畢業(yè)論文-分布式電源接入電網(wǎng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性研究

湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)第頁第1章緒論課題的研究背景及意義電力系統(tǒng)發(fā)展至今已經(jīng)有一個多世紀(jì)的歷史。電力系統(tǒng)傳統(tǒng)上被劃分為發(fā)電、輸電和配電三大組成系統(tǒng)。配電網(wǎng)絡(luò)位于電力系統(tǒng)的末端，直接面向用戶，如果其不能提供可靠地供電，保證供電的電能質(zhì)量，或者容易發(fā)生故障，會直接影響人們的正常生活和生產(chǎn)，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。近幾十年來，配網(wǎng)的負(fù)荷隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們生活水平的提高急劇增長。配電網(wǎng)絡(luò)承受的負(fù)荷增加，使得原本有限的配網(wǎng)輸送能能力受到挑戰(zhàn)，運(yùn)行狀態(tài)越來越趨于極限。當(dāng)配電網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷接近極限，配電網(wǎng)絡(luò)電壓的穩(wěn)定水平降低，影響供電的質(zhì)量，不利于負(fù)荷增加。而今，出了負(fù)荷增長，在配電網(wǎng)絡(luò)接入分布式電源成為了一種趨勢。分布式電源（distributedgeneration，DG），由于大部分采用無污染的綠色可再生能源，其自身節(jié)能環(huán)保，滿足可持續(xù)發(fā)展的要求，并且具備投資低效率高的優(yōu)勢，已經(jīng)或即將大量接入配電系統(tǒng)，使得配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化[1-3]。分布式電源的接入勢必對系統(tǒng)電壓穩(wěn)定產(chǎn)生影響。對電壓穩(wěn)定水平的評估方法有多種，靜態(tài)電壓穩(wěn)定由于計(jì)算量相對較小，并且能夠在一定程度上較好的反映系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定水平，發(fā)展較為成熟，常用于對電力系統(tǒng)進(jìn)行視和優(yōu)化調(diào)整，具有一定的實(shí)用意義。普遍認(rèn)為，靜態(tài)電壓穩(wěn)定性是整個系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的前提和基礎(chǔ)。本文主要針對分布式電源接入配電網(wǎng)絡(luò)之后，對電力系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性進(jìn)行研究。在各種分布式電源中，風(fēng)力發(fā)電是其中發(fā)展最為成熟的方式。近年來，我國積極尋求能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的方法。由于我國境內(nèi)風(fēng)力資源豐富，風(fēng)力發(fā)電備受青睞，風(fēng)電裝機(jī)容量劇增，所以本文選擇風(fēng)力發(fā)電作為分布式電源接入系統(tǒng)，對其對系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響進(jìn)行研究。目的在于了解分布式電源接入之后對靜態(tài)電壓穩(wěn)定的影響，為選擇分布式電源的接入方式與接入地點(diǎn)的選擇提供參考。風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢我國的風(fēng)能資源儲量豐富，位居世界第一。據(jù)初步探明，我國的風(fēng)能資源總儲量達(dá)32.26億千瓦，其中可開發(fā)部分達(dá)到10億千瓦以上。其中陸地風(fēng)能資源約有2.53億千瓦，海上可開發(fā)的裝機(jī)容量約達(dá)7.5億千瓦。我國風(fēng)能資源較為豐富的地區(qū)主要分布在華北北部、東北、西北、及東南沿海一帶。近年來，國家政策支持分布式電源裝機(jī)并網(wǎng)，使得我國的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)得到了迅速的發(fā)展[4-6]。我國的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)與國外的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)有所不同。由于我國風(fēng)電能源集中且偏遠(yuǎn)。有別于國外的分布式小容量接入，我國風(fēng)電多遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，風(fēng)電場呈現(xiàn)大容量、規(guī)?；奶攸c(diǎn)，目前風(fēng)電場的規(guī)模大多為幾十到上百兆瓦，集群化的甚至能達(dá)到上千兆瓦的規(guī)模,這些風(fēng)電需要依托高電壓等級大規(guī)模遠(yuǎn)距離輸送[7-9]。目前，風(fēng)電技術(shù)包括恒速恒頻風(fēng)電技術(shù)與變速恒頻風(fēng)電技術(shù)兩類。恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用十分廣泛，但也存在缺點(diǎn)：首先在實(shí)際運(yùn)行中需要吸收的大量無功功率，這將導(dǎo)致接入局部地區(qū)電壓降低；其次由于轉(zhuǎn)速恒定，風(fēng)速的變化直接反映在機(jī)械轉(zhuǎn)矩上，這會使得機(jī)組輸出功率波動，影響電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。相比于恒速恒頻風(fēng)電技術(shù)，變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)風(fēng)能利用效率較高并且在控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)下，風(fēng)機(jī)在各種情況下運(yùn)行穩(wěn)定[10]。變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)主要包括雙饋感應(yīng)風(fēng)電系統(tǒng)與永磁同步風(fēng)電系統(tǒng)。雙饋感應(yīng)風(fēng)電系統(tǒng)的缺點(diǎn)是齒輪箱的故障率較高及可靠性較差。永磁同步風(fēng)電系統(tǒng)的風(fēng)力機(jī)與永磁同步發(fā)電機(jī)通過軸系直接連接，再通過全功率變頻器與電網(wǎng)相連。余雙饋感應(yīng)風(fēng)電系統(tǒng)相比這種風(fēng)電系統(tǒng)因不使用增速齒輪箱減少了故障率，而且能量轉(zhuǎn)換效率和運(yùn)行可靠性都有所提高。因此，永磁同步風(fēng)電系統(tǒng)受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。隨著變頻器的性能不斷提高與成本下降，永磁風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)成為風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的重要發(fā)展方向[11-13]。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀用風(fēng)力進(jìn)行發(fā)電最早開始于1891年，當(dāng)時丹麥的P.L.Cour教授建造出了世界上第一座風(fēng)力發(fā)電試驗(yàn)站，標(biāo)志人類正式開始利用風(fēng)力發(fā)電?，F(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電開始始于20世紀(jì)70年代。從1973年起，由于化石能源的短缺以及全球范圍內(nèi)的環(huán)境惡化，使得風(fēng)電獲得了較快發(fā)展。從20世紀(jì)90年代開始，風(fēng)力發(fā)電容量以每年22%的增長速度迅猛發(fā)展，達(dá)到了風(fēng)電發(fā)展的巔峰時期。預(yù)計(jì)到2020年，風(fēng)電可占世界總發(fā)電量的12%。采用不同類型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)型接入電網(wǎng)運(yùn)行的影響不同，風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行若如果采用異步發(fā)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電，需要從電網(wǎng)吸收大量無功功率。，如果是采用雙饋型風(fēng)電機(jī)組機(jī)的風(fēng)電場，雖然選擇即使其運(yùn)行在恒功率因數(shù)1時不需要從電網(wǎng)吸收無功功率，。