毕业论文-分布式电源接入电网的静态电压稳定性研究

湖南大学毕业设计(论文)第页第1章绪论课题的研究背景及意义电力系统发展至今已经有一个多世纪的历史。电力系统传统上被划分为发电、输电和配电三大组成系统。配电网络位于电力系统的末端，直接面向用户，如果其不能提供可靠地供电，保证供电的电能质量，或者容易发生故障，会直接影响人们的正常生活和生产，造成重大经济损失。近几十年来，配网的负荷随着我国经济的飞速发展，人们生活水平的提高急剧增长。配电网络承受的负荷增加，使得原本有限的配网输送能能力受到挑战，运行状态越来越趋于极限。当配电网络的负荷接近极限，配电网络电压的稳定水平降低，影响供电的质量，不利于负荷增加。而今，出了负荷增长，在配电网络接入分布式电源成为了一种趋势。分布式电源（distributedgeneration，DG），由于大部分采用无污染的绿色可再生能源，其自身节能环保，满足可持续发展的要求，并且具备投资低效率高的优势，已经或即将大量接入配电系统，使得配电网络结构发生变化[1-3]。分布式电源的接入势必对系统电压稳定产生影响。对电压稳定水平的评估方法有多种，静态电压稳定由于计算量相对较小，并且能够在一定程度上较好的反映系统的电压稳定水平，发展较为成熟，常用于对电力系统进行视和优化调整，具有一定的实用意义。普遍认为，静态电压稳定性是整个系统电压稳定性的前提和基础。本文主要针对分布式电源接入配电网络之后，对电力系统静态电压稳定性进行研究。在各种分布式电源中，风力发电是其中发展最为成熟的方式。近年来，我国积极寻求能源结构调整的方法。由于我国境内风力资源丰富，风力发电备受青睐，风电装机容量剧增，所以本文选择风力发电作为分布式电源接入系统，对其对系统的静态电压稳定性的影响进行研究。目的在于了解分布式电源接入之后对静态电压稳定的影响，为选择分布式电源的接入方式与接入地点的选择提供参考。风力发电的发展现状与趋势我国的风能资源储量丰富，位居世界第一。据初步探明，我国的风能资源总储量达32.26亿千瓦，其中可开发部分达到10亿千瓦以上。其中陆地风能资源约有2.53亿千瓦，海上可开发的装机容量约达7.5亿千瓦。我国风能资源较为丰富的地区主要分布在华北北部、东北、西北、及东南沿海一带。近年来，国家政策支持分布式电源装机并网，使得我国的风力发电技术得到了迅速的发展[4-6]。我国的电网结构与国外的电网结构有所不同。由于我国风电能源集中且偏远。有别于国外的分布式小容量接入，我国风电多远离负荷中心，风电场呈现大容量、规模化的特点，目前风电场的规模大多为几十到上百兆瓦，集群化的甚至能达到上千兆瓦的规模,这些风电需要依托高电压等级大规模远距离输送[7-9]。目前，风电技术包括恒速恒频风电技术与变速恒频风电技术两类。恒速恒频风力发电系统应用十分广泛，但也存在缺点：首先在实际运行中需要吸收的大量无功功率，这将导致接入局部地区电压降低；其次由于转速恒定，风速的变化直接反映在机械转矩上，这会使得机组输出功率波动，影响电力系统运行稳定。相比于恒速恒频风电技术，变速恒频风电系统风能利用效率较高并且在控制系统的调节下，风机在各种情况下运行稳定[10]。变速恒频风电系统主要包括双馈感应风电系统与永磁同步风电系统。双馈感应风电系统的缺点是齿轮箱的故障率较高及可靠性较差。永磁同步风电系统的风力机与永磁同步发电机通过轴系直接连接，再通过全功率变频器与电网相连。余双馈感应风电系统相比这种风电系统因不使用增速齿轮箱减少了故障率，而且能量转换效率和运行可靠性都有所提高。因此，永磁同步风电系统受到国内外学者的关注。随着变频器的性能不断提高与成本下降，永磁风电机组已经成为风力发电领域的重要发展方向[11-13]。国内外研究现状用风力进行发电最早开始于1891年，当时丹麦的P.L.Cour教授建造出了世界上第一座风力发电试验站，标志人类正式开始利用风力发电。现代风力发电开始始于20世纪70年代。从1973年起，由于化石能源的短缺以及全球范围内的环境恶化，使得风电获得了较快发展。从20世纪90年代开始，风力发电容量以每年22%的增长速度迅猛发展，达到了风电发展的巅峰时期。预计到2020年，风电可占世界总发电量的12%。采用不同类型的风力发电机型接入电网运行的影响不同，风电场并网运行若如果采用异步发电机的风力发电机组发电，需要从电网吸收大量无功功率。，如果是采用双馈型风电机组机的风电场，虽然选择即使其运行在恒功率因数1时不需要从电网吸收无功功率，。但是当风电场向电网输送有功功率时，并网线路将会产生大量无功损耗，这些损耗由电网承担,这也将会导致电网系统电压稳定性降低。国内外有大量对含有风电场的电网静态电压稳定性的研究。文献[4]分析了风电场容量逐渐增加对地区电网电压稳定有不利影响，在系统无功支持不足的情况下，地区电网电压会崩溃。。