吴丽娜，邵龙，秦召磊，刘观起

（1.华北电力大学电气与电子工程学院，河北保定 071003；2.国家电网山西省电力公司计量中心山西 太原 030002）

自20世纪70年代以来，世界各国的电压崩溃事故发生频率不断上升，给国家和人民造成了巨大的经济损失，电压稳定问题开始受到广泛关注。电压稳定根据研究过程不同，可分为静态电压稳定，暂态电压稳定和动态电压稳定。其中，静态电压稳定能够较好地反映系统的电压水平，且计算量较小，是整个系统电压稳定性的基础和前提[1]。深入研究系统的静态电压稳定性可为电压稳定的后续研究奠定良好的基础。

随着风电的不断发展，风电并网容量的不断增加，大规模风电并网给电力系统带来了很多新问题。风电输出功率的随机性和波动性使得电网的安全稳定运行受到严重威胁，因此对大规模风电并网的静态电压稳定性进行研究具有十分重要的意义。文献[2-4]通过理论分析和仿真验证，研究了不同类型风电场并网对电压稳定性的影响。文献[5]利用戴维南等效理论和两点潮流计算法，对预测负荷的临界电压和临界功率做出快速预测，得出PV曲线以及VQ曲线，进而研究系统的电压稳定性。

文中以国内某一风电并网容量很大的实际电网为研究对象，对大规模风电接入电网后的静态电压稳定性进行分析研究。通过电力系统分析综合程序（PSASP）软件搭建模型，并进行仿真，计算该电网在接入风电场以及不接入风电场两种情况下的静态电压稳定裕度和静态储备系数，并对在电压薄弱环节配置无功补偿设备、提高风力机机端电压两种措施对系统静态电压稳定性的影响进行仿真分析。

1 PV曲线

电压失稳一般发生在系统最大传输功率点附近。在临界点附近，如果负荷有一个较小的增量，系统电压便会急剧下降，导致电压失稳。PV曲线分析法是静态电压稳定性分析中一种重要的分析方法[6]。在PV曲线中，P表示某区域的总负荷，U表示关键母线或节点的电压。根据系统中各节点的PV曲线，可以得到关于电压稳定性的两个重要参量：临界电压和极限功率[7]。这两个参量可用来计算系统的电压稳定裕度，判断各节点电压稳定性的好坏。

2 静态电压稳定性的分析指标

迄今为止，研究人员从不同角度提出了多种静态电压稳定性的分析指标，总体上可分成状态指标和裕度指标两类[8]。相对于状态指标而言，裕度指标能够针对系统当前运行点到电压崩溃点距离的量度，给运行人员提供一个较为直观的表示，且系统运行点到电压崩溃点的距离与裕度指标的大小呈线性关系。因此，电压稳定裕度指标分析方法受到了广泛的重视。PV曲线的拐点为稳定运行的临界点，根据PV曲线可求得电压稳定裕度，计算公式如下：

式中，Pmax为静态电压稳定的功率极限值；P0为当前运行点所对应的负荷功率；Pmargin为电压稳定裕度值[9]。

根据电压稳定裕度，可进一步求得静态储备系数KP，即：

3 仿真分析

3.1 仿真系统描述

本文以国内某城市电网A为例，分析大规模风电接入电网对静态电压稳定性的影响。在电网A中，35 kV以上变电站总计40座，主变一共76台，总容量5715.5 MV·A，其中500 kV变电站两座，主变4台，总容量为3000 MV·A，220 kV变电站主变26台，总容量为2646 MV·A，有载调压变压器22台；66 kV变电站主变46台，总容量1569.5 MV·A，有载调压变压器39台。

220 kV线路67回，总长度2790.03 km，最长193.49 km，最短2.988 km；66 kV线路205回，总长度4012.0739 km，最长126.758 km，最短0.83 km。

火电厂11座，总容量 4521 MW。水电厂2座，总容量23.3 MW。风电场25座，总容量3584 MW。电网A的接线图如图1所示，图中相应线路和变压器的参数参见表1—表3。

3.2 电压稳定裕度计算

计及风电场时，对实际电网A在PSASP中搭建模型，设定系统中负荷逐渐增加，各个风电场均不切出，通过计算得出系统中各个节点的PV曲线。由于节点数目较多，这里不作罗列。

该电网A的有功负荷为2725 MW，在PSASP中的电压稳定计算作业中，将常规潮流方法设置为“牛顿功率法”，病态潮流方法设置为“按过渡方式修正法”，步长设置为0.01，执行计算作业，得出该电网的临界点对应的功率极限值为4015 MW。根据式（1），得出电压稳定裕度值为：

根据式（2），得出系统静态储备系数为47.3%。

当不计及风电场时，假定该电网未接入风电场，其他条件均与计及风电场时一样，电网A的有功负荷仍为2725 MW，电网的发电机数据组中除去所有风力发电机，再次运行电压稳定计算作业，得出该电网的功率极限值为3898 MW，电压稳定裕度值为1173 MW，系统静态储备系数为43%。