但是當(dāng)風(fēng)電場向電網(wǎng)輸送有功功率時，并網(wǎng)線路將會產(chǎn)生大量無功損耗，這些損耗由電網(wǎng)承擔(dān),這也將會導(dǎo)致電網(wǎng)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性降低。國內(nèi)外有大量對含有風(fēng)電場的電網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的研究。文獻(xiàn)[4]分析了風(fēng)電場容量逐漸增加對地區(qū)電網(wǎng)電壓穩(wěn)定有不利影響，在系統(tǒng)無功支持不足的情況下，地區(qū)電網(wǎng)電壓會崩潰。。分析風(fēng)電場不同出力水平對地區(qū)電網(wǎng)關(guān)鍵母線電壓的影響，以及進(jìn)行了分析并對某些節(jié)點(diǎn)加與不加無功補(bǔ)償裝置對節(jié)點(diǎn)電壓的影響時，可以文章采用連續(xù)潮流計(jì)算得出P-V曲線進(jìn)行了仿真計(jì)算進(jìn)行[14]。；文獻(xiàn)[5-7]通過描點(diǎn)法描點(diǎn)繪制描點(diǎn)出風(fēng)場的不同出力下系統(tǒng)相關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓繪制P-V曲線，研究了接入了風(fēng)電系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定問題[15-17]。文獻(xiàn)[8]分析了對風(fēng)電并網(wǎng)后影響系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的主要因素,并提出了提升系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的措施[18]。文獻(xiàn)[9]分析了不同類型風(fēng)電機(jī)組組成的風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行時對系統(tǒng)潮流結(jié)果的影響有不同的影響，采用不同控制模式控制雙饋型風(fēng)電機(jī)組，對電壓控制特性和無功控制特性進(jìn)行比較分析[19]。本文的結(jié)構(gòu)研究內(nèi)容針對風(fēng)電并網(wǎng)本文主要對風(fēng)電并網(wǎng)后的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性進(jìn)行研究。主要工作分為以下幾個方面：(1)介紹不同類型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)與特性，并對不同類型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在潮流計(jì)算中的模型及處理方式進(jìn)行分析。(2)介紹了靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的概念，并簡要論述了靈敏度法、連續(xù)潮流法及基于連續(xù)潮流法的P-V曲線、Q-V曲線在靜態(tài)電壓穩(wěn)定性計(jì)算中的應(yīng)用。(3)采用標(biāo)準(zhǔn)的三機(jī)九節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)作為算例，分析分布式風(fēng)電并網(wǎng)后對系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響。采用靈敏度法及連續(xù)潮流法分析了不同類型風(fēng)力發(fā)電機(jī)不同出力時，風(fēng)機(jī)接入對系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性影響。(4)采用標(biāo)準(zhǔn)的IEEE33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為算例，分析風(fēng)電接入對系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響。主要考慮風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)后，對區(qū)域電網(wǎng)的電壓靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響。并分析多點(diǎn)接入風(fēng)電機(jī)組后對系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響。最后分析了系統(tǒng)接入無功補(bǔ)償裝置后，風(fēng)電接入對對系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響。

風(fēng)電機(jī)組及風(fēng)電場潮流計(jì)算模型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組概況根據(jù)風(fēng)電機(jī)類型、運(yùn)行方式、控制方式的不同可以對將風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行分類。根據(jù)使用的發(fā)電機(jī)類型不同可以將風(fēng)電機(jī)組分為基于普通異步發(fā)電機(jī)、基于雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)、基于同步電機(jī)的風(fēng)電機(jī)組。其中基于普通異步發(fā)電機(jī)的機(jī)組不含有電力電子變頻器，基于雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的機(jī)組采用部分功率電力電子變頻器，基于同步電機(jī)的機(jī)組采用全功率電力電子變頻器。如果按照風(fēng)電機(jī)運(yùn)行的轉(zhuǎn)速范圍分類，可以將風(fēng)電機(jī)組分為恒速風(fēng)電機(jī)組和變速風(fēng)電機(jī)組。如果按照風(fēng)電機(jī)組葉片控制方式的不同進(jìn)行分類，可以將風(fēng)電機(jī)組分為定槳距風(fēng)電機(jī)組與變槳距風(fēng)電機(jī)組[20-21]。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本類型2.2.1基于鼠籠式異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的恒速風(fēng)電機(jī)組圖2.1鼠籠式異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的恒速風(fēng)電機(jī)組如圖所示，鼠籠式異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)恒速風(fēng)電機(jī)組由風(fēng)力機(jī)、齒輪機(jī)、鼠籠式異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)、軟啟動裝置、并聯(lián)電容器組、變壓器組成。在正常運(yùn)行時，風(fēng)機(jī)恒速運(yùn)行，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速由級數(shù)和齒輪箱決定。如果使用雙速發(fā)電機(jī)，可以使風(fēng)力機(jī)在兩種不同速度間切換，從而提高輸出功率。通常風(fēng)力機(jī)的葉片采用定槳距失速控制，或者是采用主動時速的槳距角控制。由于異步發(fā)電機(jī)運(yùn)行時需要吸收大量無功，并聯(lián)電筒補(bǔ)償組可以提供無功補(bǔ)償，從而維持機(jī)端電壓穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。鼠籠式異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的恒速風(fēng)電機(jī)組的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡易、魯棒性好、造價低廉、無需維護(hù)、控制方便。目前，異步發(fā)電機(jī)風(fēng)電機(jī)組是我國應(yīng)用最為廣泛的一種系統(tǒng)。然而它也存在一些缺點(diǎn)，例如：輸出有功功率波動大、齒輪箱容易故障、對葉片要求高、需要額外進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)鹊?，這些使得這種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的容量通常較小。2.2.2基于雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的變速變槳距控制風(fēng)電機(jī)組圖2.2雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖雙饋式風(fēng)電機(jī)是一種變速恒頻風(fēng)力機(jī)，如圖所示，由風(fēng)力機(jī)、齒輪箱、感應(yīng)電機(jī)、PWM變頻器和直流側(cè)電容器等部分組成。發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子通過部分功率變頻器接入電網(wǎng)，定子直接入電網(wǎng)。