摘要：首先介绍了吉林电网风电接入情况，从理论上分析了风场有功出力对系统电压的影响，并在2010 年底网架结构的基础上，利用仿真软件计算出风电有功出力对地区电网电压的影响，最后考察了有功出力快速变化时无功补偿装置响应速度低对相关厂站母线电压的影响。理论分析和仿真数据得到了实际运行数据的验证。
1 引言
风能作为一种清洁的可再生能源受到世界各国的重视。近年来，我国风电发展迅速，到2010 年底风电并网总容量达到2 956 万千瓦，是2005 年的32 倍，年均增速接近100%。以吉林省为例，到2010 年底， 风电装机容量达215 万千瓦， 占电网直调机组总容量的14%。但大量风电机组并入的松白地区电网薄弱，网内电源支撑不足，大量风电运行给电网电压带来的影响主要有3 个： ①大量风电外送时需大量容性无功支撑; 风电外送较轻同时地区负荷较轻时，需大量感性无功支持;风电低发时，松白电网需要外部电源输入， 及大量容性无功支持;②风力发电有功出力快速变化时，将引起电压大幅波动;③受预报手段的效率影响，风力发电的随机性给电网调压带来困难。
此处以文献[1-3]的思想为基础，从吉林电网实际出发，理论分析和仿真计算了各种运行工况下现有风电装机容量对电网正常运行的影响，并得到了实际运行数据的验证，最后得出了风场运行和建设上关于无功补偿和电压调整上的建议。
2 吉林松白地区风电接入概况
图1 示出松白地区风电并网情况。可见，松白地区风电接入相对集中， 风场到接入点的接入线路长， 其中最突出的为TF 风场总容量450 MW，经TF 升压站升至220 kV 后通过105 km 的同洮线接入TN 一次变;DG 风场通过60 km 的220 kV线路接入DA 一次变。
3 风电功率输送对系统电压的影响[4]
根据电压变化经验公式， 风电场到其接入点的联络线功率在传输无功Q 不变， 输送有功由P波动至P+P 时， 可得电压变化水平与有功变化量之间的关系为：
式中：Ssc为母线短路容量;X，U 为联络线电抗及送端电压。
由式(1)可知，电压变化与联络线传输功率、联络线潮流波动大小、线路阻抗以及母线短路容量相关。联络线有功变化越大，电压变化越大;联络线基础潮流越大，电压变化越大。因此，对具体风电场而言，有功变化可能导致电压越限。
由于风场出力的间歇性， 其出力的变化率也对电压的稳定性带来影响。由式(1)可得：
因此，为满足风场出力快速增长的要求，必须配备响应速度足够快的无功补偿装置， 才能保证电压快速稳定。无功补偿装置的响应速率受到线路电压、输送有功、线路参数和有功变化率的影响。
综合式(1)，(2)可知，单个风场的有功送出受输送功率总值、电压水平和线路参数影响，并且有功变化率也对无功补偿的响应速率提出了要求。
4 仿真分析
为验证以上理论分析并探索大容量风电分散接入的电网电压情况， 对不同情况下风电场有功与接入点母线电压的关系进行了仿真。
4.1 TF 风场接入点母线电压
以TF 风场为例，TF 升压站下面总计汇聚了450 MW 的装机容量， 通过单回105 km 的LGJ-4002 线路接入220 kV TN 一次变，TN 变下网负荷100 MW+j10 Mvar。在风场升压站以下，风场与系统之间不存在无功交换的仿真条件下， 其他风场满出力，TF 风场出力从0～450 MW 变化时， 计算TF 升压站和TN 一次变220 kV 母线电压情况。图2 示出计算结果。
图2 TF 升压站和TN 变220 kV 母线电压
由图2 可知， 在此条件下，TN 一次变将长期低电压运行，当TF 风场出力PTF超过250 MW 时，TN 一次变的母线电压将低于额定电压的97%，不满足规定97%～107%的要求[5]。同时，随着PTF的增加，由于220 kV 同洮线无功损耗增加，TF 升压站和TN 变的母线电压均有较大幅度的下降， 满发时，电压下降最大，计算结果符合(1)的理论分析。因此，风场风电大发时，需要补充大量无功，保证接入点母线电压在规定允许范围内。
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4.2 松白地区风电接入点母线电压
为研究地区风电出力对该地区相关变电站母线电压的影响，在第4.1 节所述条件下，将松白地区所有的风场出力同时从零变化到100%进行计算，得到图3 所示曲线。结论与第4.1 节相似，地区各相关一次变电压普遍偏低，风电满发时，电压将全部不合格。由图3 中各曲线变化趋势可见，风电少发时，松白地区需从主网授入电力，系统电压降低;风电大发时，松白地区需向主网送出大量电力，无功补偿不足时，系统电压也将降低;在风电有功出力和当地负荷基本平衡时， 地区电压会比较平稳，结果符合实际情况。
4.3 无功补偿装置对地区电网电压的影响
理论分析和仿真结果表明， 要输送大量的风电有功出力，风场必须提供足够的无功补偿。安装足够的无功补偿装置后，风场出力满发时，相关厂站的母线电压能维持在220 kV 以上，但其无功补偿度必须随风场有功出力的变化而改变。
为研究过度的无功补偿给系统电压带来的影响，对以下情形进行计算：无功补偿容量按照风场满发时保证各相关厂站电压在220 kV 以上配置，然后逐渐减小风场有功出力， 计算各相关厂站的母线电压。为突出风场有功出力的影响，此处不考虑负荷变化对电压的影响。图4 示出受风场出力影响最大的4 个厂站电压曲线。
由图4 可知， 如果风场出力从满发迅速降到40%， 而满发时投入的无功补偿电容器未及时切除，TF 升压站的母线电压将大幅超过规定的额定电压的107%，可能造成过电压故障。ZL 变电压也偏高，考虑到负荷降低时，电压升高，这时某些接近高限运行的厂站电压有可能越高限。
5 实际运行数据
为验证理论分析和仿真结果， 采集了实际运行数据进行比较研究。图5 示出TF 风场出力对TF 升压站和系统接入点TN 变的电压影响情况。
图中曲线a 为TF 升压站母线电压折算值，曲线b 为TN 变母线电压折算值，曲线c 为TF 风场有功出力标幺值。由图5 可见，风场出力对TF 升压站和TN 变母线电压的影响，符合第3.1 节的结论，与第4 节中的仿真结果相互映证。同时，各风场接入变电站母线电压的变化受接入风场的影响较大，同时还受相邻其他大风场的影响。因此，风场无功电压调整首先应集中在大风场。
6 结论
理论分析和仿真计算结果表明， 在网架稳定极限允许范围内， 风电有功的送出必须配备足够的无功补偿容量[6]。无功补偿装置的响应速度必须满足风电有功出力快速变化的要求。因此，为了尽可能多送出风电， 除了电网公司继续加强电网建设外， 风电场也应该积极主动地配置响应速度足够快、容量足够大的无功补偿装置。同时，还应该充分利用双馈和直驱型风机的无功调节能力。
参考文献
[1] Palsson，M P Toftevaag，T Uhlen，et al.Large-scale Wind Power Integration and Voltage Stability Limits in Regional Networks [A].Power Engineering Society SummerMeeting[C].2002，2：762-769.
[2] 迟永宁，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)：77-81.
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[4] 郑太一，冯利民，王绍然，等.一种计及电网安全约束的风电优化调度方法[J].电力系统自动化，2010，34(15)：71-74.
[5] SD325-89，电力系统电压和无功电力技术导则[S].1989.
[6] Q/GDW 392-2009，风电场接入电网技术规定[S].2009.
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