赵福玮，沈 坚，孙 进
（西北电力设计院，陕西 西安 710075）
摘要：风能作为一种无污染、可再生的绿色能源，日益得到世界各国的关注和重视。本文通过ETAP仿真计算算例，对风电场不同运行方式下无功补偿、电压水平、线路损耗等进行了比较分析，结论表明采用静止无功补偿装置，能够有效改善风电场并网系统的电压稳定性，并提高风电运行的经济性。
关键词：风电场 潮流计算 静止无功补偿 损耗 ETAP
0 前言
风力是可再生清洁能源，风力发电是目前世界上公认的最成熟、最具开发前景的可再生能源利用技术,由于其在减少环境污染、调整能源结构等方面作用突出，越来越受到世界各国的重视。我国的风电发展起步较晚，但在国家政策激励和扶持下也取得了长足进步。风能是一种随机能源，风电在向电网提供电力时，对电网规划、电能质量及电网安全稳定运行可能产生不利影响，因此研究这些问题具有一定现实意义。稳态潮流计算是风电场规划设计中的重要环节之一，本文以某实际风电场为例，应用电力系统分析计算应用软件ETAP对双馈风电机组风电场进行潮流分析，通过仿真计算，比较了在不同运行方式下，风电场中节点电压以及风电场内有功、无功的变化情况，对风电场的设计提出一些建议。
1 算例系统
本文以某实际风电场为例，连接至IEEE9节点系统，对不同运行方式下风电场的稳态运行特性进行计算分析。电网结构如图1所示，其中:风电场安装运行的风电机组单机容量1.5MW，共33台，经主变（50MVA）连接至IEEE9节点系统节点8。在IEEE9节点系统中，节点1为平衡节点，节点2为PV节点。因IEEE9节点系统是多电源环网系统，系统有较强的电气联系，直接加入风电场电源，风电场输出功率的随机变化对系统电压的影响效果不显著，为了校验风力发电对系统电压质量的影响，将原多电源环网系统解环，即将节点6与节点9之间的线路断开，并将节点3由电源节点改为负荷节点，这样，更能反映风电场输出功率的变化对系统电压质量的影响[1]。本风电场采用的风机为双馈异步风力发电机，能够实时补偿风机消耗的无功，使风机的功率因数在0.9(感性)~0.95(容性)之间可调。由于经济以及技术原因，当今大多数风电机组仍然采用额定功率因数运行且通常整定为1.0(QG=0)，从而将其视作PQ节点[2]。
2 稳态运行分析
2.1 无功需求分析
双馈异步风力发电机能够自动补偿消耗的无功，因此风电场内的无功损耗主要来源于箱式变电站、风电场集电线路和主变压器[3]。按图1算例进行潮流分析，本文中“补偿后”方式指在变电站35KV侧增加SVC无功补偿装置，统计结果见表1，可见风电场内部的无功损耗主要来源于主变压器，增加无功补偿装置后，风电场内部无功损耗显著降低。同时可见，变压器无功损耗为变压器容量的15%左右。
由上式可见，线路的无功损耗由两部分组成，其一为线路等值电抗中消耗的无功功率，其二为对地等值电纳产生的充电功率。风电场内部的集电线路分直埋电缆和架空线路两种。由于电缆线路和架空线路参数差别大，直埋电缆的充电电容较大，一般是架空线路的20~25倍，相当于在线路中并联了无功补偿设备，对风电场无功损耗具有一定的补偿作用。
2.2 电压水平分析
由潮流计算得到风电场满发时的电压水平如表2所示，从计算结果可以看出，补偿前风电场内各节点电压（除升压站220kV侧）均较低，超出允许的±10％的范围。投入无功补偿装置后，风电场内电压明显得到改善，有利于风电机组的稳定可靠运行。根据《风电场接入电力系统的技术规定》，当风电场的并网电压为220 kV及其以上时，正常运行时风电场并网点电压的允许偏差为额定电压的-3%~+7%。可见，由于升压站220kV侧与电网联系紧密，并网点的电压水平主要由电网电压来决定，补偿前后均能够满足规定要求。
