赵冬阳
（云南电网有限责任公司大理供电局 云南大理 671000）
摘要：在电力系统仿真软件PSCAD/EMTDC中建立详细的风力发电机组和风电场并网模型，分析大规模风电集中接入对电网运行的影响。风电场接入地区电网会对电网的稳定性造成一定的影响，影响程度与电网强弱、风电机组暂态特性及故障形式等相关。仿真结果验证了系统模型的正确性，为风机控制的创新奠定了理论基础，对探讨含风力发电场的地区电网的稳定性具有一定意义。
关键词：PSCAD/EMTDC；并网风电场；仿真；综合分析
1、前言
风电是目前技术最成熟、最具规模化开发条件和商业化发展前景的新能源，风电作为国家战略性新兴产业的重要地位不会改变。随着国家一系列调整相关产业政策的相继出台，势必形成行业的优先和整合，未来中国风电行业发展空间依然广阔[1] 。近年来世界风电发展十分迅猛，自2010年中国已成为风电装机容量最多的国家。截止2011年底，我国风电累积装机容量已达62.364GW，站世界风电装机总容量的25%。预计到2015年，风电装机将达到100GW[2] 。大理风电目前并网的容量约为700MW，大理风电的陆续并网，对大理现有的电网造成了一定的冲击和影响。在制定风电发展规划时，结合风电场风能资源的特性和风电机组的特性进一步分析风电场并网运行后对电网传输功率、无功功率和电压控制、机组组合方式和系统稳定性等方面的影响，据此得出风电场接入后运行工况的改善措施，保证大理电网的安全、稳定、可靠、高效运行。
截止2015年6月8日，云南电网风电累计发电量成功突破两百亿大关，达200.4亿千瓦时，相当于节约标煤619.7万吨，减排二氧化硫1.5万吨，减排二氧化碳1363.3万吨，经济效益和环保效益显著。
云南省风能资源丰富，开发利用条件较好。2008年8月，云南省首座风力风电场——大理大风坝风电场成功并网发电，大理地区风能资源非常丰富，有条件开发建设大规模的风电基地。此后，云南省风能资源开发利用逐渐“提速”绿色能源开发利用成效凸显。目前，云南电网并网风电场攀升至八十座，装机容量增至388.65万千瓦，占省调直调电厂总装机容量的6.35%。
电力系统仿真和分析是辅助电网运行决策的有效技术手段，风电作为新能源发电中较为成熟的一种方式，其建模和并网分析开展工作较早，目前国内广泛应用的电力系统分析工具和电力系统分析综合软件仿真程序包中，已经实现了三种典型风电机组的建模[3]。
2、风电场接入对电网影响综述
2.1风电对电网继电保护的影响
与常规配网的保护不同，风电是间隙性的，风电场中有些元件通过的潮流可能是双向的。风力发电机组在有风期间都是和电网相连的，当风速在启动风速附近变化时，为防止风电机组频繁投切对接触器的损害，允许风电机组短时电动机运行。此时改变系统的潮流方向，容易引起保护装置的误动作[4]。风电场接入或退出、出力状态的变化等都会对保护产生影响，如有关线路保护的灵敏度降低、拒动或误动的可能性增加，重合闸成功率也将受到影响，进而影响电网的安全稳定运行。
当并网风电场的的容量还比较小时，电力系统的保护配置和整定计算往往未考虑风电场的影响，而是简单地将风电场视为一个负荷，或将风力发电机作为同步发电机处理，不考虑其提供的短路电流。然而，当大规模风电场接入系统，一旦电网发生故障时，风力发电机将向短路点提供一定的短路电流，在此情况下，若系统保护配置和整定计算仍不考虑风电场的影响，则是不合理的，且实际运行时可能会导致保护装置的误动。国内外关于电力系统短路电流的计算方法及软件都已相当成熟，但都不包含风力发电机系统。对此，研究故障情况下风电场对继电保护的影响，是非常有意义的[5]。
2.2风电对电网电压的影响
大型风电场及周围地区，常常会有电压波动大的情况，主要有以下三种情况，即风力发电机组启动时会产生较大的冲击电流；多台风力发电机组同时直接并网会造成电网电压下降，因此多台风力发电机组的并网需分组进行，且要有一定的时间间隔；当风速超过切出风速或发生故障时，风力发电机从额定出力状态自动退出并网状态，风力发电机的脱网会产生电网电压突降，而机端较多的电容补偿由于抬高了脱网前风电场的运行电压，从而引起了更大的电网电压下降[6]。
风电场接入电网后，适量的风电接入有利于地区电网电压水平的提高；风电接入容量较大，但本地负荷较小时而无法损耗更多的风电机组所发出的有功功率时，大量有功功率外送会引起风电场二级变压器及送出线的大量无功损耗，从而导致在某些运行方式下个别线路传输功率越限以及地区电网电压稳定性降低。 2.3风电对电网暂态稳定的影响 风电场接入容量不同、故障点不同，风电接入对电力系统暂态稳定的影响也不同；故障期间若风电场仍与电网相连，则它为系统提供的有功、无功会增加，有利于系统的稳定。同步机附近发生故障时，风电场在故障期间仍与电网相连，变频器控制转子电流增加了风力发电机的功率输出，有助于系统内的功率平衡，并可减少同步发电机在故障期间的加速面积，有助于发电机电磁转矩和机械转矩的平衡；故障清除后，风力发电机转速和同步机功角均恢复到故障前的数值。这种情况下，风电场的接入可提高系统中传统同步发电机的暂态稳定性。对于大多数风电系统，当电网出现打扰动时，保护装置通常会切断风电场与电网的联系，这等效于在电网出现大扰动后，又出现新的发电机跳开扰动，这时系统的暂态稳定性很有可能会恶化。
