风电出力波动对电网无功电压的影响规律——算例分析

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【摘要】：由于本章是研究风电出力波动对电网无功电压的影响规律，因此本算例的分析主要关注这个问题。

1.算例介绍

ML风电场由33台3MW双馈变速风电机组组成，机组变压器为0.69kV/35kV，风电场内风电机组的排列布置如图6-6所示。ML风电场通过110kV的线路接入HM电网。ML风电场并网近区电网地理接线图如图6-7所示。风电场通过两台35kV/110kV双绕组变压器升压后，经110kV的1号线路接入A变电站，然后通过110kV双回2号线路接入到220kV的B变电站的低压侧。

图6-6 风电场内风电机组的排列布置

图6-7 ML风电场并网近区地理接线图

本算例基于2012年HM地区冬小（冬季最小负荷）运行方式，研究ML风电场接入对电网无功电压特性影响。ML风电场并网区域内变压器、线路、负荷以及变电站的无功补偿等信息都以表格形式给出，见表6-1～表6-5，以此作为ML风电场并网无功电压分析与控制研究的边界条件。

表6-1 ML风电场并网近区变电站变压器相关信息

表6-2 ML风电场无功补偿情况

表6-3 风电场并网近区线路相关信息

表6-4 ML风电场并网近区变电站低压无功补偿相关信息

表6-5 2012年冬小运行方式ML风电场并网近区变电站负荷

2.ML风电场建模

下面以图6-6所示的风电场为例，在电力系统分析软件DIgSILENT/PowerFactory^[3-5]仿真平台上建立风电场动态等效模型，分析风电场的功率波动和电压特性。

根据第4章的研究，考虑风电场内风电机组排列布置，建立风电场内尾流模型，确定不同风速和风向下风电场内每台风电机组输入风速，计算风速系数，建立三维风速系数矩阵，确定风电机组的分组。根据第5章的研究，考虑风电机组的电气连接，可建立不同风向的风电场模型，如图6-8所示。

3.风电场出力波动对电网有功功率的影响

2012年底，ML风电场通过长约为101.6km、电压为110kV输电线路接入HM主网，网架结构相对较弱，并且近区无常规电源支撑，短路容量较小。风电场有功出力随风速的波动而变化，影响风电场并网近区变电站以及输电线路等元件上的无功分布，进而引起风电场并网点、风电场并网近区变电站母线电压波动，给HM地区电网无功电压运行工作带来风险，存在母线电压波动过大，网损过大，以致出现电压越限等电能质量问题。由于本章是研究风电出力波动对电网无功电压的影响规律，因此本算例的分析主要关注这个问题。当ML风电场出力变化时，若假设风电场及并网近区变电站的无功电压控制策略不随风速变化而改变，则仿真可得到风电场不同出力时的无功电压特性，通过对比分析，进而可得到风电场不同出力对近区电网无功电压的影响规律。由于电网无功电压控制策略不因风电场出力变化而跟踪控制，因此在风电不同出力工况下可能存在母线电压越限的情况。但是，为了分析的需要，暂且可认为电压越限是能接受的。

图6-8 不同风向风电场等效模型

下面以风向为3°时，ML风电场模型为例进行仿真。首先，以ML风电场装机容量的0%、50%、100%的三种状况来模拟风电场出力，分析风速变化对风电场及并网近区电网无功电压的影响。由图6-7所示网架结构可以看出，ML风电场有功、无功出力输送的唯一途径是经过风电场升压变压器、101.6km的1号线路单回送出。当ML风电场100%出力时，较长距离的1号线路承载能力显得相对较弱。在1号线路送出之后，电网对风电有功进行分流，风电出力将通过长度约为27km的110kV双回2号线路送到HM主网。相对1号单回线路而言，2号双回线路的承载能力大大加强，风电出力通过后不会产生过多的有功、无功损耗，对无功功率分布、母线电压的影响也将进一步减弱。风电出力输送到220kV的B变电站后，分为两条途径进一步输送电力：一部分是由4号110kV线路分流，为D变电站周围负荷供电；另一部分较多的有功功率将穿越B变电站，由110kV层面上注至220kV层面。无功功率主要由并网近区的无功需求决定，可能上注，也可能下注。在有功上注至220kV层面后，一部分由5号线路单回线分流，为E变电站下辖的负荷供电；另一部分将由220kV的3号线路双回送至750kV的C变电站，为C变电站下辖的220kV各区供电；同时通过750kV的C变电站上送有功电力。

随着ML风电出力降低，如ML风电场降为50%出力，上述分析的电力流向基本不变，但是大小上会有所变化，如B变电站上注有功将减小；随着ML风电出力进一步降低，上述分析中电力流大小将进一步降低，甚至发生电力流向改变。例如，降低ML风电出力到0%时，电力不再是经B变电站上注，而是ML风电场近区都是由B变电站下注电力供电。在ML风电场不同出力时，通过风电场并网点近区变电站的有功功率见表6-6。

4.风电场出力波动对风电场及接入电网无功损耗的影响

下面以图6-8所示风向为3°时的风电场模型为例，分析风电场内无功损耗。风电场等效风电机组功率因数为0.98，风电场出力变化时的风电场内部无功损耗见表6-7。

表6-6 ML风电场不同出力时通过变电站的有功功率（单位：MW）

注：注入节点功率为“+”（省略），流出节点功率为“-”。

表6-7 风电场出力变化时的风电场内部无功损耗（单位：Mvar）

从表6-7可以看出，风电场恒功率因数（功率因数为0.98）运行时，随着风电场有功出力的增加，风电场的无功损耗快速增加。当风电场出力在额定装机容量的50%以下时，风电场内风电机组提供的无功功率满足风电场的无功需求；当风电场有功出力大于其装机额定容量的50%时，风电场的等效无功负荷大于风电机组提供的无功功率，需要从主网吸收无功或依靠无功补偿设备补偿风电场无功损耗。在ML风电场不同出力时，ML风电场并网近区线路、变电站的无功损耗见表6-8。

表6-8 ML风电场并网近区线路、变电站的无功损耗（单位：Mvar）

5.风电场出力波动对风电场及接入电网电压的影响

随着ML风电出力由0%～50%～100%增加，风电场向电网注入无功逐渐减小，由向电网注入无功功率转化为从主网吸收无功功率。上述风电场及电网的无功分布的改变将进一步影响风电场接入电网点及近区电网母线的电压。通过仿真可得风电场出力变化时各变电站电压，见表6-9。

表6-9 ML风电场出力变化时各变电站电压（单位：kV）

由表6-9可以看出，随着风电出力由0%～50%～100%增加，风电场接入电网点及近区电网母线的电压逐渐降低，且对于风电出力同样幅度的波动变化，50%～100%的出力波动引起的母线电压下降幅度要大于0%～50%出力波动引起的电压下降幅度。

风电出力波动对电网无功电压的影响规律——算例分析

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