分析风电场不同出力水平对地区电网关键母线电压的影响，以及进行了分析并对某些节点加与不加无功补偿装置对节点电压的影响时，可以文章采用连续潮流计算得出P-V曲线进行了仿真计算进行[14]。；文献[5-7]通过描点法描点绘制描点出风场的不同出力下系统相关节点电压绘制P-V曲线，研究了接入了风电系统的电压稳定问题[15-17]。文献[8]分析了对风电并网后影响系统静态电压稳定性的主要因素,并提出了提升系统电压稳定性的措施[18]。文献[9]分析了不同类型风电机组组成的风电场并网运行时对系统潮流结果的影响有不同的影响，采用不同控制模式控制双馈型风电机组，对电压控制特性和无功控制特性进行比较分析[19]。本文的结构研究内容针对风电并网本文主要对风电并网后的静态电压稳定性进行研究。主要工作分为以下几个方面：(1)介绍不同类型风力发电机组的结构与特性，并对不同类型的风力发电机组在潮流计算中的模型及处理方式进行分析。(2)介绍了静态电压稳定性的概念，并简要论述了灵敏度法、连续潮流法及基于连续潮流法的P-V曲线、Q-V曲线在静态电压稳定性计算中的应用。(3)采用标准的三机九节点系统作为算例，分析分布式风电并网后对系统静态电压稳定性的影响。采用灵敏度法及连续潮流法分析了不同类型风力发电机不同出力时，风机接入对系统的静态电压稳定性影响。(4)采用标准的IEEE33节点系统为算例，分析风电接入对系统静态电压稳定性的影响。主要考虑风电机组并网后，对区域电网的电压静态电压稳定性的影响。并分析多点接入风电机组后对系统静态电压稳定性的影响。最后分析了系统接入无功补偿装置后，风电接入对对系统静态电压稳定性的影响。

风电机组及风电场潮流计算模型风力发电机组概况根据风电机类型、运行方式、控制方式的不同可以对将风电机组进行分类。根据使用的发电机类型不同可以将风电机组分为基于普通异步发电机、基于双馈感应发电机、基于同步电机的风电机组。其中基于普通异步发电机的机组不含有电力电子变频器，基于双馈感应发电机的机组采用部分功率电力电子变频器，基于同步电机的机组采用全功率电力电子变频器。如果按照风电机运行的转速范围分类，可以将风电机组分为恒速风电机组和变速风电机组。如果按照风电机组叶片控制方式的不同进行分类，可以将风电机组分为定桨距风电机组与变桨距风电机组[20-21]。风力发电机组的基本类型2.2.1基于鼠笼式异步风力发电机的恒速风电机组图2.1鼠笼式异步风力发电机的恒速风电机组如图所示，鼠笼式异步风力发电机恒速风电机组由风力机、齿轮机、鼠笼式异步风力发电机、软启动装置、并联电容器组、变压器组成。在正常运行时，风机恒速运行，发电机的转速由级数和齿轮箱决定。如果使用双速发电机，可以使风力机在两种不同速度间切换，从而提高输出功率。通常风力机的叶片采用定桨距失速控制，或者是采用主动时速的桨距角控制。由于异步发电机运行时需要吸收大量无功，并联电筒补偿组可以提供无功补偿，从而维持机端电压稳定在一定范围内。鼠笼式异步风力发电机的恒速风电机组的优点是结构简易、鲁棒性好、造价低廉、无需维护、控制方便。目前，异步发电机风电机组是我国应用最为广泛的一种系统。然而它也存在一些缺点，例如：输出有功功率波动大、齿轮箱容易故障、对叶片要求高、需要额外进行无功补偿等等，这些使得这种风力发电系统的容量通常较小。2.2.2基于双馈感应发电机的变速变桨距控制风电机组图2.2双馈型风力发电机组并网结构图双馈式风电机是一种变速恒频风力机，如图所示，由风力机、齿轮箱、感应电机、PWM变频器和直流侧电容器等部分组成。发电机的转子通过部分功率变频器接入电网，定子直接入电网。这种风电机组能够在较大速度范围内运行，实现与电网的能量双向传输。这种风电机组通过变频器对发电机的有功、无功功率进行解耦控制，使得风电机组能够变速运行，从而提高风能的转换效率，达到最大风能捕获。于恒速恒频风力机相比，它的优点在于：1）能够追踪最大风能，提高风能利用率；2）通过控制转子电流就可以在大范围内控制电机转差、有功功率和无功功率率，参与系统的无功调节，不需要无功调节装置，提高系统稳定性；3）转子侧控制功率因数，提高电能质量，便于并网；4）降低机组机械应力和输出功率波动性；5）变频器铜梁占风力机额定容量小，降低了变频器的损耗和投资。它的确定是控制方式比较复杂，机组价格较高。双馈式风机目前是风电技术的研究热点，我国已有一部分风电场使用这种风力发电机组。2.2.3基于永磁直驱同步发电机的风电机组图2.3.永磁直驱同步型风电机组并网模型永磁直驱同步风电机组由变桨距风力机、传动系统、永磁同步电机、全功率变频控制系统及桨距角控制系统五不封组成。风力机与发电机之间由联轴器直接耦合，省去了齿轮箱。全功率变频控制器包括发电机侧变频器和网侧变频器。由于这种机组系统通过两个全功率变频器树洞到电网中，与电网彻底隔离，所以即使在不同频率下运行也不会有限电网频率。