无功补偿对风电系统电压稳定和功率损耗的影响分析

第３５卷第５期　２０１４年ｌ０月　电力电容器与无功补偿　

Ｐｏｗｅｒ　Ｃａｐａｃｉｔｏｒ＆Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　Ｖｏｌ＿３５　Ｎｏ．５　０ｃｔ．２０１４　

无功补偿对风电系统电压稳定和功率损耗的影响分析　张锁魁　（天津物产国际能源发展有限公司，天津３００２７０）　

摘　要：为揭示风电系统注入功率对系统电压稳定性和系统损耗的影响，以及无功补偿的作　用，针对以往研究都是定性分析或者并不能表征单位注入对风电系统影响这一缺陷，提出了表　征风电有功注入对电压稳定和系统损耗影响的几个指标：单位有功功率损耗　Ｐ、单位无功功率　损耗叼仃、单位电压偏移△　。研究表明：无功补偿能扩展风电注入功率极限，但由于风电场低压　线路无功损耗随注入有功的增加而增加．无功补偿远远不能弥补注入功率继续增大所带来的　负面作用：在相同的风电注入功率时，无功补偿能有效降低系统损耗和提高电压稳定性，通过　算例分析验证了所提指标的有效性。　关键词：风电系统；电压稳定；无功补偿；定量指标；系统损耗　中图分类号：ＴＭ７１４．３　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７４—１７５７（２０１４）０５—００２１．０４　

Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｏｎ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　Ｐｏｗｅｒ　Ｌｏｓｓ　ｏｆ　Ｗｉｎｄ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍ　ＺＨＡＮＧ　Ｓｕｏｋｕｉ　（Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ＆Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｔｉａｎｊｉｎ　３００２７０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ　ｒｅｖｅａｌｉｎｇ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｉｎｐｕｔ　ｐｏｗｅｒ　ｏｎ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｖｏｈａｇｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｓｙｓｔｅｍ　ｌｏｓｓ　ｏｆ　

ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｏｌｅ　ｏｆ　ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ａｌｓｏ　ｆｏｒ　ｓｕｃｈ　ｄｒａｗｂａｃｋ　ａｓ　ｑｕａｌｉｔａｔｉｖｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐａｓｔ　ｓｔｕｄｙ　ａｎｄ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｕｎｉｔ　ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ　ｏｎ　ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ，ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｓｅｖｅｒａｌ　ｉｎｄｅｘｅｓ　ｆｏｒ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｉｎｇ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ａｃｔｉｖｅ　ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｏｎ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｓｙｓｔｅｍ　ｌｏｓｓ　ａｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ：Ａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｌｏｓｓ叼Ｐ，ｓｐｅｃｉｆｉｃ　ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｌｏｓｓ叼Ｑ　ａｎｄ　ｓｐｅｃｉｆｉｃ　ｖｏｈａｇｅ　ｏｆｆｓｅｔ　ＡＶ／Ｐ．Ｉｔ　ｉｓ　ｓｈｏｗｎ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｓｔｕｄｙ　ｔｈａｔ　ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｃａｎ　ｅｘｐａｎｄ　ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ　ｐｏｗｅｒ　ｌｉｍｉｔ　ｏｆ　ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ，ｂｕｔ，ｄｕｅ　ｔｏ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｏｆ　ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｌｏｓｓ　ｏｆ　ｌｏｗ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｏｆ　ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｏｆ　ａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ，ｉｓ　ｆａｒ　ｆｒｏｍ　ｍａｋｉｎｇ　ｕｐ　ｔｈｅ　ｎｅｇａｔｉｖｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｂｅｃａｕｓｅ　ｏｆ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ　ａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ；Ａｔ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ　ｐｏｗｅｒ　ｏｆ　ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ，ｔｈｅ　ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｃａｎ　ｒｅｄｕｃｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｓｙｓｔｅｍ　ｌｏｓｓ　ａｎｄ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｄｅｘ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｓ　ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ；ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ；ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ；ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ　ｉｎｄｅｘ；　ｓｙｓｔｅｍ　ｌｏｓｓ　

