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风电场并入末端电网稳定性分析 2012/04/17 08:07:49 来源：中国风力发电网 我要投稿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。 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 风电机组并网示意图　　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lc)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：P为功率；为空气密度；A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，R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3 )，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。　　图2 风电系统中的风电场端电压和输出功率随风速波动图　　A.影响电压稳定性的重要因素分析　　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，；　　、X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 R 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