永磁直驱同步风电机组的优点有：1）风能利用效率高；2）不需要无功补偿装置；3）改变变频器的调制比能分别控制有功功率和无功功率，在系统故障时提供无功支持，提高电网稳定性；4）无需齿轮箱，维修概率小；5）可以向偏远地区、海岛等孤立网络供电，有轻型直流输电的优势。由于全功率变频器的造价高损耗大，永磁直驱同步风电机组在国内应用尚未出现。风电场的潮流计算模型在进行常规潮流计算时，系统母线被分为PV节点、PQ节点以及Vθ节点三种不同的类型。目前，在潮流计算中，风电机组的节点处理方式一般采用以下三类：PQ简化模型、PQ迭代模型、RX迭代模型。2.3.1异步风力发电机在潮流计算中的模型异步风力发电机本身没有励磁调节装置，不能调节电压，因而不能像传统同步发电机一样当做电压幅值恒定的PV节点来处理。异步发电机发出有功功率的同时会从系统吸收大量无功功率。吸收的无功功率由机端电压、滑差和发出的有功功率组成的函数决定的。因此也不能将其看作一般的PQ节点。1）PQ简化模型该模型把风电场在潮流计算中处理为PQ节点，直接依据已知的功率因数计算求得无功功率。这种方法无需改动现有的潮流程序，十分简单，但是过于粗略。运行状况不同，风电场无功功率的需求也不同，功率因数也在不同运行方式下改变。因此由这种模型得到的计算结果不够准确。2）PQ迭代模型这种模型对异步风力发电机吸收的无功功率的方法如下：图2.4异步发电机Γ型等值电路其中，由此可得：由此可推导出滑差的表达式：异步风力发电机吸收的无功功率可以表达为一下P和s的关系式：计算流程如下流程图：图2.4PQ迭代模型计算流程图直到这种模型与PQ简化模型相比，考虑了节点电压对风电场无功功率消耗的影响，提高了准确性。缺点在于迭代次数多，计算速度慢。3）RX迭代模型将异步发电机视为阻抗型负荷计入潮流计算，从而得到风力发电机的电磁功率。再由风速等信息计算出风力机的机械功率。由能量守恒定律克制，风力机产生的机械功率和异步发电机发出的电功率应该相等。所以利用两个功率之差修正滑差。反复迭代，当电功率和机械功率差值达到误差范内时，结束迭代。2.3.2双馈型风力发电系统在潮流计算中的模型双馈异步风力发电机的控制方式主要由两种，分别是：恒功率因数控制方式和恒电压控制方式。在系统潮流计算中对双馈异步风电机组进行处理时，要根据双馈风机不同的运行控制方式确定。当双馈发电机运行于恒功率因数控制方式时，风电场节点视为PQ节点，无功功率根据有功功率和风机运行功率因数得出。当发电机运行于恒电压控制方式时，把风电场节点视为PV节点，如果风电场超过无功限制，则将风电场节点从PV节点转为PQ节点处理。2.3.3永磁直驱同步风力发电系统在潮流计算中的模型永磁直驱同步风力发电系统在运行过程中，一般不需要从电网吸收无功功率，它与双馈型风机虽然都属于变速恒频风电系统，但是由于采用永磁同步发电机，他的功率输出全部需要救过变频器进行整流逆变，这与双馈感应风力发电系统有所不同，因而需要正确处理其在潮流系统中的模型。永磁直驱同步风电机组有功功率的控制通过最大功率控制和变桨距控制实现。无功功率的控制方式有三种：A、恒功率因数控制B、恒电压控制C、恒无功功率控制。采用恒功率因数控制或恒无功功率控制时，机组通过控制网侧变流器的电流直轴交轴的分量，实现机组功率因数的为制定值。在这种控制下，风电场的节点视为PQ节点，P与Q之间呈线性关系。采用恒电压控制方式时，机组能够吸收或发出无功功率，从而保持机端电压恒定。因而在机组无功调节范围之内，通常将风电场在潮流计算中的节点视为PV节点。当所需无功大于机组能发出无功的最大值时，风电机组在系统中节点类型又变为PQ节点。本章小结本章首先简要介绍了三种常见风力发电机组的基本类型、概念其次，介绍了目前在电力系统潮流仿真中对风电场进行潮流仿真所采用的计算模型，并对不同模型在在计算速度、计算结果的准确性等方面进行了比较。其中，介绍了双馈型风电机组和永磁直驱同步发电机组在不同控制模式下对潮流模型的影响为用连续潮流法对电力系统电压静态稳定性分析提供理论基础。

静态电压稳定性分析电压稳定性概述电力系统的稳定是人们日常生活生产正常进行的保障，发生电压崩溃事故严重影响人们的正常生活与生产。自上个世纪七十年代起，全球多个国家的电力系统相继发生了电压崩溃事故，造成了巨大的损失，这使得学术界开始重视电压稳定性问题的研究。各国的研究机构纷纷投入了大量的经费进行研究。随着人们对能源需求的日益增加，负荷和分布式电源的接入，电压不稳定已成为威胁对电力系统正常运行的重要因素的影响越来越大，对电压稳定性的研究已经也成为了十分重要的课题。电力系统在额定运行时，受到扰动，系统母线电压都能保持在允许范围内，称为电压稳定。当受到扰动、负荷增加或系统条件变化等干扰时，电压连续不可控地降落，则称为电压不稳定[22]。电压稳定性的问题可以通过不同的分类方法进行分类。根据研究时间范围的大小不同，可以把电压稳定分为暂态稳定、中期电压稳定和长期电压稳定。