，改变不同参数进行仿真。

A.短路容量比K的影响

电网中的短路容量或功率等于该点三相短路电流与额定电压的乘积。如果短路电流用kA表示，相间电压用kV表示，则短路容量MVA。短路容量比K是指在确定接入风电场的装机容量时，通常采用基于耦合点的短路容量，用风电机的装机容量与连接点的短路容量之比表示短路容量比。在图3所示的系统中，等效电源电压的高低将影响系统节点的电压水平，因此对节点的短路容量有很大影响。令电源电压取不同值时，将计算出不同的短路容量比。因此可以通过调节等效电压源的容量大小来等效改变短路容量比。从=1.0时，电压源代表无穷大系统。

保持联络线不变，在表2所示不同短路容量比情况下进行仿真，得到的波形见图4。

表2和短路比对应表

图4所示当风电场连接到一个无穷大系统时，机端电压会基木维持在1.0。当短路容量比从5％~30％的不断增大可以看到，电压会慢慢震荡下降，当到达30%时电压稳定性会完全丧失。由此可以看出短路容量比与风电场电压的波动密切相关。为了保证机端电压质量，风电场的装机容量不能超过耦合点短路容量的某一百分值。根据我国电网情况短路容量比一般不超过10％。

图4机端电压水平随短路容 图5机端电压水平随传输线量比变化曲线图 阻抗比变化曲线图

B.联络线的影响

保持短路容量不变，使＝1.0。风电场接入处于电网末端的传输线的阻抗比刀的值在2~6之间改变，从仿真结果看，如图5所示，当的值增加时，风电场电压会下降，电压稳定性也相应的降低。

4.结论

风电的快速发展和大规模接入电网赋予了电力系统电压稳定新的研究内容。不同的系统面临的电压稳定问题可能有较大的差异，即使同一个电力系统，不同的发展时期，网架结构的差异、负荷特性的差异以及风电接入容量的差异均使系统的电压稳定问题变得不同，需要区别对待和解决。

为了风电接入系统后的电压稳定应选择技术性能好的风机、尽可能地将风电场分散接入系统。另外，还应深入研究风机建模和进行风电接入系统后的长过程仿真。

[1]高景德，李法海．交流电机及其系统的分析[M]北京：清华大学出版社.1993

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