风力发电机无功电压研究

(华北电力大学，河北 保定 071051)
摘 要： 文章介绍了三种典型风力发电机静态模型，并根据模型，研究了随机风场干扰下 不同风力发电机无功电压静态特性；通过仿真计算，得到随机风场中三种典型风力发电机 并网后系统电压波动曲线，分析了不同风力发电机电压静态特性，所得结论可为大型 风力发电场的规划建设、并网运行管理提供建议。
关键词：风力发电；随机风场；恒速恒频；变速恒频；无功电压控制
中图分类号：TM614  文献标识码：A  文章编号：1007—6921(2010)02—0116—03

丰富的风力资源和国家对新能源产业的大力支持，使这几年内蒙古电网风电的入网容 量迅猛增加。目前，内蒙古电网范围内取得风能资源配置的风电装机容量超过1700万kW，其 中已通过国家和自治区核准的容量为695.13万kW。截至2009年7月底，已并网运行容量为255 万kW，到年底，内蒙古电网全网投产容量接近400万kW，风力发电已成为电网的 主力电源。

随着风电在电力系统中所占比重日益增加，大容量风电场与电力系统的相互作用和影 响也随之加大。风电机组及风电场静态、动态特性已经成为电力系统研究热点。建立合理的 风力发电机组模型［1］，研究风电机组有功、无功动、静态特性［2］［3］，准确预测风电场有功、无功功率［4］［5］，准确判断风电机组在电网动态过程中 的稳定性等，对于大规模风电场规划建设、并网运行是必不可少的。

风力发电原理是将自然风能通过各种同步、异步发电机转化为电能，然后送入电网。 由于自然风存在随机性，风力发电会对电网形成有功、无功功率的随机冲击。其中无功功率 的波动，直接影响系统电压水平。虽然单台风机无功波动相对系统容量较小，但随着风电场 规模的日益增加，大型风电场无功波动对系统电压构成较大影响。因此，研究风电机组在随 机 风场扰动下，无功功率静态特性，显得尤为必要。现有典型风力发电机包括：恒速恒频发电 机、双馈感应发电机以及直驱同步发电机。其中恒速恒频机一般为异步感应发电机。伴随随 机风场的变化，发电机转子转速及转差率都呈现随机变化，导致发电机与电网之间无功功率 交换随机波动。其静态无功特性也将呈现随机性。双馈感应发电机通过控制回路将定子电流 引入转子作为励磁电流。控制回路调节励磁电流频率，在不同风速下，可以保持旋转磁场转 速、转差率不变。因此，其无功功率静态特性的随机性较小，对于直驱式同步发电机，发电 机 与电网通过变流器连接，对系统的无功冲击较小，运行过程中基本上不存在无功功率波动。 研究以上三种风力发电机无功功率特性，是大型风电场无功运行管理的基础。

针对风力发电机组无功特性的研究，已有不少成果。但是，虽然均针对各种风力发电 机无功功率特性进行研究，但是缺乏风场随机性的考虑，所得结果不够全面，有待进一步深 入分析。

笔者以三种典型风力发电机模型为基础，结合随机风场模型，分析典型风力发电机无 功功率的随机特性。通过仿真计算，得到典型风力发电机并网点电压波动曲线，进而比较不 同风力发电机无功功率静态特性。对IEEE 3机9节点系统的仿真，验证了不同风机类型对系 统电压水平的影响。针对大型风力发电场，仿真结果表明不同风机类型，对系统电压的影响 存在诸多不同。大规模风电场无功功率控制，需根据不同发电机类型，制定相应策略。
1 典型风力发电机静态模型

静态模型是进行风力发电系统研究的基础。风力发电系统静态模型由三部分组成：随 机风场模型、风机模型及发电机模型。典型风机主要包括：恒速恒频风机及变速恒频风机。 以下将分别介绍上述系统静态模型。
1.1 随机风场模型

常用随机风场模型有韦伯分布模型和四参数混合模型，其中四参数混合模型准确度较 高，应用最为广泛。

四参数混合模型：

v_w(t)=v_wa+v_wg(t)+v_wg(t)+v_wt(t)    (1)

基本风：v_wa=K_a,K_b为常值

阵风：
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其中，R_max—渐变风最大值；T_1r—渐变风开始时间；T_1r—渐变风结束 时间；T_r—渐变风保持时间。
随机风：


其中，ω_i—第i个分量的角频率；Δω—随机分量的离散间距；φ—0～2π之间服从均匀 分布 的随机变量；K_N—平面扩张系数；F—紊乱尺度因子；μ—参考高度的平均风速；S_v(ω _i)—第i个随机分量的振幅。

图1为matlab绘制的四参数组合随机风曲线。

图2所示为恒速恒频风机原理。异步感应发电机直接与电网相连。当风速范围满足感应电机 工作要求时，发电机才与电网并列发电。风速过快或过慢都不能满足异步感应电机工作要求 。以下是恒速恒频风机模型。
风机模型为：