依据扰动程度不同，电压稳定问题问题可以分为大大扰动电压稳定、小小扰动电压稳定。这种分类方式可以区分出能够用静态分析检验的电压稳定性问题和必须利用非线性动态分析进行检验的电压稳定性问题。这种分类可以将必须利用非线性动态分析来检验的现象和可以用静态分析来检验的现象区分开来。根据研究时间范围的大小，可以把电压稳定分为暂态稳定、中期电压稳定和长期电压稳定。如果更具根据研究方法分类，有又可将电压稳定分为静态电压稳定，动态电压稳定以及暂态电压稳定[23-24]。静态电压失稳失稳：负荷缓慢增加的同时，，致使端母线电压随之缓慢下降，当负荷大小达到超过电力系统承受负荷增加能力的临界值时可承受的极限时，电压失稳。整个过程中母线电压相角和发电机转子角度没有明显变化。动态电压失稳：系统受大扰动或发生故障，对其进行网络操作，切机、切负荷等操作，保证功角暂态稳定，保持系统频率稳定。，由于系统结构变脆弱，系统或局部支撑负荷的能力变弱，在负荷恢复过程中致使电压失稳。暂态电压失稳：电力系统发生大扰动或者故障后，伴随系统事故处理过程中，发电机间相对摇摆，某些负荷母线发生不可逆转的突然下降失稳。静态电压稳定性在这三种稳定性中，计算量相对较小，发展较为成熟，并且可以在一定程度上较好的反映系统的电压稳定水平，常常用于电力系统稳定性的评估，为电力系统的优化和调整提供参考[25]。静态电压稳定性被普遍认为是电力系统电压稳定性的前提与基础，对静态电压稳定的研究也是为暂态电压稳定的分析的基础。静态电压稳定分析方法静态电压稳定性问题一般一般采用静态稳定分析方法进行研究。建立，用电力系统潮流方程或扩展潮流方程作为基本分析模型。静态电压是否达到稳定，运用静态稳定分析法方法的理论主要分析的是讨论的是电压稳定是一个是否存在稳定平衡点的问题，也可以认为是潮流方程是否存在可行解的问题。当系统负荷在功率注入空间朝同一方向增长，潮流方程的解成对减少。当接近负荷极限点时名誉极限负荷参数对应的潮流可行解点就是静态电压稳定的临界点[26]。静态分析法不仅能计算出各种灵敏度指标，还可以计算出系统的稳定裕度，从而反映出系统的电压稳定性水平。由于其计算量小，因此是最为常用而且有效的分析电力系统稳定性的方法之一。静态电压稳定性分析法发展已较为成熟，常见的有连续潮流法、灵敏度法、奇异值分析法（特征值分析法）和最大功率传输功率分析法。本文采用灵敏度法和基于连续潮流法的P-V曲线和V-Q曲线法对风电场接入电力系统静态电压稳定进行仿真计算。3.2.1灵敏度法灵敏度方法是最早应用于静态稳定性分析的指标之一，它的原理及实现方法都比较简单，是目前较为常用的一种方式。它给出了电压崩溃的指标,并且提供的数据信息可以方便地分辨出系统中各节点的强弱，从而分析所需要采取的对策。用于：1、判断电压稳定性；2、确定薄弱母线；3、确定无功补偿的位置。目前采用的灵敏度的指标种类很多。有表征发电机无功功率随负荷功率变化的指标和；表征负荷节点电压随负荷变化的指标和以及。还有表征网损随负荷功率变化的指标以及反映负荷节点电压与发电机节点电压变化的指标等等。本文采用dV/dQ灵敏度指标进行静态电压稳定性的分析。dV/dQ灵敏度模型的原理如下：设接入系统的节点有n个，PQ节点有个（无功出力越限的发电机组也视为PQ节点），PV节点有个，平衡节点一个。极坐标下的牛顿拉夫逊潮流计算方程如下： （3.1）其中是节点注入的有功功率的微增列向量，含n-1个元素；是节点注入的无功功率的微增列向量，含个元素；是节点电压相角变化向量，含个元素；是极坐标下的系统潮流方程雅可比矩阵，其中，是的子阵；是的子阵；是的子阵；是的子阵；是的子阵。令有功注入不变，即，得(3.2)令,得：(3.3)式中S为系统dV/dQ压灵敏度矩阵。从而得到系统dV/dQ线性化关系模型：(3.4)其中、分别为系统PQ节点的电压和无功变化；为U-Q灵敏度矩阵，它反应系统的电压与无功间的变化关系。第i个对角元素是节点i的dV/dQ灵敏度。V-Q灵敏度为正表示系统电压稳定，灵敏度越小系统越稳定。V-Q灵敏度为负时，系统电压不稳定。改分析建立在线性化模型基础上，只对小的变化有效。3.2.2常规连续潮流法连续潮流计算方法采用从基态逐渐过渡的方法计算系统输电能力。在一般的潮流计算中，方程临界点附近趋于奇异，潮流计算不收敛。而增加一维参数化方程，能够有效解决不收敛的问题，从而精确地求解电压稳定临界点，容易地求出系统输电能力。连续潮流的计算一般主要由参数化、预估、校正和步长控制这几个部分构成。一个n维单参数非线性方程：,其中X表示未知变量，表示物理参量。有非线性数学中的隐函数定理可知，在点附近，方程定义了唯一一天经过的解曲线分支。如果采用常规方法逐步变化物理参数λ用牛顿法求解，在鞍结分叉点附近雅可比矩阵奇异，无法继续求解。连续潮流法基于参数变化思想，选择为新的物理参数，将作为待求变量，这样就可以消除雅可比矩阵奇异的现象。