這種風(fēng)電機(jī)組能夠在較大速度范圍內(nèi)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的能量雙向傳輸。這種風(fēng)電機(jī)組通過變頻器對發(fā)電機(jī)的有功、無功功率進(jìn)行解耦控制，使得風(fēng)電機(jī)組能夠變速運(yùn)行，從而提高風(fēng)能的轉(zhuǎn)換效率，達(dá)到最大風(fēng)能捕獲。于恒速恒頻風(fēng)力機(jī)相比，它的優(yōu)點(diǎn)在于：1）能夠追蹤最大風(fēng)能，提高風(fēng)能利用率；2）通過控制轉(zhuǎn)子電流就可以在大范圍內(nèi)控制電機(jī)轉(zhuǎn)差、有功功率和無功功率率，參與系統(tǒng)的無功調(diào)節(jié)，不需要無功調(diào)節(jié)裝置，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性；3）轉(zhuǎn)子側(cè)控制功率因數(shù)，提高電能質(zhì)量，便于并網(wǎng)；4）降低機(jī)組機(jī)械應(yīng)力和輸出功率波動性；5）變頻器銅梁占風(fēng)力機(jī)額定容量小，降低了變頻器的損耗和投資。它的確定是控制方式比較復(fù)雜，機(jī)組價格較高。雙饋式風(fēng)機(jī)目前是風(fēng)電技術(shù)的研究熱點(diǎn)，我國已有一部分風(fēng)電場使用這種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。2.2.3基于永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)的風(fēng)電機(jī)組圖2.3.永磁直驅(qū)同步型風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)模型永磁直驅(qū)同步風(fēng)電機(jī)組由變槳距風(fēng)力機(jī)、傳動系統(tǒng)、永磁同步電機(jī)、全功率變頻控制系統(tǒng)及槳距角控制系統(tǒng)五不封組成。風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)之間由聯(lián)軸器直接耦合，省去了齒輪箱。全功率變頻控制器包括發(fā)電機(jī)側(cè)變頻器和網(wǎng)側(cè)變頻器。由于這種機(jī)組系統(tǒng)通過兩個全功率變頻器樹洞到電網(wǎng)中，與電網(wǎng)徹底隔離，所以即使在不同頻率下運(yùn)行也不會有限電網(wǎng)頻率。永磁直驅(qū)同步風(fēng)電機(jī)組的優(yōu)點(diǎn)有：1）風(fēng)能利用效率高；2）不需要無功補(bǔ)償裝置；3）改變變頻器的調(diào)制比能分別控制有功功率和無功功率，在系統(tǒng)故障時提供無功支持，提高電網(wǎng)穩(wěn)定性；4）無需齒輪箱，維修概率?。?）可以向偏遠(yuǎn)地區(qū)、海島等孤立網(wǎng)絡(luò)供電，有輕型直流輸電的優(yōu)勢。由于全功率變頻器的造價高損耗大，永磁直驅(qū)同步風(fēng)電機(jī)組在國內(nèi)應(yīng)用尚未出現(xiàn)。風(fēng)電場的潮流計(jì)算模型在進(jìn)行常規(guī)潮流計(jì)算時，系統(tǒng)母線被分為PV節(jié)點(diǎn)、PQ節(jié)點(diǎn)以及Vθ節(jié)點(diǎn)三種不同的類型。目前，在潮流計(jì)算中，風(fēng)電機(jī)組的節(jié)點(diǎn)處理方式一般采用以下三類：PQ簡化模型、PQ迭代模型、RX迭代模型。2.3.1異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)在潮流計(jì)算中的模型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)本身沒有勵磁調(diào)節(jié)裝置，不能調(diào)節(jié)電壓，因而不能像傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)一樣當(dāng)做電壓幅值恒定的PV節(jié)點(diǎn)來處理。異步發(fā)電機(jī)發(fā)出有功功率的同時會從系統(tǒng)吸收大量無功功率。吸收的無功功率由機(jī)端電壓、滑差和發(fā)出的有功功率組成的函數(shù)決定的。因此也不能將其看作一般的PQ節(jié)點(diǎn)。1）PQ簡化模型該模型把風(fēng)電場在潮流計(jì)算中處理為PQ節(jié)點(diǎn)，直接依據(jù)已知的功率因數(shù)計(jì)算求得無功功率。這種方法無需改動現(xiàn)有的潮流程序，十分簡單，但是過于粗略。運(yùn)行狀況不同，風(fēng)電場無功功率的需求也不同，功率因數(shù)也在不同運(yùn)行方式下改變。因此由這種模型得到的計(jì)算結(jié)果不夠準(zhǔn)確。2）PQ迭代模型這種模型對異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)吸收的無功功率的方法如下：圖2.4異步發(fā)電機(jī)Γ型等值電路其中，由此可得：由此可推導(dǎo)出滑差的表達(dá)式：異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)吸收的無功功率可以表達(dá)為一下P和s的關(guān)系式：計(jì)算流程如下流程圖：圖2.4PQ迭代模型計(jì)算流程圖直到這種模型與PQ簡化模型相比，考慮了節(jié)點(diǎn)電壓對風(fēng)電場無功功率消耗的影響，提高了準(zhǔn)確性。缺點(diǎn)在于迭代次數(shù)多，計(jì)算速度慢。3）RX迭代模型將異步發(fā)電機(jī)視為阻抗型負(fù)荷計(jì)入潮流計(jì)算，從而得到風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電磁功率。再由風(fēng)速等信息計(jì)算出風(fēng)力機(jī)的機(jī)械功率。由能量守恒定律克制，風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械功率和異步發(fā)電機(jī)發(fā)出的電功率應(yīng)該相等。所以利用兩個功率之差修正滑差。反復(fù)迭代，當(dāng)電功率和機(jī)械功率差值達(dá)到誤差范內(nèi)時，結(jié)束迭代。2.3.2雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在潮流計(jì)算中的模型雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制方式主要由兩種，分別是：恒功率因數(shù)控制方式和恒電壓控制方式。在系統(tǒng)潮流計(jì)算中對雙饋異步風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行處理時，要根據(jù)雙饋風(fēng)機(jī)不同的運(yùn)行控制方式確定。當(dāng)雙饋發(fā)電機(jī)運(yùn)行于恒功率因數(shù)控制方式時，風(fēng)電場節(jié)點(diǎn)視為PQ節(jié)點(diǎn)，無功功率根據(jù)有功功率和風(fēng)機(jī)運(yùn)行功率因數(shù)得出。當(dāng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行于恒電壓控制方式時，把風(fēng)電場節(jié)點(diǎn)視為PV節(jié)點(diǎn)，如果風(fēng)電場超過無功限制，則將風(fēng)電場節(jié)點(diǎn)從PV節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)為PQ節(jié)點(diǎn)處理。2.3.3永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在潮流計(jì)算中的模型永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，一般不需要從電網(wǎng)吸收無功功率，它與雙饋型風(fēng)機(jī)雖然都屬于變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)，但是由于采用永磁同步發(fā)電機(jī)，他的功率輸出全部需要救過變頻器進(jìn)行整流逆變，這與雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)有所不同，因而需要正確處理其在潮流系統(tǒng)中的模型。永磁直驅(qū)同步風(fēng)電機(jī)組有功功率的控制通過最大功率控制和變槳距控制實(shí)現(xiàn)。無功功率的控制方式有三種：A、恒功率因數(shù)控制B、恒電壓控制C、恒無功功率控制。采用恒功率因數(shù)控制或恒無功功率控制時，機(jī)組通過控制網(wǎng)側(cè)變流器的電流直軸交軸的分量，實(shí)現(xiàn)機(jī)組功率因數(shù)的為制定值。在這種控制下，風(fēng)電場的節(jié)點(diǎn)視為PQ節(jié)點(diǎn)，P與Q之間呈線性關(guān)系。采用恒電壓控制方式時，機(jī)組能夠吸收或發(fā)出無功功率，從而保持機(jī)端電壓恒定。因而在機(jī)組無功調(diào)節(jié)范圍之內(nèi)，通常將風(fēng)電場在潮流計(jì)算中的節(jié)點(diǎn)視為PV節(jié)點(diǎn)。當(dāng)所需無功大于機(jī)組能發(fā)出無功的最大值時，風(fēng)電機(jī)組在系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)類型又變?yōu)镻Q節(jié)點(diǎn)。本章小結(jié)本章首先簡要介紹了三種常見風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本類型、概念其次，介紹了目前在電力系統(tǒng)潮流仿真中對風(fēng)電場進(jìn)行潮流仿真所采用的計(jì)算模型，并對不同模型在在計(jì)算速度、計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性等方面進(jìn)行了比較。其中，介紹了雙饋型風(fēng)電機(jī)組和永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)組在不同控制模式下對潮流模型的影響為用連續(xù)潮流法對電力系統(tǒng)電壓靜態(tài)穩(wěn)定性分析提供理論基礎(chǔ)。

