电力系统运行方式对风电验收的影响

南京师范大学电气与自动化工程学院 何明远

中国作为能源大国，拥有非常丰富的风能、太阳能等绿色可再生能源，并在各个领域得到广泛应用，有效推动着中国经济的发展。基于这一背景，相关部门需要高度重视风力发电技术的开发与利用，明确影响风力发电稳定性的各项因素，然后采取有效措施，对风电并网技术进行充分利用，并强化电能控制工作，不断增强风力发电的稳定性，有效提升风电能源的质量，以此来进一步优化调整中国的能源结构。

风力发电有很多优点，如清洁、无污染、经济等，广泛运用于生活的方方面面，并缓解我国利用煤炭发电的主要发电方式，且取得一定的成效。2019年全球新增风电装机量超过60GW，比2018年增长19%，总装机容量达到650GW，比2018年增长10%。

美国宇航局喷气推进实验室首席技术专家Paul Dimotakis 表示，风能有可能提供世界未来能源的10%～15%。如果利用风力强的海洋区域来获取风能，每平方米可能会收获高达500～800瓦的风能，美国风能2050年将达到35%。但是风力发电机的缺点是相当明显的。风能波动是风电场运行中常见的在风电场运行中经常发生。风速如果波动大，高波动性将使输出功率不稳定。而并网的风电场可能对电力系统构成挑战。虽说并网风电场可能对电力系统构成挑战，但对风电场并网的研究越来越重要，风力发电的接受程度也越来越高。

为了评估风力发电的接受能力，对节点电压的研究很重要。为了评估风电的接受能力，研究由风电注入引起的节点电压变化非常重要。风电注入引起的节点电压变化。在研究中，避免线路功率过载和节点电压下降是必要的。节点的电压下降是必要的。异常的电压风力涡轮机的异常电压可能导致异常停机和损失发电。因此，由风电注入引起的电压变化是风电场建设的首要考虑因素。风力发电站的建设最初评估方法很复杂，譬如说限制因素法主要是通过考虑频率、风力发电机组的瞬时变化来确定风力发电的接受度，考虑频率、风机瞬态稳定性、准稳态和静态稳定性作为约束条件。

数学优化方法是构建一个优化模型来估计系统允许的最大风功率；数值模拟是指数值仿真是在仿真平台上建立一个模型，通过更改风力发电量，来计算允许的最大通过改变风力发电量来计算允许的最大风力发电量风力发电的输出；工程方法是通过历史经验估计电网的风力发电接受能力通过历史经验。本文考虑了电力系统的运行模式，然后可通过利用率流的组合来评估风力发电的接受能力。

1 影响因素

传统发电模式主要将热能转变为电能，但在能量转变过程中对环境造成了严重的破坏，而且污染处理成本较高。风力资源为绿色可再生资源，其在转变电能过程中不会产生任何污染物质，切实实现绿色环保目标，实现我国经济绿色可持续发展。现阶段我国重视风能资源的开发，风力发电厂规模不断扩大，风力发电量逐渐增加，满足人们的用电需求。

为了推进风力发电的快速发展，应重视风电并网技术的发展，实现离网型风电形式优势充分发挥的目的。相比较于传统火力发电风力发电技术具有众多优势，主要包含施工周期较短、占地面积较少、污染物排放较少，对推动智能化电网管理有积极意义。风力发电并网技术可实现电能的充分利用，并提高洁净能源的运用价值。许多因素会直接或间接的影响风力发电的接受程度[1]。

PCC 的负载能力负载能力通常可通过短路能力来反映能力来反映。短路容量表示PCC 的能力受到干扰的能力。短路容量越高节点的电压就越敏感；风电场与电网的连接是指连接线的阻抗、连接线的长度、电压水平等。不同的连接会导致不同的潮流分布，这将影响风功率的接受度；风力涡轮机类型。SCAG 必须从电网中吸收大量的无功功率来建立其磁场，这对电网的电压稳定性是一个巨大的挑战。与SCAG 相比DFAG 有很多优点，如对风能的浪费少、电能质量好等。

电网中其他发电设备的调节。由于风力发电的限制，电力可能会出现波动和不稳定。它需要一定量的旋转储备能力，以避免因风力突然下降而导致的频率下降。电网中其他设备的调节能力越强，它们就越能抵抗风能引起的系统频率和电压波动；区域负荷特性。负荷的大小和功率因数将对当地的功率流分布产生重要影响。从而影响对风电的接受程度。此外，负载的质量要求和负荷功率的质量要求也会限制对风电的接受。尽管影响风电容量的原因有很多，但本文主要讨论的是系统运作模式的变化对风电接受能力的影响。

2 风力发电量估算方法

电压和频率是电力系统运行中的两个核心问题，它们都必须保持在适应的范围内，以满足用户的要求。风力发电站对电力流有重大影响，对当地电网的电压水平和稳定性有很大影响。许多研究表明，风力发电的主要因素是电压。因此本文将功率流分析方法和工程方法结合起来，分析风力发电的适应性。利用功率流计算，风力发电量是指当节点的电压即将超过极限时的风力发电量，然后利用PCC 的短路容量比来验证风功率接受度。在本文中，短路容量比不应该大于25%，过高的短路容量比意味着系统的承受能力较差。