1.3 变速恒频风机模型
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图3所示为变速恒频风机原理。与恒速横屏风机不同，变速恒频风机定子直接与电网相连， 转子通过变频器与电网相连。通过改变转子励磁电流频率，可以在风速改变的情况下，保持 转子磁场转速不变。一下是风机模型。
风机模型为：

其中，P_e、Q_e分别为有功、无功功率；S为滑差；x_m为励磁电抗；x₁、x₂为定、 转子电抗。
2 典型风力发电机无功静态特性

根据上述随机风场模型及各风力发电机静态模型，可以得到典型风机在随机风场中， 有功功率、无功功率方程，通过仿真计算，可得各风机无功功率曲线。
2.1 恒速恒频发电机无功功率特性

将式(1)带入(2)中，得到恒速恒频风机有功功率方程，再将有功功率分别带入(4)， (5)中，得到恒速恒频风机无功功率静态特性。

假设风机无功补偿装置足够，维持接入点母线电压U=1，图5所示为随机风场扰动情况 下，恒速恒频风机无功功率曲线。

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2.2 双馈感应发电机无功功率特性

与上前面方法相同，将式(1)带入(3)中，联立感应发电机功率方程，得到双馈感应 发电机无功功率特性。
图6所示为随机风场扰动情况下，双馈风机无功功率曲线。

3 典型风力发电机并网后对系统电压的影响

由于风力发电机无功功率的随机性，并网后将造成并网点电压水平的随机变化。以简 单的无穷大系统为例，不同风机并网后，伴随风场的随机变化，其母线电压也有不同性质的 变化。

图7所示为一单机无穷大系统，三种不同风机接入系统后，在随机风场作用下，系统各接入 点母线电压如图8。从曲线看出，恒速恒频风机并网后对系统母线电压水平的影响随机性较大。而变速恒频风机对接入点母线电压的影响没有太强随机性。直驱式风力发电机对系统电 压基本上不构成随机影响。
4 对风电发展的几点建议
4.1 坚强的电网结构是风电发展的基本保证

内蒙古自治区打造“风电三峡”基地，不仅要依托内蒙古电网，更要面向周边强大的区域电 网。一方面，应加强内蒙古电网建设，接纳更多的风电上网；另一方面，在自治区三大煤电 基地外送电通道规划方案上，应争取“网对网”的供电方式，将大规模风电以“风火互济” 的方式打捆送出。
4.2 风电资源的市场配置和消纳

自治区电网消纳风电的能力有限，风电电量的消化必须考虑在更大的范围内进行。目前阶段 ，风电电量可在区域电网内消化，随着风电规模的进一步增大，应考虑在跨区或全国范围内 平衡。
4.3 适当分散的原则

风电场接入方式应采取分层分区适当分散的办法，可减少风电功率在电网中大规模输送，减 少风电送出占用大量电网资源；同时，风电的适当分散，可减小风电不平衡功率，减少电网 潮流调整代价。
4.4 开展风电预测和风火水电联合优化工作

开展风电功率预测，可以充分发挥风电资源带来的环保和节能效益，减少风电并网带来的系 统额外运行成本。在风电预测的基础上，开展风电、水电、火电在规划建设和运行中的联合 优化，以真正地替代或减少火电规划，体现节能环保要求。
4.5 逐步实现风电的可控性

风电功率的随机性和波动性给电网运行带来诸多影响，因此，应不断研究风电功率的控制技 术，减少风电对电网运行的影响。在管理上，建立必要的考核和补偿机制，使风电场符合电 网运行的技术要求，逐渐参与电网的调频、调峰和调压。
4.6 实现真正意义上的风电机组的国产化和标准化

随着风电国产化率的提高，开展风电场及风电机组控制系统的国产化研究，建立风电机组的 标准化体系，这对风电产业自身发展、风电场运行管理和风电场并网运行管理发挥积极作用 ，促进风电产业健康有序发展。
［参考文献］
［1］ 李辉，韩力，赵斌，陈哲风电机组等效模型对机组暂态稳定分析结果的影响 ［J］中国电机工程学报，2008，28(17).
［2］ 雷亚洲，王伟胜，印永华．一种静态安全约束下确定电力系统风电准入功率极 限的优化方法［J］．中国电机工程学报，2001，21(6)：25～28.
［3］ 陈树勇，戴慧珠，白晓民．风电场的发电可靠性模型及其应用［J］．中国电 机工程学报，2000，20(3)：26～29.
［4］ 杨秀媛，肖洋，陈树勇．风电场风速和发电功率预测研究［J］．中国电机工 程学报，2005，25(11)：1～5.
［5］ 刘其辉，贺益康，张建华．交流励磁变速恒频风力发电机的运行控制及建模仿 真［J］．中国电机工程学报，2006，26(5)：43～50.