摘要：在风电场规划阶段，为研究地区电网允许接入风电场的最大容量，静态电压稳定性，在DIgSILENT软件中，绘制关键节点的PV曲线，分析了不同功率因数下电网的电压稳定性。以洋前风电场接入湛江电网为例，通过仿真得到了洋前风电场接入的最大容量。仿真结果可以为风电场规划提供一定的指导。
关键词：风力发电机，潮流分析，风电场规划，PV曲线，静态稳定
O 引言
当 前，风电作为绿色环保的可再生能源，在国家能源政策的扶持下获得了飞速发展，然而风电固有的随机波动性使其接入电网后会带来一系列影响。风电场一般就近接 入附近的配电网，接入点位置单一，配电网位于电网末端，网架结构比较薄弱。由于风电场容量在电网总装机中的比例较小，对电网频率的影响甚微[1]。 对于含异步发电机的风电场，由于靠电网电压来建立磁场，在发出有功功率的同时，需要吸收电网的无功功率，具有天然的因无功缺失导致节点电压降低的倾向。对 于含双馈电机的风电场，在发出有功无功功率时，风电场两级变压器和输电线路消耗的无功功率是导致无功功率不平衡，线路电阻、电抗与功率是电压变化的直接原 因[2]，因此，风电场接入后主要影响电网的电压稳定性。
目前研究风电场接入系统后对电压的影响主要从稳态潮流法入手，在潮流计算中，风电场一般等值为一台机，作为PQ节点参与潮流计算[4]～[7]。文献[8]提出采用静态PV曲线法来确定满足系统安全的风电场功率，这是一种工程实用的方法，也是现阶段的主流方法。文献[9]基于普通异步发电机和双馈风力发电机数学模型对风电场接入系统的静态电压进行分析，绘制了关键节点的PV曲线，得出了系统弱节点处的静态电压极限值较低，由双馈风电机组构成的风电场的静态电压较由普通异步风电机组构成的风电场更稳定的结论。
本文以洋前风电场接入湛江市电网为例，在DIgSILENT软件中，采用PV曲线和静态仿真的方法，研究含双馈电机DFIG的风电场接入容量及其接入后对系统潮流、静态电压稳定的影响，并提出相应的改善措施。以此作为研究依托，得出一些具有建设指导性的结论，以期能够给广东电网未来大规模风电接入提供指导性的建议。
1 双馈电机/风电场建模
基于DFIG能够实现有功、无功的解耦控制，通过采取适当的控制策略，能够保证DFIG工作在单位功率因数工作状态，即风电场出口处的无功功率为零。相比于其他类型的风机，DFIG基本不消耗无功功率，其电压稳定性较好。双馈型风电场接入电网的等效电路如图1所示。
图1 风电场接入电网等效电路图
Fig. 1 Equivalent circuit of wind farm integrated into grid
图1中：Sfarm，Sgrid分别为风电场、等效电网侧的视在功率；，
分别为风电场、等效电网侧的电压；
为风电场与等效电网联络线上的电流；R，X，B/2分别为线路上的等效电阻、电抗、电纳。
在该等效电路中，由于风电机组工作在单位功率因数状态，所以风电场出口处不存在无功功率交换，即Sfarm=Pfarm+j0。在理想情况下，当风场向电网输出有功功率时，电网侧向风场方向输送的无功功率仅包含线路无功损耗，若向电网输出无功功率为正，则Qgrid＜0。设电网侧电压为参考电压，即=1∠0°，线路阻抗Z=R+jX，等效电网与风电场之间的线路电压降落为
Sgrid*=Pgrid+jQgrid (2)
最终化简为
线路电压降落的纵分量：
线路电压降落的横分量：
在实际分析中，往往可以忽略线路压降的横分量δU，则：
考虑电力网络中XR，则近似认为QgridX
PgridR，当风电场正常出力时，对应的Qgrid＜0，显然风电场的机端电压
＜
，机端电压较电网电压有所下降。
风电场出力时，线路上的无功损耗可分为电纳上的无功损耗ΔQB/2和电抗上的无功损耗ΔQL。风场侧无功损耗为；电网侧的无功损耗为
；线路上的无功损耗为
。可见，随着风电场出力增加，线路充电功率ΔQB/2下降，线路损耗ΔQL上升。因此风场出力较高时，电网需向风电场方向输送更高的无功功率，线路电压降落将进一步增大。
2 风电场接入潮流计算及静态电压稳定性分析
2.1 湛江电网风场接入框图
湛江电网风电场接入图如图2所示。
图2 湛江电网风电场接入图
Fig. 2 Geographical wiring diagram of wind farm connected to Zhanjiang power grid
2.2 静态电压稳定性分析方法
在假设该区域电网内各台发电机有功出力、变压器抽头位置及负荷水平保持不变的情况下，研究不同容量风电接入该区域电网时对电网潮流及电压稳定水平的影响。本文采用P-V曲线方法研究风电场接入电网的静态电压稳定性分析，P为整个风电场发出的有功功率；V为需要研究的母线(机端电压、电网内其他母线)电压。实际上是研究风速变化导致风电场出力变化对电网电压的影响，通过连续时间断面上每个离散点的静态潮流计算，研究风电注入功率引起的电压稳定性变化及运行点距离电压崩溃点的距离，这是研究风电场并网运行稳定性问题研究的主要方面。