带有DFAG 的系统的功率流计算：计算带有DFAG 的电力系统的功率流有三个步骤：第一步是确定发电机控制模式的运行，即恒定电压或恒定功率因素；第二步是将几台发电机合并为一台，这意味着总功率是每台发电机的总和；第三步是使用数学迭代方法计算趋势(Newton-Raphson 方法)。

验证风力发电的工程方法：验收短路容量的大小是判断母线电力强度的一个直接指标。它表明母线与电源的连接是否紧密。短路容量越大，风电场与系统之间的电气距离就越短，电力系统就越能承受更多的风力干扰。PCC 的短路容量反映了电压对风力注入的敏感性，风场短路容量比K 定义为风电场额定容量与PCC 短路容量的比率[1]。K 值可反映出当地电网的风力发电能力，也可反映当地电网对风力干扰的承受能力。同时K 值也与电压稳定性有关。

在研究中，使用K 值来验证风功率。如果计算出的K 值小于25%，则该结果为合格。K=Pwind/Ssc，Pwind 为风电场额定容量，Ssc 为PCC 短路能力，Ssc＊=1/Zk＊，Ssc=SBSsc＊，Zk＊是短路阻抗的单位值，Ssc＊是PCC 短路容量的单位值，SB是参考容量、为100MVA。

3 案例研究

3.1 本地电网概述

建立了一个本地电网模型如图1所示。

图1 当地电网

风电场接入10kV 配电网。节点B1和B2的额定电压为110kV，节点B3和B4的额定电压为10kV。节点B5的额定电压为690V。B1节点连接到无限大系统，B1的电压是电源电压、表示为Us；B1和B2之间的线路代表传输线，B2和B3之间的设备是一个变压器；B3的负荷为60+j24MVA，B3和B4之间的线路表示风电场和配电网的联络线；节点B4是风电场的接入点（PCC）。在B4和B5节点有一个风电场的变压器；B5被连接到几个DFAG，一个DFAG的额定容量为2MW，切入和切出风速为5m/s 和25m/s。切入风速为5米/秒，切出风速为25米/秒。它在恒定功率因数下运行、即0.95。该模型的参考容量为100MVA。

3.2 电源电压对风力发电的影响

国标要求允许的电压偏差为是690 V，+5%～10%；10kV，+7%～7%。本文分析了运行模式对风力发电验收的影响。电源电压直接影响到五个节点的电压，所以电源电压对风电接受能力有很大影响。对电源电压的分析是1.05、1.03、1.02、1，分析了电源电压的变化曲线。风力发电站的电压变化曲线如图2所示。

图2 不同电源电压下风电场终端电压的变化(正常负荷)

根据图2，不同功率下的最大允许容量在不同的电源电压下，风力发电的最大允许容量（风力发电接受量）见表1。表1显示了不同电源电压下的最大允许风电容量（风电接受量）。表1显示，在不同的电源电压下，整个当地电网的电压随着升压而降低。在不同的电源电压下接受的风功率负载下的风电接受能力（正常负载）。当电源电压为1.05时风力发电的接受能力最强。当电源电压为1.0时风电接受能力最弱。电源电压越高风力发电的接受程度就越高。

表1 在不同电源电压下的风力接受能力（正常负载）

3.3 负荷大小对风力发电接受度的影响

负荷大小对风力发电接受度的影响图3显示，当负荷降低50%时，风电场电压和当地电网电压随着风电输出的增加而降低。负荷减少50%时，风电场的电压和当地电网的电压都在下降。表2显示，整个当地电网的电压随着风电场输出的提升而降低。

图3 不同电源电压下风电场终端电压的变化（负荷减少50%）

表2 在不同的电源电压下接受的风力发电量 电源电压(负载减半)

图4是比较正常负载情况和电源电压为1.03时的正常负载情况。当电源电压为1.03时，风电场在不同负荷水平下的电压曲线随风电场输出功率的变化而变化。当负荷降低50%时，风电场的接受能力增强。原因是：当负载较小时，各节点的电压水平的时候每个节点的电压水平都很高，负载的DFAG 相对较小。超限电压出现得比较晚，所以最大风力发电量变得更大。

图4 当电源电压为1.03时，风电场的电压曲线随风电场的输出功率变化而变化

3.4 利用风电场验证风力发电的验收

风电场短路容量比K 被定义为风电场额定容量与PCC 短路容量的比率。K 值可反映当地电网抵御风力干扰的能力。同时K 值也与电压稳定性有关，由于整个系统的电阻比较小，所以电阻值被忽略了。表3和表4是不同情况下的K 值。

表3 正常负载下的K 值

表4 50%正常载荷下的K 值

从表3和表4中可看出，当负荷减少一半时风电场的短路率为零。负荷减少一半时，风电场的短路容量较大。K 值都小于5%，这说明当地电网抵抗风力干扰的能力很强。

综上，本文首先讨论了影响风力发电的因素，如PCC 负荷能力、风电场和电网连接、风机类等，风力发电机组类型等。然后确定了研究风电接受度的方法，即结合功率流计算方法和工程方法。分析了系统运行模式的变化对风电接受能力的影响，最后风电场短路容量K 被用来验证风力发电量。稳态分析结果表明，对本地电网来说，较高的供电电压和负荷的减少会导致增强风力发电的接受能力。