０　引言　风电迅速发展，风电并网是必然选择，风电　容量占电网总容量的比例越大．其对电网的影响　就越明显。研究表明大规模的风电机组接人电网　

收稿日期：２０１４．０２．１７　

系统通常会带来如下问题：电能质量问题、功率　传输极限问题、影响电网系统的稳定性问题等…。　在这些问题当中，电压稳定性问题尤为重要，电　压失稳是风电系统失稳的主要形式［引。　文献［３—５］表明：无功功率是引起风电场电压　２０１４年第５期　电力电容器与无功补偿　第３５卷　波动和电压崩溃的主要原因，因而无功补偿装置　及其补偿作用的研究也将是风电系统电压稳定性　研究的重要方面。目前大多集中于无功补偿装置　对风电场暂态电压稳定性的影响研究［６－７１，也有关　于含无功补偿的风电系统动态电压稳定性方面的　研究［８－１１］，但只是定性地分析无功补偿的作用，并　没有进行定量的比较。因而研究无功补偿对风电　系统电压稳定性和功率损耗的影响具有重要的意　义．本文制定了表征风电有功注入对电压和系统　损耗影响的几个指标．量化其影响情况，并通过算　例分析验证所提指标的有效性和合理性。　１仿真模型介绍　１．１　双馈异步发电机静态数学模型　双馈异步发电机是在普通的异步发电机的　基础上，同步变频器的转子励磁控制，实现对整　个发电机定子的有功和无功功率的解耦控制。其　等值电路如图１所示。　图１双馈异步发电机Ｔ型等值电路　Ｆｉｇ．１　Ｔ－ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｏｆ　ｄｏｕｂｌｅ－ｆｅｄ　ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　通常在潮流计算或者稳定性分析时，根据系　统运行模式的不同，把双馈风电机组处理为１个　ＰＱ或者ＰＶ节点　Ｈ］。　１．２静止无功补偿器（ＳＶＣ）模型　由于风电场吸收的无功功率与其发出的有　功功率成正比．故需要安装无功补偿装置，静止　无功补偿器（ｓｔａｔｉｃ　ｖａｒ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ，ＳＶＣ）为其中　１种。ＳＶＣ的特性是随着补偿点的电压变化来调　节输出的无功功率来控制接入点电压的稳定，其　模型Ｅ１５－１６　如图２所示。　・２２・　ｂ…　图２　ＳＶＣ模型　Ｆｉｇ．２　ＳＶＣ　ｍｏｄｅｌ　根据图２有　６ｓｖｃ＝　（　一　）－ｂｓｖｃ］／Ｔｒ。　式中：　为参考电压，　为补偿点电压，　和　为控制器放大倍数和时间常数，６　为等值电纳。　ＳＶＣ发出无功功率为Ｑ＝ｂｓｖｃＶ　。　

２指标提出　本文提出如下几个指标．用来表征风电注入　对系统电压稳定性和系统损耗的影响。　２．１单位功率损耗　单位有功功率损耗为　Ｐｌｏｓｓ。　Ｊ　ｉ…　

单位无功功率损耗为　

。　式中：　一为风电注入有功功率；　为在风电注　入功率　时系统的有功损耗；Ｑ　为在风电注　入功率　一时系统的无功损耗。　伽、　分别用来衡量风电注入功率尸ｉ唰对　系统有功和无功损耗的影响程度，伽、　越大，　说明风电注入对系统损耗影响越大，也即带来　的损耗大。　２．２单位电压偏移　单位电压偏移　