1、参数化参数化通过选取连续性参数，从而消除系统病态。主要方法有：(1)物理参数化：选用控制参数λ变化进行参数化过程，每部步长为。实际上，这种方法在鞍结分岔点附近同样会导致求解困难，因此在实际用应用中一般不采用。(2)局部参数化：选择状态向量X或者控制参数进行参数化，每步步长为或。(3)弧长参数化：选用解曲线的弧长进行参数化，每步步长：(3.5)此外还有将平衡母线出力、系统网损等作为连续性参数的参数化方程。2、预估预估是从已知潮流解出发，预测下一个潮流解，并作为校正环节求取实际潮流计算解时迭代机端的初值。如果预估的方法恰当，预测解合适，就能有效减少校正环节的迭代次数，提高计算效率。常用的预估方法有切线法和割线法。(1)切线法图3.1切线法原理图切线法需要求解解连续潮流方程中的参数变量和各状态变量的微分：（3.6）用矩阵可表示为：（3.7）其中，是对应于潮流扩展后参数化潮流方程的雅可比矩阵。方程（3.6）中未知数个数比方程数多一个，原方程不足以求解，需要额外构造一个方程，与方程组联立求解。一般采用用参数化方法进行构造。构造方程如下：（3.9）其中，为行向量，其第k个元素是1，其它元素都为0。其中，正负号表示追踪曲线的方向。正号表示在追踪方向上减小，反之为增加。对连续潮流计算进行预估的第一步一般选择d=1作为局部参数化方程。在后续进行潮流计算时，一般选择当前电压幅值变化最大的状态量构造预估环节的局部参数化方程，向量中k应满足：（3.10）联立公式(3.6)(3.8)求出各个参数变量及状态变量的切向量，即可计算出下一个潮流解的预测解，如下：（3.11）其中，h为步长，步长由步长控制环节决定。(2)割线法图3.2割线法原理图用割线法进行预估需要上一步和当前步两个潮流解，设是连续潮流计算的上一步解，是当前步的潮流解，下一步潮流解的预估可以表示为：(3.12)其中，h为预测步长，由步长控制环节确定。3、校正用预估所得的预测解作为潮流计算的初始值进行校正，计算潮流方程的实际解。如果预估环节所得的预测解比较好，这样呢在校正环节仅需要很少的迭代步数就能使计算收敛。校正环节常用的潮流计算方法有牛顿法、拟牛顿法。校正环节由于方程数也比待求量多一个，也需要用参数化方法构造一个方程与方程(3.6)联立求解。校正方法可分为局部校正和弧长校正等。4、步长控制在连续潮流计算过程中，由于如果步长h选择较大，虽然能提高计算效率，但可能指示校正时迭代次数过多，甚至潮流计算不收敛，影响电压稳定临界点的计算精度。如果步长选择较小，虽然能提高计算精度及收敛性，但是连续潮流计算步数增加，从而计算量增加，降低了计算效率。因此，选择适当合理的步长控制策略十分重要。连续潮流的计算是目前求解P-V、Q-V曲线的常用方法。3.2.3P-V曲线分析法图3.3P-V曲线示意图在常规电力系统应用连续潮流的P-V曲线分析静态电压稳定问题时，V一般表示待研究节点的电压幅值，P可以表示某一负荷节点的有功负荷，也可以表示一个区域的总有功负荷。如图所示，为系统当前运行点，为系统临界运行点，负荷功率的极限为，有功裕度为。P-V曲线的上半部分是稳定区，下半部分则不稳定。由于从P-V曲线可以直观地判断出负荷节点的负荷功率极限和电压稳定裕度。也可以从系统当前稳定运行的状态出发，逐步增加某节点或者区域的负荷，绘制P-V曲线。使用P-V曲线分析含风电场的系统静态电压稳定时，P代表整个风电场注入系统的有功功率。V则代表风力发电机组机端、并网点或电网内其他母线的电压幅值。用P-V曲线分析风电场接入系统的电压稳定性的本质是分析风电出力波动对电网电压的影响。对含风电场的电压稳定性进行方针是，不断增加风电出力。通过计算每个离散点的静态潮流，得出关键母线风电场出力的电压变化曲线，从曲线中可以的到当前运行点与电压临界失稳点的距离，的到有功功率的裕度。在求含风电场的系统P-V曲线时，电力系统中其它节点负荷功率大小与发电厂有功出力均保持不变。3.2.4V-Q曲线分析法如图所示，V为待研究节点的电压幅值，Q为该节点注入的无功功率。V-Q曲线标志了节点电压随着节点注入无功的改变而改变。图3.4V-Q曲线示意图V-Q曲线底部无功功率随电压幅值的变化率为0，是电压崩溃点，电压奔溃点的右侧，无功功率随电压幅值的变化率为负，此时系统电压是稳定的，而在崩溃点的左侧，系统的电压使不稳定的。曲线的斜率越大，节点的刚性越好。无功功率随电压幅值的变化率为可以反映节点的无功裕度，其大小为系统当前运行点到电压崩溃点间的距离。在绘制V-Q曲线时，通常将虚拟的同步调相及安装在需要研究的关键母线或重要变电站母线处，同时设置母线为PV节点，设置该母线电压为一系列不同的值，通过连续潮流计算，得到母线电压在不同电压值下的无功功率值，最后将一系列电压值与对应无功功率之间连接起来解可得到V-Q曲线。V-Q曲线能反映出网络中某点在某一电压水平下还能提供的无功功率大小，能够定量直观地看出电网中某一节点或面的无功裕度。无功裕度越大，母线距离电压崩溃点越远，系统的静态电压稳定性越好。含风电场的电力系统电压稳定性，还与电网的网架结构密切相关，若电网处于电网末端，电力网络结构薄弱，该片区的电压稳定问题就会较为突出；若电网结构较为强壮，在某些母线电压偏低时，可以及时提供无功功率，此时含风电系统的电压稳定性就能得到保证。本章小结本章首先介绍了电压稳定性分析的不同方法，其次，介绍了用于分析静态电压稳定性的灵敏度法和连续潮流法，并论述了两种方法的应用特点及应用方向。最后基于连续潮流法，可对实际电力系统求取P-V曲线以及V-Q曲线得到系统的稳定裕度，根据稳定裕度的大小判别系统的稳定程度。

