赵爽
（龙源呼伦贝尔风力发电有限公司 内蒙古呼伦贝尔 022100）
摘要：风能作为一种清洁、可再生的能源，得到迅速发展。随着大规模风电机组并网接入电力系统，会给电网的电能质量、稳定运行带来影响，研究风电机组接入电力系统的稳定性问题迫在眉睫。电压稳定性是电力系统在正常情况下或遭受扰动之后所有节点维持可接受电压的能力。当系统受到扰动而进入电压不稳定状态时，负荷需求的增加或系统状态的变化将引起电压不可控的连续下降。引起电压失稳的主要因素是电力系统无功功率的严重不足。本文分析了常用风电机组并网运行时的无功与电压的相关内容。
关键词：风电机组；并网运行；无功；电压；
作为风电场的基本组成单元，单台风电机组的运行特性及其控制模式对整个风电场的稳态和动态行为都将产生重大影响。在风电场设计规划阶段选购风电机组时，既要考虑不同风电机组的运行特性及经济性，又要考虑机组选型对本地电网稳定运行的影响。
一、常用风电机组稳定性分析
风电机组控制方式有恒功率因数控制和恒电压控制两种。当按恒功率控制时，即风电机组的电导和电纳随端电压变化而变化;当按恒电压控制时，风电机组的电导和电纳随功率因数的变化而变化。对于风电机组的动态仿真，需要研究风电机组的特性。例如，变速恒频风电机组通过变频器与电网相连，电力电子元件对过电流非常敏感，当电网故障时，变频器的控制器会立即发现，为了保护变频器，变速风机会与电网分裂，从而引起大范围的电压降落，甚至会影响到整个系统。为此，根据国家电网公司风电场接入电网技术规定，风电场低电压穿越要求为:风电场内的风电机组具有在并网点电压跌落至20%额定电压时能够保持并网运行 625ms的低电压穿越能力。
二、风电机组接入系统后的无功和电压分析
1.定速风电机组。定速风电机组在运行过程中需要吸收一定的无功功率，因此为保证其并网运行时不会对系统潮流产生较大影响，同时也为保证风电机组自身的稳定运行，一般情况下需要在风电场升压变低压侧接入一定容量的电容器以补偿机组运行时的无功消耗。假定2 号风电场停运，当1 号风电场出力变化时，其机端电压和1号变电站66kV侧的电压都呈现出先逐渐增大又逐渐减小的趋势。当1号风电场出力大于75%时，这2 条母线的电压均低于1.0pu，而风电场满发时其电压更低，分别为0.93pu 和0.87pu，超出了所要求的电压限值。（计算过程如图1所示），这是因为1 号风电场的机组均为恒速风电机组，并网运行时需要从系统吸收一定的无功功率，并且不同出力对应的功率因数不同，出力较大时吸收无功较多，因此造成相关节点的电压偏低。为保证风电场的正常运行，需要进行相应的无功补偿，本文采取了在1 号风电场升压变低压侧补偿8Mvar 电容器的措施，当风电场有功输出超过75%时投入该电容器，在采取补偿措施后，风电场满发时其机端电压和1号变电站66kV侧的电压分别为1.015pu和0.982pu，仍然在标准允许的范围内，能够保证风电场的稳定运行。实际上，如果装机容量较大的风电场安装使用的是定速风电机组，则当风速快速变化时有可能出现不能及时跟踪调节自动投切电容器组的现象，因此在必要时可以安装具有快速调节能力静止无功补偿器。
（图1）
2.变速风电机组。装配双馈感应电机的变速风电机组具有恒功率因数控制和恒电压控制2种模式，以V52-850kW型风电机组为例计算恒功率因数控制模式下系统的潮流，该机组的功率因数变化范围为-0.95~0.98，在风电场设计规划阶段可以根据实际电网状况选择功率因数范围。（计算过程如图2所示），此处取风电机组的功率因数为1，即机组与电网之间没有无功交换。假设1号风电场满发，2号风电场采用恒功率因数控制模式的变速风电机组，装机容量为30MW。由于1号和2号风电场电气距离较近，后者的运行对前者影响较大。为保证风电场接入后相关节点的电压能够维持在较合理的水平，需要采取适当的无功补偿措施调整无功，经计算比较在2号风电场升压变低压侧安装了12Mvar的并联电抗器，补偿后各节点电压在风电场所有可能出力情况下的最大值和最小值都能保持在允许范围内。使用恒功率因数控制的变速风电机组的风电场需要根据具体情况安排无功补偿，当风速或系统运行方式发生变化时将引起风电场母线的电压波动，简单地投切固定电抗器不能使电压维持在允许范围内的。采用恒电压控制的变速风电机组的功率因数在一定范围内可调，当风速变化时能保持风电机组输出端电压在一定范围波动，电压控制功能取决于机组可输出的无功功率范围(即机组的无功极限)。为了更清楚地展现恒电压控制的效果，将2号风电场的装机容量增大到200MW，采用恒电压控制后即使不进行无功补偿，风电场并网运行后的电网电压仍可以控制在比较合理的范围内，且风速变化时机组也能维持其机端电压在允许的范围内，这主要得益于恒电压控制机组的无功调节特性。当机组出力变化时风电场的功率因数变化范围为0.991~0.998，在不同的有功输出下风电场将吸收一定的无功功率，在某些情况下风电场还可能向电网提供一定的无功功率。因此，恒电压控制的变速风电机组相比较而言具有较大的优势。
（图2）
随着风电场装机容量的不断扩大，风电场对电网的无功和电压的影响将越来越明显。为保证风电场及其所接入电网的稳定运行，有必要对风电场接入时的无功和电压进行详细计算分析，并同时考虑所选用机组类型的控制特性。本文对不同风电机组接入电网时所引起的无功和电压的变化进行了计算分析，下一步将着重研究不同类型的风电机组接入电网时对系统的暂态稳定性、电能质量及运行调度等方面的影响。
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论文作者:赵爽
论文发表刊物:《电力设备》2016年第9期
论文发表时间:2016/7/1
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