靜態(tài)電壓穩(wěn)定性分析電壓穩(wěn)定性概述電力系統(tǒng)的穩(wěn)定是人們?nèi)粘Ｉ钌a(chǎn)正常進(jìn)行的保障，發(fā)生電壓崩潰事故嚴(yán)重影響人們的正常生活與生產(chǎn)。自上個世紀(jì)七十年代起，全球多個國家的電力系統(tǒng)相繼發(fā)生了電壓崩潰事故，造成了巨大的損失，這使得學(xué)術(shù)界開始重視電壓穩(wěn)定性問題的研究。各國的研究機(jī)構(gòu)紛紛投入了大量的經(jīng)費(fèi)進(jìn)行研究。隨著人們對能源需求的日益增加，負(fù)荷和分布式電源的接入，電壓不穩(wěn)定已成為威脅對電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要因素的影響越來越大，對電壓穩(wěn)定性的研究已經(jīng)也成為了十分重要的課題。電力系統(tǒng)在額定運(yùn)行時，受到擾動，系統(tǒng)母線電壓都能保持在允許范圍內(nèi)，稱為電壓穩(wěn)定。當(dāng)受到擾動、負(fù)荷增加或系統(tǒng)條件變化等干擾時，電壓連續(xù)不可控地降落，則稱為電壓不穩(wěn)定[22]。電壓穩(wěn)定性的問題可以通過不同的分類方法進(jìn)行分類。根據(jù)研究時間范圍的大小不同，可以把電壓穩(wěn)定分為暫態(tài)穩(wěn)定、中期電壓穩(wěn)定和長期電壓穩(wěn)定。依據(jù)擾動程度不同，電壓穩(wěn)定問題問題可以分為大大擾動電壓穩(wěn)定、小小擾動電壓穩(wěn)定。這種分類方式可以區(qū)分出能夠用靜態(tài)分析檢驗(yàn)的電壓穩(wěn)定性問題和必須利用非線性動態(tài)分析進(jìn)行檢驗(yàn)的電壓穩(wěn)定性問題。這種分類可以將必須利用非線性動態(tài)分析來檢驗(yàn)的現(xiàn)象和可以用靜態(tài)分析來檢驗(yàn)的現(xiàn)象區(qū)分開來。根據(jù)研究時間范圍的大小，可以把電壓穩(wěn)定分為暫態(tài)穩(wěn)定、中期電壓穩(wěn)定和長期電壓穩(wěn)定。如果更具根據(jù)研究方法分類，有又可將電壓穩(wěn)定分為靜態(tài)電壓穩(wěn)定，動態(tài)電壓穩(wěn)定以及暫態(tài)電壓穩(wěn)定[23-24]。靜態(tài)電壓失穩(wěn)失穩(wěn)：負(fù)荷緩慢增加的同時，，致使端母線電壓隨之緩慢下降，當(dāng)負(fù)荷大小達(dá)到超過電力系統(tǒng)承受負(fù)荷增加能力的臨界值時可承受的極限時，電壓失穩(wěn)。整個過程中母線電壓相角和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角度沒有明顯變化。動態(tài)電壓失穩(wěn)：系統(tǒng)受大擾動或發(fā)生故障，對其進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)操作，切機(jī)、切負(fù)荷等操作，保證功角暫態(tài)穩(wěn)定，保持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定。，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變脆弱，系統(tǒng)或局部支撐負(fù)荷的能力變?nèi)?，在?fù)荷恢復(fù)過程中致使電壓失穩(wěn)。暫態(tài)電壓失穩(wěn)：電力系統(tǒng)發(fā)生大擾動或者故障后，伴隨系統(tǒng)事故處理過程中，發(fā)電機(jī)間相對搖擺，某些負(fù)荷母線發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的突然下降失穩(wěn)。靜態(tài)電壓穩(wěn)定性在這三種穩(wěn)定性中，計(jì)算量相對較小，發(fā)展較為成熟，并且可以在一定程度上較好的反映系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定水平，常常用于電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的評估，為電力系統(tǒng)的優(yōu)化和調(diào)整提供參考[25]。靜態(tài)電壓穩(wěn)定性被普遍認(rèn)為是電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的前提與基礎(chǔ)，對靜態(tài)電壓穩(wěn)定的研究也是為暫態(tài)電壓穩(wěn)定的分析的基礎(chǔ)。靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析方法靜態(tài)電壓穩(wěn)定性問題一般一般采用靜態(tài)穩(wěn)定分析方法進(jìn)行研究。建立，用電力系統(tǒng)潮流方程或擴(kuò)展潮流方程作為基本分析模型。靜態(tài)電壓是否達(dá)到穩(wěn)定，運(yùn)用靜態(tài)穩(wěn)定分析法方法的理論主要分析的是討論的是電壓穩(wěn)定是一個是否存在穩(wěn)定平衡點(diǎn)的問題，也可以認(rèn)為是潮流方程是否存在可行解的問題。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷在功率注入空間朝同一方向增長，潮流方程的解成對減少。當(dāng)接近負(fù)荷極限點(diǎn)時名譽(yù)極限負(fù)荷參數(shù)對應(yīng)的潮流可行解點(diǎn)就是靜態(tài)電壓穩(wěn)定的臨界點(diǎn)[26]。靜態(tài)分析法不僅能計(jì)算出各種靈敏度指標(biāo)，還可以計(jì)算出系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，從而反映出系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性水平。由于其計(jì)算量小，因此是最為常用而且有效的分析電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法之一。靜態(tài)電壓穩(wěn)定性分析法發(fā)展已較為成熟，常見的有連續(xù)潮流法、靈敏度法、奇異值分析法（特征值分析法）和最大功率傳輸功率分析法。本文采用靈敏度法和基于連續(xù)潮流法的P-V曲線和V-Q曲線法對風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定進(jìn)行仿真計(jì)算。3.2.1靈敏度法靈敏度方法是最早應(yīng)用于靜態(tài)穩(wěn)定性分析的指標(biāo)之一，它的原理及實(shí)現(xiàn)方法都比較簡單，是目前較為常用的一種方式。它給出了電壓崩潰的指標(biāo),并且提供的數(shù)據(jù)信息可以方便地分辨出系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)弱，從而分析所需要采取的對策。用于：1、判斷電壓穩(wěn)定性；2、確定薄弱母線；3、確定無功補(bǔ)償?shù)奈恢?。目前采用的靈敏度的指標(biāo)種類很多。有表征發(fā)電機(jī)無功功率隨負(fù)荷功率變化的指標(biāo)和；表征負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓隨負(fù)荷變化的指標(biāo)和以及。還有表征網(wǎng)損隨負(fù)荷功率變化的指標(biāo)以及反映負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓與發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)電壓變化的指標(biāo)等等。本文采用dV/dQ靈敏度指標(biāo)進(jìn)行靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的分析。dV/dQ靈敏度模型的原理如下：設(shè)接入系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)有n個，PQ節(jié)點(diǎn)有個（無功出力越限的發(fā)電機(jī)組也視為PQ節(jié)點(diǎn)），PV節(jié)點(diǎn)有個，平衡節(jié)點(diǎn)一個。