节点向系统输送有功功率时，在支路电阻上产生使得该节点电压上升的电压分量△V1，而该节点从系统吸收无功功率时，在支路电抗上产生的使得该节点电压下降的电压分量△V2。由于输送的有功功率和吸收的无功功率的变化率的不同，△V1和△V2的大小就会出现以上的变化，二者差值相应就会改变，从而决定了节点电压的升降。由潮流结果可以看出，风电场内由于无功补偿前后输送的有功功率和吸收的无功功率的变化率的不同，从而导致电压降的变化。而两级变压器电压降的叠加，使电压波动的影响更加严重。
2.3 线损分析
变电站35KV侧增加SVC无功补偿装置后，总网损功率从补偿前的1043kW降低813kW，降低幅度为230kW，约合单台风力发电机组额定容量的15％，可见无功功率补偿在降低有功网损方面的具有一定效果。由表可见，变压器X/R基本反映了支路无功损耗与有功损耗的比值，可见由于R值一般较小，即使无功损耗很大，有功损耗相对也较小。 
2.4 风速变化影响分析
风电机组的原动力是不可控的，风机是否处于发电状态以及出力的大小都取决于风速状况，表4所示为单台风电机组的功率曲线。
风电场连接至IEEE9节点系统情况下，场内部分节点电压和功率损耗水平随风速（即风电机出力）变化情况如图2、图3所示。可以看出，投入无功补偿装置前，风电场内各点的电压随着风速的增加逐步升高，这主要是因为风电功率的增加使得系统的潮流改变，导致各点的电压升高；风速继续增加时潮流的改变使得无功分布急剧变化，无功不足导致节点电压下降。因此，在确定风电场的接入方案时，应当考虑电力系统的不同运行方式和风电场的不同风速的情况，保证风电场端电压水平在风电机组正常运行所要求的范围以内，避免风电机组因系统电压不满足要求而切除，造成非正常停机。当风电场接入的电网较薄弱时，而周围又较缺少较强的电压支撑时，在风电场的规划阶段就需要特别注意这一问题。可见，投入无功补偿装置后，不同风速下各点电压明显得到改善，对电网的适应性也更强。
2.5 风电场并网对系统正常运行的影响
由图3可知，风速波动将导致风电机组功率波动频繁，这将引起网络潮流的频繁变化。特别是风电机组一般为地方电源，并入当地配电网，网络有功容量有限，频繁波动的潮流必将带来一系列问题；在风速较大时，风电机组将运行于切出风速不远处，此刻若风速突然增大，将导致风电机组切机解列。多台风电机组的切机必然导致风电场外送有功的急剧减少，危害网络稳定，同时也对系统其它机组的有功储备和响应能力提出了很高的要求。因此风电场的加入将减小系统的频率稳定性，而为了维持系统频率稳定性，必须增加系统总的热备用容量和增加系统中发电机组快速改变出力的能力。
3 结语
（1）风电场内部的无功损耗主要来源于主变压器，增加无功补偿装置后，风电场内部无功损耗显著降低。同时可知，变压器无功损耗为变压器容量的15%左右。
（2）变压器X/R基本反映了支路无功损耗与有功损耗的比值。
（3）随着风速的增加，风电场内各点的电压呈先升高后下降的趋势。
（4）风速波动将引起网络潮流的频繁变化，必须增加系统总的热备用容量和增加系统中发电机组快速改变出力的能力。
（5）静止无功补偿器（SVC）是一种可以控制的无功功率补偿装置，能够连续而迅速地控制无功功率，通过发出或吸收无功功率来对电力系统中无功功率进行快速的动态补偿，仿真结果表明可以有效改善系统电压稳定性。
参考文献：
[1] 刘苏琴.计及双馈风力发电机内部等值电路的电力系统随机潮流计算[J]，江苏电机工程，2007.04.
[2] 曹娜等.常用风电机组并网运行时的无功与电压分析[J]，电网技术，2006,30(22):91-94.
[3] 孙进等.风电场无功功率损耗问题的分析[R]，导体及电气设备选择文集，2010.09.
[4] 王锡凡.现代电力系统分析[M]. 北京：科学出版社，2006.
[5] 夏道止.电力系统分析[M]. 北京：中国电力出版社，2006.
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收稿日期：2013-8-23
作者简介：赵福玮(1981-)，男，工程师，从事电厂电气设计研究工作。
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