表1 线路参数Tab.1 Line parameters

由上述计算可知，该电网接入风电场后，其电压稳定裕度比未接入风电场时略高，系统静态储备系数也略大，表明接入风电场以后，电网的静态电压稳定性变好。其原因是由于该地区风电场容量较大，且都采用了双馈型风力发电机组，基本不需要从电网吸收无功，在风电并网后，可以为电网提供一定的有功甚至是无功功率，对系统的电压稳定性形成有力的支撑。所以当风电大规模并网时，能够提高系统的静态电压稳定性。

3.3 无功补偿设备对静态电压稳定性的影响

根据电压稳定裕度的计算结果，在接入风电场时，该系统的电压稳定裕度为1290 MW。随着负荷的增加，宝龙山（BLS）与开鲁（KL）两个变电站电压下降幅度最大，这两个点即被认为是该地区电压稳定性最差的两个点。

考虑到电压稳定性的降低主要是由于局部无功不足造成的，所以配备无功电源是改善静态电压稳定性的重要方法。为了研究无功补偿装置对静态电压稳定性的影响，在这两个电压稳定性最差的节点装设一定容量的固定无功补偿设备，再对其电压稳定性进行分析，进一步探讨无功补偿装置对电压稳定性的影响。

在BLS、KL两个节点分别装设30 Mvar、50 Mvar、80 Mvar的固定无功补偿设备，得出配备了无功设备之后这两个节点的PV曲线，分别如图2、3、4所示。

可见，在加装了固定无功补偿设备后，这两个节点的静态电压稳定性都有了一定的提高，而且配备的无功设备容量越大，电压稳定性提高越明显。

在这两个节点安装无功设备，对该电网的无功裕度也有一定的提升。通过计算表明，在两个节点安装30 Mvar的固定无功设备后，该电网的无功裕度

图2 配备30 M var固定补偿装置的PV曲线Fig.2 PV curves w ith 30 M var fixedcompensation device

图3 配备50 M var固定补偿装置的PV曲线Fig.3 PV curves w ith 50 M var fixed compensation device

图4 配备80 M var固定补偿装置的PV曲线Fig.4 PV curves with 80 M var fixed compensation device

从原来的1290 MW升高到1332 MW，提高了42 MW；安装50 Mvar的固定无功设备后，无功裕度从原来的1290 MW升高到1408 MW，提高了118 MW；安装80 Mvar的固定无功设备后，无功裕度从原来的1290 MW升高到1489 MW，提高了199 MW。由此可以看出，配备的无功设备容量越大，电压无功裕度提升越大。

3.4 提高机端电压对静态电压稳定性的影响

由之前的计算可知，在接入风电场之后，电网A的静态电压稳定裕度为1290 MW。为了评估提高风力发电机的机端电压对静态电压稳定的影响，仍然选取了开鲁变电站和宝龙山变电站进行研究。

开鲁变电站共接有5个风电场，将这5个风电场中的所有风电机组的机端电压分别升高0.02 pu和0.05 pu，以此来提高风力发电机输出的有功与无功功率，并研究其对系统电压稳定性的影响。开鲁变电站的PV曲线如图5所示。

图5 提高机端电压后开鲁变电站PV曲线Fig.5 PV curves of KL Substation after im proving the term inal voltage

机端电压提高0.02 pu时，经过计算可得，该电网的电压稳定裕度从1290 MW提高到1342 MW，提高了52 MW。机端电压提高0.05 pu时，电压稳定裕度从1290 MW提高到1457 MW，提高了167 MW。

宝龙山变电站共接有4个风电场，将这4个风电场中的所有机组的机端电压分别升高0.02 pu和0.05 pu，并研究其对系统电压稳定性的影响。宝龙山变电站的PV曲线如图6所示。

机端电压提高0.02 pu时，经过计算可得，该电网的电压稳定裕度从1290 MW提高到1337 MW，提高了47 MW。机端电压提高0.05 pu时，电压稳定裕度从1290 MW提高到1431 MW，提高了141 MW。

通过上面的分析可知，提高风电机组机端电压可以改善电网的静态电压稳定性。其原因是提高了机端电压，既增大了发电机输出的有功功率，有力支撑了电网的电压稳定性，还增大了无功功率的输出，使得风力机不需要从外界吸收无功功率，甚至可以向电网提供一定的无功，所以提高机端电压可以有效提高电网的静态电压稳定性。

图6 提高机端电压后宝龙山变电站PV曲线Fig.6 PV curves of BLS Substation after im proving the term inal voltage

4 结论

文中采用电力系统分析综合程序（PSASP）建立了国内某实际电网A的模型，并分析了该电网在接入风电场时与不接入风电场时的静态电压稳定性，研究了在系统中薄弱环节配置无功补偿设备、改变风力机机端电压两种措施对电网静态电压稳定性的影响。最终得出结论：风电并网后，电网的静态电压稳定裕度以及静态储备系数均有所提高，即风电并网能够提高系统的静态电压稳定性；在系统中装设无功补偿设备、提高风力发电机的机端电压两种措施均可以有效地提高系统的无功裕度，改善系统的静态电压稳定性。

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