本文在连续潮流计算的基础上，根据风电场出力变化来确定电网内代表性母线电压水平，该方法能得出精确的P-V曲线拐点。针对风电场在接入区域电网后采用不同功率因数控制时，对风电场接入电网的静态电压特性进行分析。基于DIgSILENT中DPL语言的特点和原理，在其脚本(DPLScript)中编程实现电压稳定静态特性P-V曲线的绘制，其流程如图3所示。
本文采用DIgSILENT软件，由于该软件不具备P-V曲线绘制功能，须进行一系列的潮流计算，得出离散点，最后通过其他软件曲线拟合得到连续的P-V曲线。该方法随着负荷增长，逐步追踪P-V曲线极限点，在接近P-V曲线的极值点时，潮流易不收敛，通过调节计算步长来解决该问题，该方法不能得出精确的P-V曲线拐点，但误差不会很大。
图3 电压稳定静态特性P-V曲线绘制方法
Fig. 3 Drawing method of static voltage stability characteristics P-V curve
2.3 分析结果
风电场以恒功率因数1运行，其仿真结果如图4所示。
图4 恒功率因数1运行时关键节点的P-V曲线图
Fig. 4 P-V curve of key nodes of grid-connected wind farm with constant power factor 1
图4中：①～⑤风别为机端电压、新寮110kV、闻涛10.5 kV、闻涛110 kV、雷州220 kV。由图4仿 真结果表明，随着风电场出力的增加，接入风电场的区域电网的电压水平在风电场低出力水平时有所改善，这是由于风电功率为区域电网负荷提供了部分有功功率， 减轻了从主网送往含风电地区电网的传输功率，降低了线路的无功损耗，电网电压水平得到改善。当风电场出力进一步增加时，风电场由受端系统转化为送端系统， 随着外送有功的增加，区域电网电压水平不断降低。当双馈型风电场的出力超过250 MW时，电压水平急剧下降，达到了静态电压稳定的临界极限点。
受风电场有功功率影响最大的是机端母线和闻涛10.5 kV母线，10.5 kV母线由于无功不足产生更为严重的电压跌落。随着电气距离的增大，电网中其他母线电压受到风电场功率变化的影响程度降低，如雷州220 kV母线在风电场出力变化过程中受到的影响很小。
风电场以恒功率因数0.95运行，其仿真结果如图5所示。
图5 恒功率因数0.95运行时的P-V曲线图
Fig. 5 P-V curve of key nodes of grid-connected wind farm with constant power factor 0.95
图5中：①～⑤风别为机端电压、新寮110kV、闻涛10.5 kV、闻涛110 kV、雷州220 kV。由图5仿真结果可知，风电场以恒功率因数0.95运行时，当风电场的出力超过310 MW时，达到了静态电压稳定的临界极限点。这表明风电场的无功支撑能力越强，越有利于提高系统的静态电压稳定性，系统的稳定裕度越大。
在 受端系统增加风电装机，系统静态电压稳定性会有所提高，这与负荷就地消纳风电直接相关，这与迫切需要发展分布式能源的思路是一致的。风电机组功率因数选择 不同，系统静态电压稳定性不同，机组提供无功能力越强，系统静态电压稳定裕度越大，因而在实际运行中，考虑到风电场发电的经济性，机组不可能发出大量无 功，可通过风电场安装电压无功补偿装置的办法来提高系统稳定性。
3 结束语
本文采用稳态潮流P-V曲线方法，在DIgSI-LENT仿真软件中得出了洋前风电场接入湛江电网的静态电压稳定性问题：①单位功率因数时，风电场关键节点电压随着风电场容量的增大有先增加后下降的趋势。洋前风电场当双馈电机的风电场以单位功率因数运行时，通过PV曲线得出的风电场最大接入容量为250 MW。②当采用0.95功率因数运行时，可以提高风电场的接入容量，达到310 MW，可见增加无功补偿能力可以提高风电场的接入容量。③实际运行中，考虑到风电场发电的经济性，机组不可能发出大量无功，可通过风电场安装电压无功补偿装置的办法来提高系统静态电压稳定性。
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作者简介：李峰(1980-)，男，博士研究生，研究方向为电力系统可靠性和规划。
通讯作者：尹旭(1990-)，男，硕士研究生，研究方向为新能源发电并网与控制技术。E-mail:782926057@qq.com