極坐標(biāo)下的牛頓拉夫遜潮流計(jì)算方程如下： （3.1）其中是節(jié)點(diǎn)注入的有功功率的微增列向量，含n-1個元素；是節(jié)點(diǎn)注入的無功功率的微增列向量，含個元素；是節(jié)點(diǎn)電壓相角變化向量，含個元素；是極坐標(biāo)下的系統(tǒng)潮流方程雅可比矩陣，其中，是的子陣；是的子陣；是的子陣；是的子陣；是的子陣。令有功注入不變，即，得(3.2)令,得：(3.3)式中S為系統(tǒng)dV/dQ壓靈敏度矩陣。從而得到系統(tǒng)dV/dQ線性化關(guān)系模型：(3.4)其中、分別為系統(tǒng)PQ節(jié)點(diǎn)的電壓和無功變化；為U-Q靈敏度矩陣，它反應(yīng)系統(tǒng)的電壓與無功間的變化關(guān)系。第i個對角元素是節(jié)點(diǎn)i的dV/dQ靈敏度。V-Q靈敏度為正表示系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，靈敏度越小系統(tǒng)越穩(wěn)定。V-Q靈敏度為負(fù)時，系統(tǒng)電壓不穩(wěn)定。改分析建立在線性化模型基礎(chǔ)上，只對小的變化有效。3.2.2常規(guī)連續(xù)潮流法連續(xù)潮流計(jì)算方法采用從基態(tài)逐漸過渡的方法計(jì)算系統(tǒng)輸電能力。在一般的潮流計(jì)算中，方程臨界點(diǎn)附近趨于奇異，潮流計(jì)算不收斂。而增加一維參數(shù)化方程，能夠有效解決不收斂的問題，從而精確地求解電壓穩(wěn)定臨界點(diǎn)，容易地求出系統(tǒng)輸電能力。連續(xù)潮流的計(jì)算一般主要由參數(shù)化、預(yù)估、校正和步長控制這幾個部分構(gòu)成。一個n維單參數(shù)非線性方程：,其中X表示未知變量，表示物理參量。有非線性數(shù)學(xué)中的隱函數(shù)定理可知，在點(diǎn)附近，方程定義了唯一一天經(jīng)過的解曲線分支。如果采用常規(guī)方法逐步變化物理參數(shù)λ用牛頓法求解，在鞍結(jié)分叉點(diǎn)附近雅可比矩陣奇異，無法繼續(xù)求解。連續(xù)潮流法基于參數(shù)變化思想，選擇為新的物理參數(shù)，將作為待求變量，這樣就可以消除雅可比矩陣奇異的現(xiàn)象。1、參數(shù)化參數(shù)化通過選取連續(xù)性參數(shù)，從而消除系統(tǒng)病態(tài)。主要方法有：(1)物理參數(shù)化：選用控制參數(shù)λ變化進(jìn)行參數(shù)化過程，每部步長為。實(shí)際上，這種方法在鞍結(jié)分岔點(diǎn)附近同樣會導(dǎo)致求解困難，因此在實(shí)際用應(yīng)用中一般不采用。(2)局部參數(shù)化：選擇狀態(tài)向量X或者控制參數(shù)進(jìn)行參數(shù)化，每步步長為或。(3)弧長參數(shù)化：選用解曲線的弧長進(jìn)行參數(shù)化，每步步長：(3.5)此外還有將平衡母線出力、系統(tǒng)網(wǎng)損等作為連續(xù)性參數(shù)的參數(shù)化方程。2、預(yù)估預(yù)估是從已知潮流解出發(fā)，預(yù)測下一個潮流解，并作為校正環(huán)節(jié)求取實(shí)際潮流計(jì)算解時迭代機(jī)端的初值。如果預(yù)估的方法恰當(dāng)，預(yù)測解合適，就能有效減少校正環(huán)節(jié)的迭代次數(shù)，提高計(jì)算效率。常用的預(yù)估方法有切線法和割線法。(1)切線法圖3.1切線法原理圖切線法需要求解解連續(xù)潮流方程中的參數(shù)變量和各狀態(tài)變量的微分：（3.6）用矩陣可表示為：（3.7）其中，是對應(yīng)于潮流擴(kuò)展后參數(shù)化潮流方程的雅可比矩陣。方程（3.6）中未知數(shù)個數(shù)比方程數(shù)多一個，原方程不足以求解，需要額外構(gòu)造一個方程，與方程組聯(lián)立求解。一般采用用參數(shù)化方法進(jìn)行構(gòu)造。構(gòu)造方程如下：（3.9）其中，為行向量，其第k個元素是1，其它元素都為0。其中，正負(fù)號表示追蹤曲線的方向。正號表示在追蹤方向上減小，反之為增加。對連續(xù)潮流計(jì)算進(jìn)行預(yù)估的第一步一般選擇d=1作為局部參數(shù)化方程。在后續(xù)進(jìn)行潮流計(jì)算時，一般選擇當(dāng)前電壓幅值變化最大的狀態(tài)量構(gòu)造預(yù)估環(huán)節(jié)的局部參數(shù)化方程，向量中k應(yīng)滿足：（3.10）聯(lián)立公式(3.6)(3.8)求出各個參數(shù)變量及狀態(tài)變量的切向量，即可計(jì)算出下一個潮流解的預(yù)測解，如下：（3.11）其中，h為步長，步長由步長控制環(huán)節(jié)決定。(2)割線法圖3.2割線法原理圖用割線法進(jìn)行預(yù)估需要上一步和當(dāng)前步兩個潮流解，設(shè)是連續(xù)潮流計(jì)算的上一步解，是當(dāng)前步的潮流解，下一步潮流解的預(yù)估可以表示為：(3.12)其中，h為預(yù)測步長，由步長控制環(huán)節(jié)確定。3、校正用預(yù)估所得的預(yù)測解作為潮流計(jì)算的初始值進(jìn)行校正，計(jì)算潮流方程的實(shí)際解。如果預(yù)估環(huán)節(jié)所得的預(yù)測解比較好，這樣呢在校正環(huán)節(jié)僅需要很少的迭代步數(shù)就能使計(jì)算收斂。校正環(huán)節(jié)常用的潮流計(jì)算方法有牛頓法、擬牛頓法。校正環(huán)節(jié)由于方程數(shù)也比待求量多一個，也需要用參數(shù)化方法構(gòu)造一個方程與方程(3.6)聯(lián)立求解。校正方法可分為局部校正和弧長校正等。4、步長控制在連續(xù)潮流計(jì)算過程中，由于如果步長h選擇較大，雖然能提高計(jì)算效率，但可能指示校正時迭代次數(shù)過多，甚至潮流計(jì)算不收斂，影響電壓穩(wěn)定臨界點(diǎn)的計(jì)算精度。如果步長選擇較小，雖然能提高計(jì)算精度及收斂性，但是連續(xù)潮流計(jì)算步數(shù)增加，從而計(jì)算量增加，降低了計(jì)算效率。因此，選擇適當(dāng)合理的步長控制策略十分重要。連續(xù)潮流的計(jì)算是目前求解P-V、Q-V曲線的常用方法。3.2.3P-V曲線分析法圖3.3P-V曲線示意圖在常規(guī)電力系統(tǒng)應(yīng)用連續(xù)潮流的P-V曲線分析靜態(tài)電壓穩(wěn)定問題時，V一般表示待研究節(jié)點(diǎn)的電壓幅值，P可以表示某一負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的有功負(fù)荷，也可以表示一個區(qū)域的總有功負(fù)荷。如圖所示，為系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行點(diǎn)，為系統(tǒng)臨界運(yùn)行點(diǎn)，負(fù)荷功率的極限為，有功裕度為。P-V曲線的上半部分是穩(wěn)定區(qū)，下半部分則不穩(wěn)定。由于從P-V曲線可以直觀地判斷出負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷功率極限和電壓穩(wěn)定裕度。也可以從系統(tǒng)當(dāng)前穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)出發(fā)，逐步增加某節(jié)點(diǎn)或者區(qū)域的負(fù)荷，繪制P-V曲線。使用P-V曲線分析含風(fēng)電場的系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定時，P代表整個風(fēng)電場注入系統(tǒng)的有功功率。V則代表風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)端、并網(wǎng)點(diǎn)或電網(wǎng)內(nèi)其他母線的電壓幅值。用P-V曲線分析風(fēng)電場接入系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性的本質(zhì)是分析風(fēng)電出力波動對電網(wǎng)電壓的影響。對含風(fēng)電場的電壓穩(wěn)定性進(jìn)行方針是，不斷增加風(fēng)電出力。通過計(jì)算每個離散點(diǎn)的靜態(tài)潮流，得出關(guān)鍵母線風(fēng)電場出力的電壓變化曲線，從曲線中可以的到當(dāng)前運(yùn)行點(diǎn)與電壓臨界失穩(wěn)點(diǎn)的距離，的到有功功率的裕度。在求含風(fēng)電場的系統(tǒng)P-V曲線時，電力系統(tǒng)中其它節(jié)點(diǎn)負(fù)荷功率大小與發(fā)電廠有功出力均保持不變。3.2.4V-Q曲線分析法如圖所示，V為待研究節(jié)點(diǎn)的電壓幅值，Q為該節(jié)點(diǎn)注入的無功功率。V-Q曲線標(biāo)志了節(jié)點(diǎn)電壓隨著節(jié)點(diǎn)注入無功的改變而改變。圖3.4V-Q曲線示意圖V-Q曲線底部無功功率隨電壓幅值的變化率為0，是電壓崩潰點(diǎn)，電壓奔潰點(diǎn)的右側(cè)，無功功率隨電壓幅值的變化率為負(fù)，此時系統(tǒng)電壓是穩(wěn)定的，而在崩潰點(diǎn)的左側(cè)，系統(tǒng)的電壓使不穩(wěn)定的。