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：
vw(t)=vwa+vwg(t)+vwg(t)+vwt(t) (1)
基本风：vwa=Ka,Kb为常值
阵风：
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其中，Rmax—渐变风最大值；T1r—渐变风开始时间；T1r—渐变风结束 时间；Tr—渐变风保持时间。
随机风：
其中，ωi—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；KN—平面扩张系数；F—紊乱尺度因子；μ—参考高度的平均风速；Sv(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
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，Pe、Qe分别为有功、无功功率；S为滑差；xm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。
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.
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