△　肚　＝　。　式中：　一为风电注入有功功率；Ｖ。为风电注入　功率为零时的母线电压；　ｉ一为在风电注入功率　

一时的母线电压。　ＡＶ／Ｐ用来衡量风电注入功率只一对系统母　线电压的影响程度，△　／Ｐ越大，说明风电注入对　该母线电压影响越大：也可以对不同母线的ＡＶ／Ｐ　比较来衡量风电注入对母线电压影响的差异。　

３仿真分析　３．１仿真系统介绍　仿真所用系统如图３所示，系统数据　见ＰＳＡＴ　工具箱ＴＥＳＴ文件，风力发电机采用双馈发电机，整个　风电场等值为１台发电机Ｇ２，在本文的静态电压稳定　性研究中，采用恒功率因数控制方式，故可以看作ＰＱ　节点。变压器参数和发电机参数见文献［１５］。　２０１４年第５期　・无功补偿与滤波・　张锁魁　（总第１５５期）　图３系统图　Ｆｉｇ．３　Ｓｙｓｔｅｍ　ｄｉａｇｒａｍ　

风电场参数一次升压变压器ｋｌ＝０．６９／１０．５＝　０．０６５　７，２　＝０．０２＋ｊ０．６１２　５；　１＝Ｏ．１９８＋ｊ０．６２４，Ｂ／２＝　ｊ０．０２；二次升压变压器ｋ２＝１０．５／１　１０＝０．０９５　５，　＝　

Ｏ．０２＋ｊ０．６１２　５。　典型风力机参数：额定功率２　ＭＷ：额定电压为　０．６９　ｋＶ；定子电阻０．０４８ｐｕ；定子电抗０．０７５ｐｕ；转子　电阻０．０１８ｐｕ；转子电抗０．１２ｐｕ；激磁电抗３．８ｐｕ。　３．２无功补偿对系统电压稳定性和损耗的影响　双馈发电机采用恒功率因数控制方式，功率　因数控制为０．９９。当无补偿时。求得风电注人功　率极限为　＝０．３４４　６４，此时系统的总损耗　＝　０．１６６　９８，Ｑｌ　＝Ｏ．３５０　９５，ｒ／Ｐ＝０．４８４　５，　＝１．０１８　３；　加入无功补偿ＳＶＣ（参数：　村＝１．００４　３，Ｂ　ｍ＝ｌ，　＝一１，　１Ｏ，Ｋ　＝１００，Ｓ　＝１００ＭＶＡ）后，注入功率　极限为Ｐ眦＝０．５６９　４９，此时　＝０．２７９　５１，Ｑ１　＝　１．１３０　９，７／ｅ＝０．４９０　８，ｒ／ｏ＝１．９８５　８。由无功补偿前后　的对比得知：补偿扩展了风电有功注入极限．从　Ｉ眦＝Ｏ．３４４　６４增加为尸　＝０．５６９　４９；　、Ｑｌ一伽和　。均增大，这是由于风电注入有功在风电场低压　线路上的损耗会随着注入有功的增加而增加。　为了进一步深入研究无功补偿对风电系统　电压稳定性和功率损耗的作用，我们取相同注入　功率Ｐ＝０．３４４　６４时有、无无功补偿来分析．见表　１、２。在相同注入功率的情况下，无功补偿使得单　位有功功率损耗　由０．４５８　５降为０．３６４　３，单　位无功功率损耗　。由１．０１８　３降为０．５１８　５；单　位电压偏移ＡＶ／Ｐ也降低很多，补偿点的单位电　压偏移降为Ｏ。　

表１有、无无功补偿时系统损耗对比分析　Ｔａｂ．１　Ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｓｙｓｔｅｍ　ｌｏｓｓ　ｗｉｔｈ　ａｎｄ　ｗｉｔｈｏｕｔ　ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　

表２有、无无功补偿时风电场节点电压对比分析　Ｔａｂ．２　Ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆⅥ　ｎｄ　ｆａｒｍ　ｎｏｄｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｗｉｔｌＩ　ａｎｄ　ｗｉｔｈｏｕｔ　ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