曲線的斜率越大，節(jié)點(diǎn)的剛性越好。無功功率隨電壓幅值的變化率為可以反映節(jié)點(diǎn)的無功裕度，其大小為系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行點(diǎn)到電壓崩潰點(diǎn)間的距離。在繪制V-Q曲線時，通常將虛擬的同步調(diào)相及安裝在需要研究的關(guān)鍵母線或重要變電站母線處，同時設(shè)置母線為PV節(jié)點(diǎn)，設(shè)置該母線電壓為一系列不同的值，通過連續(xù)潮流計(jì)算，得到母線電壓在不同電壓值下的無功功率值，最后將一系列電壓值與對應(yīng)無功功率之間連接起來解可得到V-Q曲線。V-Q曲線能反映出網(wǎng)絡(luò)中某點(diǎn)在某一電壓水平下還能提供的無功功率大小，能夠定量直觀地看出電網(wǎng)中某一節(jié)點(diǎn)或面的無功裕度。無功裕度越大，母線距離電壓崩潰點(diǎn)越遠(yuǎn)，系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性越好。含風(fēng)電場的電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性，還與電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，若電網(wǎng)處于電網(wǎng)末端，電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)薄弱，該片區(qū)的電壓穩(wěn)定問題就會較為突出；若電網(wǎng)結(jié)構(gòu)較為強(qiáng)壯，在某些母線電壓偏低時，可以及時提供無功功率，此時含風(fēng)電系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性就能得到保證。本章小結(jié)本章首先介紹了電壓穩(wěn)定性分析的不同方法，其次，介紹了用于分析靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的靈敏度法和連續(xù)潮流法，并論述了兩種方法的應(yīng)用特點(diǎn)及應(yīng)用方向。最后基于連續(xù)潮流法，可對實(shí)際電力系統(tǒng)求取P-V曲線以及V-Q曲線得到系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，根據(jù)穩(wěn)定裕度的大小判別系統(tǒng)的穩(wěn)定程度。

大型風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性分析仿真軟件介紹—DIgSILENT/PowerFactory目前，對電力系統(tǒng)的數(shù)字分析由于具備現(xiàn)象直觀、仿真方便等諸多優(yōu)點(diǎn)被廣泛地應(yīng)用。數(shù)字仿真能夠?qū)崿F(xiàn)電力系統(tǒng)的潮流分析、暫態(tài)電壓分析、短路計(jì)算、小干擾電壓分析等。本文中接入風(fēng)電的電力系統(tǒng)進(jìn)行分析，需要仿真軟件包含完整的電力系統(tǒng)基本組件模型，還提供能夠搭建風(fēng)電模型的組件或語言。DIgSILENT/PowerFactory（DigitalSImuLationandElectricalNeTwork）是可以實(shí)現(xiàn)本文需要的一款軟件。它全面地引入了數(shù)據(jù)庫和面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)的概念，允許用戶創(chuàng)建詳盡的電力系統(tǒng)元件模型，包括穩(wěn)態(tài)、時域、頻域等一系列參數(shù)，而且包含全面的電力系統(tǒng)元件模型庫。它在仿真微電網(wǎng)、新能源發(fā)電、電能質(zhì)量、配電網(wǎng)方面表現(xiàn)強(qiáng)大，尤其擅長在風(fēng)電、光伏、配電網(wǎng)和電能質(zhì)量的計(jì)算仿真。DIgSILENT/PowerFactory的模型庫中，除了包含變壓器、發(fā)電機(jī)、電力系統(tǒng)動態(tài)負(fù)荷、輸電線路、斷路器、電壓/電流互感器等常用電力系元件仿真模型，還包含了豐富的控制器模型，如原動機(jī)控制器、PSS、發(fā)電機(jī)電壓控制器、靜止無功補(bǔ)償系統(tǒng)控制器。此外還包含了用于風(fēng)電計(jì)算仿真的風(fēng)電機(jī)組電氣部分組件，比如雙饋感應(yīng)異步發(fā)電機(jī)，永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)，全功率變頻器等等。除了提供豐富的模型庫和內(nèi)建計(jì)算功能，DIgSILENT為了滿足用戶自定義的需求，還提供了仿真語言DSL和編程語言DPL，便利用戶建立自定義的模型和計(jì)算。例如在對風(fēng)電系統(tǒng)進(jìn)行仿真時，對風(fēng)速以及發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)等數(shù)學(xué)模型都能通過DSL編程實(shí)現(xiàn)。在本文中，求取系統(tǒng)的有功裕度，無功裕度，則運(yùn)用了DPL語言腳本。風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)對靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響4.2.1風(fēng)電機(jī)組出力和風(fēng)電機(jī)組類型并網(wǎng)對靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響4.2.1.1三機(jī)九節(jié)點(diǎn)算例系統(tǒng)本節(jié)采用三機(jī)九節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，用電力系統(tǒng)仿真軟件DIgSILENT/PowerFactory進(jìn)行建模及計(jì)算分析。圖4.1三機(jī)九節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)系統(tǒng)中負(fù)荷總有功功率為315MW，無功功率115Mvar。母線1、8、9都為PV節(jié)點(diǎn)，V保持不變靈敏度為0。其他節(jié)點(diǎn)的靈敏度如下表：表4.1三機(jī)九節(jié)點(diǎn)中各個節(jié)點(diǎn)的靈敏度節(jié)點(diǎn)靈敏度Bus60.00091020Bus50.00090638Bus80.00071483Bus70.00043397Bus40.00043140Bus90.00041025從表中數(shù)據(jù)可見，母線5、母線6、母線8的靈敏度指標(biāo)相對較高，由第三章的結(jié)論可知，這些母線是相對薄弱的。這是因?yàn)檫@三個節(jié)點(diǎn)距離發(fā)電場較遠(yuǎn)，并且有大負(fù)荷負(fù)載，致使這些母線相對薄弱。一般而言，母線薄弱程度與母線到發(fā)電廠的電氣距離有關(guān)。電氣距離越遠(yuǎn)，則母線越薄弱。在該系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)6為最薄弱母線。圖4.2母線6的P-V曲線圖4.3母線6的Q-V曲線母線6的P-V曲線中可知，系統(tǒng)有功432.81MvW,由Q-V曲線中可知，母線6的無功裕度為256.9Mvar。4.2.1.2風(fēng)電機(jī)組從一條母線并入系統(tǒng)對系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響在母線6上接入額定功率為160MW的風(fēng)電機(jī)組。風(fēng)電機(jī)組控制方式為設(shè)置為功率因數(shù)為1的恒功率因數(shù)控制。改變風(fēng)電機(jī)組的出力，用描點(diǎn)法繪制風(fēng)電場出力與母線6電壓的P-V曲線，如圖4-4。圖4.4不同風(fēng)電機(jī)組接入bus6時的P-V曲線由圖4-4中三條曲線的趨勢可知，風(fēng)電機(jī)組的不同出力對母線電壓影響的不同。在風(fēng)電出力小于一定值時，提高風(fēng)電出力能增加有效增加系統(tǒng)的電壓支撐能力，但當(dāng)出力高于一定值時，母線電壓又呈下降趨勢，系統(tǒng)電壓的支撐能力減弱。對于異步風(fēng)電機(jī)組，它的接入明顯減小了母線6的電壓幅值。雖然接入異步風(fēng)電機(jī)組后，增加異步風(fēng)電機(jī)組出力能抬升一定電壓，由于異步風(fēng)電機(jī)組的接入運(yùn)行會消耗吸收大量無功功率，效果非常有限，無法彌補(bǔ)其大量無功功率需求的增加系統(tǒng)電壓的影響，使得母線電壓大幅跌落。由此可見，異步風(fēng)電機(jī)組直接接入系統(tǒng)不利于系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。必須對其消耗的無功進(jìn)行補(bǔ)償。對于雙饋型風(fēng)電機(jī)組和永磁直驅(qū)同步型風(fēng)電機(jī)組，接入一定容量的風(fēng)電機(jī)組有利于系統(tǒng)的電壓支撐，在一定范圍內(nèi)能夠抬升系統(tǒng)母線電壓。