2.4风电对电网频率稳定性的影响
整个电力系统在一个同步的频率下运行，对于电力系统来说，产生的电能和消耗的电能必须平衡，频率反映了整个系统中能量的产生和消耗是否平衡。如果电力系统中发出的电能过剩，同步发电机将加速，系统频率增加；反之，发电机将减速，系统频率下降。
在电网发生频率大幅度降低事故时，系统的惯量对于频率降低的变化率起到了决定性作用--惯量越低，系统频率降低得越快。当电网中增加同步发电机时，电网的惯性自然增加；然而，由于电气特性的不同，风力发电机组无法表现出这种自然特性；对于严重的频率事故，任何惯量响应的降低都是危险的。随着风电装机容量在系统中所占比重的不断增加，风电并网后对电力系统的频率安全性和频率稳定性的影响是值得研究的。
3、风电场建模仿真
3.1风电场与电网的连接方式
目前大多数风力发电场所采用的连接方式如图1所示。该结构中包括风力发电机组、内部连接线路、功率收集点、传输线路以及风电场接口等部分组成。需要注意的是升压变压器一般都安装在大型风力机组内部，将发电机的输出电压由几百伏升高到几千伏或几十千伏，以适应传输的要求。各机组之间通过一定的连接方式组成内部网络，输出的功率统一流入功率收集点；再经过传输线路和风电场接口连接到电网中，实现功率的输出。不同风电场中的功率收集点和风电场接口不同，按照具体的电气连接方式来分类，风电场连接方式分为AC/AC，AC/DC和DC/DC三种。把大型风电场等值为更贴近于真实运行状况的几台风力机组通过风电场内部传输网络连接并实现并网。
图2为风力发电机仿真模型，主要由风源、风机、风调速器、异步电机、功率因数调节器等元件构成，通过变压器升压后由连接点将电气量传送到上层模型。“Wind Source”组件模拟了风机。输入是风速Vw和于涡轮机相连的风力发电机的机械转速w。Beta是涡轮桨页的节面角，单位为度。Tm和P是基于机组额定功率的的输出标么转矩和功率。风机模型中还有“单输入电平比较器”， 组件输出两个值，取决于输入信号是高于还是低于输入的门槛值。如果允许插值兼容性的话，则可输出由器件生成的插值信息（即输入信号刚好过门槛值的确切时间点）。运用了插值后，本组件甚至在较大的时间步长时仍能保持精度。
3.3风电场并网仿真模型
图3.风电场并网仿真模型
图3由风源、风力发电机组成一个容量约为50WM风电场，再与一个双端电源系统组成并网仿真模型。在3号风力发电机的变压器与“Grid”连接点之间设置两相接地故障。故障持续时间为0.5S。“Wind Source”元件为风源，外部信号Es用以模拟任何形式的风力波动，包括本组件没有定义的波动形式。风场测试所得的风变化记录可以导入本组件，生成风机所用的风速输入。
3.4仿真结果
图5.故障时有功、无功变化 图6.故障时电流变化
通过仿真结果可知有功、无功及电流变化量符合理论，验证了并网风电场模型的正确性。图5、图6中sys1为距离故障较远的一侧、sys2为近故障侧，故障时间为3.0S-3.5S,持续0.5S。由于篇幅限制，文中不再详细介绍仿真模型的参数设置和仿真结果图。
4、结束语
简述了风电场接入对电网的影响，利用PSCAD/EMTDC软件及其自定义功能建立了风力发电机模型和风电场并网仿真模型，对正常态及故障态风电场的风速、有功、无功、电流、电压等参数进行仿真，仿真结果可知风电场并网仿真模型的正确性。风电场建模及其对系统影响的分析方法是人们长期关注的重要问题，可靠有效的分析方法是对含风电的电力系统进行规划、调度和优化控制的基础。随着风电的快速发展及风电大规模接入电网，风电接入地区的电压、频率、继电保护等问题日益突出。应高度重视风电对地区电网的影响，只有这样才能保证电网的安全、稳定、可靠地运行。
自定义元件具有较好的灵活性，根据实际需要可以合理地进行选用。自定义模块在风电场并网仿真中的应用，对于故障分析、事故预想、风电场运行等方面都具有重要作用，为电力领域工作者提供了简便、直观、有效的仿真研究方法。故障分析与仿真是电力系统规划、设计和运行中的一项重要工作，随着我国电网的快速发展，传统方法已经不能满足需要，运用计算机进行仿真和分析是大势所趋。
参考文献
[1] 李俊峰.2012中国风电发展报告[M].北京：中国环境科学出版社，2012:3.
[2] 毕天姝等.具有低电压穿越能力的双馈风电机组故障暂态特性分析[J].电力系统保护与控制.2013，41（2）：26.
[3] 刘振亚.智能电网技术[M].北京：中国电力出版社，2010:100-120.
[4] 文玉玲,晁勤，吐尔逊依布拉.风电场的继电保护[J].可再生能源.2009（2）：94.
[5] 史会磊.风电场自适应继电保护方法的研究[J].低压电器.2011（8）：4.
[6] 迟永林,刘燕华,王伟胜等.风电接入对电力系统的影响[J].电网技术.2007,31（3）:77-80.
论文作者:赵冬阳
论文发表刊物:《电力设备》2016年第7期
论文发表时间:2016/7/5
标签：电网论文; 风电论文; 风电场论文; 故障论文; 系统论文; 大理论文; 功率论文; 《电力设备》2016年第7期论文;