大型风电机组并网静态电压稳定性分析仿真软件介绍—DIgSILENT/PowerFactory目前，对电力系统的数字分析由于具备现象直观、仿真方便等诸多优点被广泛地应用。数字仿真能够实现电力系统的潮流分析、暂态电压分析、短路计算、小干扰电压分析等。本文中接入风电的电力系统进行分析，需要仿真软件包含完整的电力系统基本组件模型，还提供能够搭建风电模型的组件或语言。DIgSILENT/PowerFactory（DigitalSImuLationandElectricalNeTwork）是可以实现本文需要的一款软件。它全面地引入了数据库和面向对象编程技术的概念，允许用户创建详尽的电力系统元件模型，包括稳态、时域、频域等一系列参数，而且包含全面的电力系统元件模型库。它在仿真微电网、新能源发电、电能质量、配电网方面表现强大，尤其擅长在风电、光伏、配电网和电能质量的计算仿真。DIgSILENT/PowerFactory的模型库中，除了包含变压器、发电机、电力系统动态负荷、输电线路、断路器、电压/电流互感器等常用电力系元件仿真模型，还包含了丰富的控制器模型，如原动机控制器、PSS、发电机电压控制器、静止无功补偿系统控制器。此外还包含了用于风电计算仿真的风电机组电气部分组件，比如双馈感应异步发电机，永磁直驱同步发电机，全功率变频器等等。除了提供丰富的模型库和内建计算功能，DIgSILENT为了满足用户自定义的需求，还提供了仿真语言DSL和编程语言DPL，便利用户建立自定义的模型和计算。例如在对风电系统进行仿真时，对风速以及发电机组的控制系统等数学模型都能通过DSL编程实现。在本文中，求取系统的有功裕度，无功裕度，则运用了DPL语言脚本。风电机组并网对静态电压稳定性的影响4.2.1风电机组出力和风电机组类型并网对静态电压稳定性的影响4.2.1.1三机九节点算例系统本节采用三机九节点系统，用电力系统仿真软件DIgSILENT/PowerFactory进行建模及计算分析。图4.1三机九节点系统系统中负荷总有功功率为315MW，无功功率115Mvar。母线1、8、9都为PV节点，V保持不变灵敏度为0。其他节点的灵敏度如下表：表4.1三机九节点中各个节点的灵敏度节点灵敏度Bus60.00091020Bus50.00090638Bus80.00071483Bus70.00043397Bus40.00043140Bus90.00041025从表中数据可见，母线5、母线6、母线8的灵敏度指标相对较高，由第三章的结论可知，这些母线是相对薄弱的。这是因为这三个节点距离发电场较远，并且有大负荷负载，致使这些母线相对薄弱。一般而言，母线薄弱程度与母线到发电厂的电气距离有关。电气距离越远，则母线越薄弱。在该系统中节点6为最薄弱母线。图4.2母线6的P-V曲线图4.3母线6的Q-V曲线母线6的P-V曲线中可知，系统有功432.81MvW,由Q-V曲线中可知，母线6的无功裕度为256.9Mvar。4.2.1.2风电机组从一条母线并入系统对系统静态电压稳定性的影响在母线6上接入额定功率为160MW的风电机组。风电机组控制方式为设置为功率因数为1的恒功率因数控制。改变风电机组的出力，用描点法绘制风电场出力与母线6电压的P-V曲线，如图4-4。图4.4不同风电机组接入bus6时的P-V曲线由图4-4中三条曲线的趋势可知，风电机组的不同出力对母线电压影响的不同。在风电出力小于一定值时，提高风电出力能增加有效增加系统的电压支撑能力，但当出力高于一定值时，母线电压又呈下降趋势，系统电压的支撑能力减弱。对于异步风电机组，它的接入明显减小了母线6的电压幅值。虽然接入异步风电机组后，增加异步风电机组出力能抬升一定电压，由于异步风电机组的接入运行会消耗吸收大量无功功率，效果非常有限，无法弥补其大量无功功率需求的增加系统电压的影响，使得母线电压大幅跌落。由此可见，异步风电机组直接接入系统不利于系统的电压稳定性。必须对其消耗的无功进行补偿。对于双馈型风电机组和永磁直驱同步型风电机组，接入一定容量的风电机组有利于系统的电压支撑，在一定范围内能够抬升系统母线电压。而当接入的风电机组容量较大时，对系统的电压支撑能力逐渐降低，甚至使得电压下降。