而當(dāng)接入的風(fēng)電機(jī)組容量較大時，對系統(tǒng)的電壓支撐能力逐漸降低，甚至使得電壓下降。這是因?yàn)殡p饋型風(fēng)電機(jī)組和永磁直驅(qū)同步風(fēng)電機(jī)組都采用了功率因數(shù)1的恒功率因數(shù)控制方式。一方面，在這兩種風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行時不需要從系統(tǒng)吸收無功功率，并且在一定范圍內(nèi)減輕系統(tǒng)有功功率的負(fù)擔(dān)，從而對系統(tǒng)電壓的起到支撐的作用。另一方面，這兩種風(fēng)電機(jī)組不能提供無功支持，并網(wǎng)線路和機(jī)組其他設(shè)備的無功損耗都需要系統(tǒng)承擔(dān)，隨著風(fēng)電場出力的增加，無功損耗不斷增加，降低了系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性。在兩方面因素的作用下，系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性就出現(xiàn)了如曲線圖所示的先升后降的過程：風(fēng)電機(jī)組出力較低時，風(fēng)電機(jī)組注入功率對系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的支撐作用占主導(dǎo)，因而能夠在一定范圍內(nèi)提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組出力不斷增加時，線路的無功損耗對系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的損害作用占主導(dǎo)，使得系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性降低。圖4.5不同風(fēng)電機(jī)組接入bus6系統(tǒng)有功裕度變化曲線由圖4-5可見，不同類型的風(fēng)電機(jī)組接入母線6時，有功裕度變化的趨勢和電壓隨風(fēng)電出力變化的趨勢相似。這是由于隨著風(fēng)電的加入，系統(tǒng)總的裝機(jī)容量增加，所以系統(tǒng)的有功裕度也增加。但是當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷不斷增長時，無功需求也同比不斷增長，此時，風(fēng)電機(jī)組無力提供額外的無功，使得當(dāng)風(fēng)機(jī)出力達(dá)到較大時，其額外消耗的無功還需要占用原本提供給負(fù)荷的無功，使得系統(tǒng)對負(fù)荷的無功支持減少，無法支持負(fù)荷運(yùn)作，從而使得有功裕度下降。圖4.6節(jié)點(diǎn)靈敏度隨雙饋型風(fēng)電機(jī)組出力的變化以雙饋型電機(jī)組為例，各母線靈敏度隨風(fēng)電機(jī)組出力增加的改變在風(fēng)電機(jī)組出力較小時，變化不大，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組出力較大時有明顯，且靈敏度指標(biāo)較高的母線變化相對明顯。一方面，這說明接入風(fēng)電機(jī)組后如果風(fēng)機(jī)出力較大，系統(tǒng)電壓對負(fù)荷狀態(tài)的變化更敏感；另一方面，說明薄弱節(jié)點(diǎn)電壓更容易受到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組接入的影響。由此可推測，僅當(dāng)一條母線接入適量風(fēng)電機(jī)組，在提高該母線電壓的同時，可能使其他母線的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性變差，從而使得總體的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性變低。選擇距離發(fā)電廠遠(yuǎn)且?guī)е剌d負(fù)荷的三條母線，母線5、母線6、母線8，分別接入63MW的雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。圖4.763MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組接入不同節(jié)點(diǎn)的母線電壓分布由電壓的分布圖可知，選擇相對不薄弱的母線8接入風(fēng)力發(fā)電機(jī)組時，不但未能使母線8的電壓抬升，還使得整個系統(tǒng)的電壓下降。給整個系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定帶來了不利影響。4.2.2風(fēng)電機(jī)組分布式接入對系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響除了風(fēng)電大規(guī)模集中接入配電網(wǎng)絡(luò)，在風(fēng)力資源豐富的地區(qū)，可以將較小規(guī)模風(fēng)電接接入低壓配電網(wǎng)絡(luò)。本節(jié)采用IEEE33節(jié)點(diǎn)對小規(guī)模選擇無功性能較好的雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組接入配電網(wǎng)絡(luò)對區(qū)域靜態(tài)電壓穩(wěn)定性進(jìn)行分析。4.2.2.1IEEE3算例系統(tǒng)IEEE33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)由無窮大系統(tǒng)供電，系統(tǒng)負(fù)荷總有功功率為3.715MW,無功功率總和為2.3Mvar。圖4.9IEEE33節(jié)點(diǎn)分布圖圖4.10IEEE33節(jié)點(diǎn)靈敏度分布圖從IEEE33節(jié)點(diǎn)的靈敏度分布可知，節(jié)點(diǎn)7~17的區(qū)域系統(tǒng)非常薄弱，節(jié)點(diǎn)27~32的區(qū)域薄弱狀態(tài)次之。4.2.2.2風(fēng)電機(jī)組接入低壓配網(wǎng)對靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響分別選擇從節(jié)點(diǎn)11、節(jié)點(diǎn)29接入1MW的雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，由圖4-11可知，兩種風(fēng)電機(jī)組接入方式都能夠有效提升系統(tǒng)電壓水平，尤其是對自身節(jié)點(diǎn)及鄰近節(jié)點(diǎn)的電壓。靈敏度指標(biāo)高的節(jié)點(diǎn)電壓幅值的改變較靈敏度指標(biāo)低的節(jié)點(diǎn)明顯，靈敏度指標(biāo)低的節(jié)點(diǎn)（如18~21節(jié)點(diǎn)），幾乎不影響其電壓幅值。若在11和29節(jié)點(diǎn)同時加入各為1MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，兩個薄弱區(qū)域區(qū)域的電壓支撐強(qiáng)度都升高明顯。圖4.11接入風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不同情況下的節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)電壓分布如果系統(tǒng)某些區(qū)域原本電壓就較高，接入分布式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，可能導(dǎo)致電壓過高，閃變等不利影響。圖4.12風(fēng)電機(jī)組介入后對系統(tǒng)靈敏度指標(biāo)的影響。表4.2不同風(fēng)電接入方式系統(tǒng)無功裕度風(fēng)電接入方式有功裕度MW不接13.62節(jié)點(diǎn)11接入1MW風(fēng)電14.43節(jié)點(diǎn)29接入1MW風(fēng)電14.4611、29節(jié)點(diǎn)各接入1MW風(fēng)電15.33由圖4-12可見，在11節(jié)點(diǎn)接入風(fēng)電機(jī)組之后，11節(jié)點(diǎn)所在的靈敏度指標(biāo)較高的區(qū)域靈敏度指標(biāo)明顯降低，該區(qū)域的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性明顯提升。由表2可見，接入風(fēng)電機(jī)組后，系統(tǒng)有功裕度增加，靜態(tài)電壓穩(wěn)定性提升。由這個算例可見，分布式風(fēng)電的接入對不同位置以及不同性質(zhì)的節(jié)點(diǎn)的影響不同。對鄰近節(jié)點(diǎn)以及薄弱節(jié)點(diǎn)的影響較大。所以在分布式風(fēng)電接入時，要重點(diǎn)對這些節(jié)點(diǎn)進(jìn)行考察。增加無功補(bǔ)償4.3.1三機(jī)九節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)圖4.13無功補(bǔ)償對異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組接入的影響圖4.14無功補(bǔ)償對雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組接入的影響圖4.15無功補(bǔ)償對雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組接入對無功裕度的影響在對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行無功補(bǔ)償后，風(fēng)電接入節(jié)點(diǎn)與風(fēng)機(jī)出力的P-V曲線顯著抬升，電壓穩(wěn)定性提升。因此，異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組接入系統(tǒng)時必須根據(jù)其無功特性同時接入無功補(bǔ)償裝置，從而減少它對電壓的穩(wěn)定影響。而對于雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和永磁直驅(qū)同步型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，由于本身不需要從系統(tǒng)無功，所以無需補(bǔ)償過多的無功功率就可以提高系統(tǒng)對電壓的支撐。同時，系統(tǒng)的無功裕度明顯提升。以接入80MW的系統(tǒng)的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為例，有功裕度從472.5MW提高到488.25MW，提高了15.75MW?？梢娺M(jìn)行無功補(bǔ)償能有效提高靜態(tài)電壓的穩(wěn)定性，并且更有效地利用裝機(jī)容量。4.3.2IEEE33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)圖4.16在11節(jié)點(diǎn)處接入無功補(bǔ)償對系統(tǒng)電壓的變化圖4.17在11節(jié)點(diǎn)處接入無功補(bǔ)償各節(jié)點(diǎn)靈敏度的變化在11節(jié)點(diǎn)加入無功補(bǔ)償后，進(jìn)一步提高了對系統(tǒng)電壓的支撐，減小了靈敏度指標(biāo)，提高了系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性。本章小結(jié)本章主要在DIgSILENT中，運(yùn)用第三章介紹的方法，對風(fēng)電接入系統(tǒng)后的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析。首先在三機(jī)九節(jié)點(diǎn)算例中，對不同類型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，以及風(fēng)電的不同出力對系統(tǒng)的影響情況進(jìn)行計(jì)算，繪制出風(fēng)機(jī)出力以及節(jié)點(diǎn)電壓的P-V曲線圖，并計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的靈敏度指標(biāo)、有功裕度，以此來分析風(fēng)電接入對系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響情況；隨后，采用雙饋型風(fēng)電機(jī)組接入IEEE33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，研究風(fēng)電接入系統(tǒng)對系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)的影響以及電壓分布的變化，利用靈敏度法對各節(jié)點(diǎn)的靈敏度指標(biāo)變化情況進(jìn)行計(jì)算；最后探究系統(tǒng)接入無功補(bǔ)償設(shè)備后對系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的改善狀況。(1)不同類型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)對系統(tǒng)靜態(tài)電壓的穩(wěn)定性影響不同，主要原因在于機(jī)組的無功特性不同。異步風(fēng)理發(fā)店電機(jī)組從系統(tǒng)吸收大量無功使得接入點(diǎn)電壓嚴(yán)重下跌，不利于系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性；雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)組不從系統(tǒng)吸收無功，可以在一定程度上支持電壓穩(wěn)定性。(2)并網(wǎng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的出力不同,對系統(tǒng)靜態(tài)電壓的穩(wěn)定性也不同。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組出力較小時，有利于提高系統(tǒng)電壓的支撐力度，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組出力過大時，會使得接入節(jié)點(diǎn)電壓降低，并且靜態(tài)電壓穩(wěn)定性惡化，容易受擾動影響。(3)分布式風(fēng)電并網(wǎng)，對靈敏度高的以及與并網(wǎng)點(diǎn)鄰近的節(jié)點(diǎn)區(qū)域的電壓水平影響較大。(4)分布式風(fēng)電并網(wǎng)，對薄弱節(jié)點(diǎn)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性改善較為顯著。無功補(bǔ)償能有效提高靜態(tài)電壓的穩(wěn)定性，并且利于更有效地利用裝機(jī)容量。對于異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組而言，必須對其進(jìn)行無功補(bǔ)償才能并網(wǎng)。

總結(jié)與展望本文對分布式風(fēng)電接入系統(tǒng)對系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性進(jìn)行研究。以DIgSILENT為仿真系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬。著重對不同風(fēng)機(jī)類型、不同風(fēng)電出力，風(fēng)電接入對接入點(diǎn)，風(fēng)電接入對接入?yún)^(qū)域的影響進(jìn)行分析，得到結(jié)論如下：(1)不同類型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)對系統(tǒng)靜態(tài)電壓的穩(wěn)定性影響不同，主要原因在于機(jī)組的無功特性不同。異步風(fēng)理發(fā)店電機(jī)組從系統(tǒng)吸收大量無功使得接入點(diǎn)電壓嚴(yán)重下跌，不利于系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性；雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)組不從系統(tǒng)吸收無功，可以在一定程度上支持電壓穩(wěn)定性。(2)并網(wǎng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的出力不同對系統(tǒng)靜態(tài)電壓的穩(wěn)定性也不同。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組出力較小時，有利于提高系統(tǒng)電壓的支撐力度，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組出力過大時，會使得接入節(jié)點(diǎn)電壓降低，并且靜態(tài)電壓穩(wěn)定性惡化，容易受擾動影響。(3)分布式風(fēng)電并網(wǎng)，對靈敏度高的以及與并網(wǎng)點(diǎn)鄰近的節(jié)點(diǎn)區(qū)域的電壓水平影響較大。(4)分布式風(fēng)電并網(wǎng)，對薄弱節(jié)點(diǎn)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性改善較為顯著。(5)無功補(bǔ)償能有效提高靜態(tài)電壓的穩(wěn)定性，并且利用更有效地利用裝機(jī)容量。對于異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組而言，必須對其進(jìn)行無功補(bǔ)償才能并網(wǎng)。由于作者水平有限，對分布式風(fēng)電并網(wǎng)電壓穩(wěn)定性研究還有許多工作可以展開：在現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)上，對實(shí)際的風(fēng)電機(jī)組并入配電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析。對于雙饋型風(fēng)電機(jī)組和永磁直驅(qū)同步型風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行精確建模，分析它們變頻器和控制模塊對系統(tǒng)動態(tài)電壓穩(wěn)定性。

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