这是因为双馈型风电机组和永磁直驱同步风电机组都采用了功率因数1的恒功率因数控制方式。一方面，在这两种风电机组运行时不需要从系统吸收无功功率，并且在一定范围内减轻系统有功功率的负担，从而对系统电压的起到支撑的作用。另一方面，这两种风电机组不能提供无功支持，并网线路和机组其他设备的无功损耗都需要系统承担，随着风电场出力的增加，无功损耗不断增加，降低了系统电压的稳定性。在两方面因素的作用下，系统电压稳定性就出现了如曲线图所示的先升后降的过程：风电机组出力较低时，风电机组注入功率对系统电压稳定性的支撑作用占主导，因而能够在一定范围内提高系统电压稳定性。当风电机组出力不断增加时，线路的无功损耗对系统电压稳定性的损害作用占主导，使得系统电压稳定性降低。图4.5不同风电机组接入bus6系统有功裕度变化曲线由图4-5可见，不同类型的风电机组接入母线6时，有功裕度变化的趋势和电压随风电出力变化的趋势相似。这是由于随着风电的加入，系统总的装机容量增加，所以系统的有功裕度也增加。但是当系统负荷不断增长时，无功需求也同比不断增长，此时，风电机组无力提供额外的无功，使得当风机出力达到较大时，其额外消耗的无功还需要占用原本提供给负荷的无功，使得系统对负荷的无功支持减少，无法支持负荷运作，从而使得有功裕度下降。图4.6节点灵敏度随双馈型风电机组出力的变化以双馈型电机组为例，各母线灵敏度随风电机组出力增加的改变在风电机组出力较小时，变化不大，当风电机组出力较大时有明显，且灵敏度指标较高的母线变化相对明显。一方面，这说明接入风电机组后如果风机出力较大，系统电压对负荷状态的变化更敏感；另一方面，说明薄弱节点电压更容易受到风力发电机组接入的影响。由此可推测，仅当一条母线接入适量风电机组，在提高该母线电压的同时，可能使其他母线的静态电压稳定性变差，从而使得总体的静态电压稳定性变低。选择距离发电厂远且带重载负荷的三条母线，母线5、母线6、母线8，分别接入63MW的双馈型风力发电机组。图4.763MW风力发电机组接入不同节点的母线电压分布由电压的分布图可知，选择相对不薄弱的母线8接入风力发电机组时，不但未能使母线8的电压抬升，还使得整个系统的电压下降。给整个系统的电压稳定带来了不利影响。4.2.2风电机组分布式接入对系统静态电压稳定性的影响除了风电大规模集中接入配电网络，在风力资源丰富的地区，可以将较小规模风电接接入低压配电网络。本节采用IEEE33节点对小规模选择无功性能较好的双馈型风力发电机组接入配电网络对区域静态电压稳定性进行分析。4.2.2.1IEEE3算例系统IEEE33节点系统由无穷大系统供电，系统负荷总有功功率为3.715MW,无功功率总和为2.3Mvar。图4.9IEEE33节点分布图图4.10IEEE33节点灵敏度分布图从IEEE33节点的灵敏度分布可知，节点7~17的区域系统非常薄弱，节点27~32的区域薄弱状态次之。4.2.2.2风电机组接入低压配网对静态电压稳定性的影响分别选择从节点11、节点29接入1MW的双馈型风力发电机组，由图4-11可知，两种风电机组接入方式都能够有效提升系统电压水平，尤其是对自身节点及邻近节点的电压。灵敏度指标高的节点电压幅值的改变较灵敏度指标低的节点明显，灵敏度指标低的节点（如18~21节点），几乎不影响其电压幅值。若在11和29节点同时加入各为1MW的风力发电机组，两个薄弱区域区域的电压支撑强度都升高明显。图4.11接入风力发电机组不同情况下的节点节点电压分布如果系统某些区域原本电压就较高，接入分布式风力发电机组，可能导致电压过高，闪变等不利影响。图4.12风电机组介入后对系统灵敏度指标的影响。表4.2不同风电接入方式系统无功裕度风电接入方式有功裕度MW不接13.62节点11接入1MW风电14.43节点29接入1MW风电14.4611、29节点各接入1MW风电15.33由图4-12可见，在11节点接入风电机组之后，11节点所在的灵敏度指标较高的区域灵敏度指标明显降低，该区域的静态电压稳定性明显提升。由表2可见，接入风电机组后，系统有功裕度增加，静态电压稳定性提升。由这个算例可见，分布式风电的接入对不同位置以及不同性质的节点的影响不同。对邻近节点以及薄弱节点的影响较大。所以在分布式风电接入时，要重点对这些节点进行考察。增加无功补偿4.3.1三机九节点系统图4.13无功补偿对异步风力发电机组接入的影响图4.14无功补偿对双馈型风力发电机组接入的影响图4.15无功补偿对双馈型风力发电机组接入对无功裕度的影响在对风力发电机组进行无功补偿后，风电接入节点与风机出力的P-V曲线显著抬升，电压稳定性提升。因此，异步风力发电机组接入系统时必须根据其无功特性同时接入无功补偿装置，从而减少它对电压的稳定影响。而对于双馈型风力发电机组和永磁直驱同步型风力发电机组，由于本身不需要从系统无功，所以无需补偿过多的无功功率就可以提高系统对电压的支撑。同时，系统的无功裕度明显提升。以接入80MW的系统的双馈风力发电机组为例，有功裕度从472.5MW提高到488.25MW，提高了15.75MW。可见进行无功补偿能有效提高静态电压的稳定性，并且更有效地利用装机容量。4.3.2IEEE33节点系统图4.16在11节点处接入无功补偿对系统电压的变化图4.17在11节点处接入无功补偿各节点灵敏度的变化在11节点加入无功补偿后，进一步提高了对系统电压的支撑，减小了灵敏度指标，提高了系统静态电压稳定性。本章小结本章主要在DIgSILENT中，运用第三章介绍的方法，对风电接入系统后的静态电压稳定性进行计算分析。首先在三机九节点算例中，对不同类型的风力发电机组，以及风电的不同出力对系统的影响情况进行计算，绘制出风机出力以及节点电压的P-V曲线图，并计算各节点的灵敏度指标、有功裕度，以此来分析风电接入对系统静态电压稳定性的影响情况；随后，采用双馈型风电机组接入IEEE33节点系统，研究风电接入系统对系统中各节点的影响以及电压分布的变化，利用灵敏度法对各节点的灵敏度指标变化情况进行计算；最后探究系统接入无功补偿设备后对系统静态电压稳定性的改善状况。(1)不同类型的风力发电机组并网对系统静态电压的稳定性影响不同，主要原因在于机组的无功特性不同。异步风理发店电机组从系统吸收大量无功使得接入点电压严重下跌，不利于系统静态电压稳定性；双馈型风力发电机组和永磁直驱同步发电机组不从系统吸收无功，可以在一定程度上支持电压稳定性。(2)并网的风力发电机组的出力不同,对系统静态电压的稳定性也不同。风力发电机组出力较小时，有利于提高系统电压的支撑力度，风力发电机组出力过大时，会使得接入节点电压降低，并且静态电压稳定性恶化，容易受扰动影响。(3)分布式风电并网，对灵敏度高的以及与并网点邻近的节点区域的电压水平影响较大。(4)分布式风电并网，对薄弱节点的静态电压稳定性改善较为显著。无功补偿能有效提高静态电压的稳定性，并且利于更有效地利用装机容量。对于异步风力发电机组而言，必须对其进行无功补偿才能并网。

总结与展望本文对分布式风电接入系统对系统静态电压稳定性进行研究。以DIgSILENT为仿真系统进行仿真模拟。着重对不同风机类型、不同风电出力，风电接入对接入点，风电接入对接入区域的影响进行分析，得到结论如下：(1)不同类型的风力发电机组并网对系统静态电压的稳定性影响不同，主要原因在于机组的无功特性不同。异步风理发店电机组从系统吸收大量无功使得接入点电压严重下跌，不利于系统静态电压稳定性；双馈型风力发电机组和永磁直驱同步发电机组不从系统吸收无功，可以在一定程度上支持电压稳定性。(2)并网的风力发电机组的出力不同对系统静态电压的稳定性也不同。风力发电机组出力较小时，有利于提高系统电压的支撑力度，风力发电机组出力过大时，会使得接入节点电压降低，并且静态电压稳定性恶化，容易受扰动影响。(3)分布式风电并网，对灵敏度高的以及与并网点邻近的节点区域的电压水平影响较大。(4)分布式风电并网，对薄弱节点的静态电压稳定性改善较为显著。(5)无功补偿能有效提高静态电压的稳定性，并且利用更有效地利用装机容量。对于异步风力发电机组而言，必须对其进行无功补偿才能并网。由于作者水平有限，对分布式风电并网电压稳定性研究还有许多工作可以展开：在现有的研究基础上，对实际的风电机组并入配电网络进行分析。对于双馈型风电机组和永磁直驱同步型风电机组进行精确建模，分析它们变频器和控制模块对系统动态电压稳定性。

参考文献[1] 梁有伟,胡志坚,陈允平.分布式发电及其在电力系统中的应用研究综述[J]. 电网技术,2003,27(12)：7l-75．[2] 程明.新能源与分布式电源系统(上)[J].电力需求侧管理,2003,5(3)， 44-46．[3] 程明.新能源与分布式电源系统(下)[J].电力需求侧管理,2003,5(4)： 43-46．[4] 王承煦，张源，风力发电[M]．北京：中国电力出版社，2008.[5] 龙泽强．风力发电：21世纪的绿色能源【J】．世界科技研究与发展。[6] 迟永宁，刘燕华，王伟胜，陈默子，戴慧珠．风电接入对电力系统影响的 研究[J]．电网技术，2006[7] NickJenkins，RonAllan，PeterCrossley．Embeddedgeneration[M].Of Electrical Engineers，2000．23(4)：32·34．[8] ErikL．Petersen，NielsGMortensen，LapsLandberg，eta1．WindPower Meteorology．Partl：ClimateandTurbulence．WindEnergy,1998，12-22．[9] 丁明，吴义纯．风力发电系统运行和规划问题研究综述【J】．国际电 力，2003，7(3)：36-40．[10] 刁