风力发电系统的电压稳定性分析

电压稳定是电力系统在额定运行条件下和遭受扰动之后系统中所有母线都持续地保持可接受的电压的能力。当有扰动、增加负荷或改变系统条件造成渐进的、不可控制的电压降落，则系统进入电压不稳定状态。造成不稳定的主要因素是系统不能满足无功功率的需要，问题的核心是通常在有功功率和无功功率流过输电网络的感性电抗时所产生的电压降。

电压稳定的准则是对系统中的每一母线，在给定的运行条件下，当注入母线的无功功率增加时其母线电压幅值也同时增加。如果系统中至少有一个母线的电压幅值随注入该母线的无功功率的增加而减少，则该系统是电压不稳定的。即V-Q灵敏度对每个母线都是正的，则系统电压是稳定的；而至少一个母线的V-Q灵敏度为负，即是电压不稳定。

对于电压稳定性问题，P-U分析是一种静态电压稳定分析方法，它通过建立节点电压和一个区域负荷或传输界面潮流之间的关系曲线，从而指示区域负荷水平或传输界面功率水平导致整个系统临近电压崩溃的程度。另一种分析方法为U-Q曲线分析方法，在规定的节点上配置可变的无功电源，通过控制节点电压在一定范围，可获得节点电压对无功注入的U-Q曲线。对于大的系统，U-Q曲线是通过一系列潮流仿真得到的，它画出了在一个节点上的电压与同一节点上的无功功率注入的关系。

电力系统一般通过调节电网的无功设备来调节系统的电压，从而避免较大的电压偏差及电压失稳问题。风电场等效为大型发电机也要参与系统的无功调整以及电压稳定性控制。根据工程经验，要使风电场正常运行，首先要保证电压在合理范围内，其次功率因数也要合理。有些情况下，因为风电场送出线路充电功率过大，导致风电场电压过高，为维持风电场挂网运行甚至需要在风电场中安装补偿电抗器，此时并网点的功率因数较低。因此风电场的无功补偿与风电场的容量大小、风电场的出力水平及接入电网的状况有关，需要具体问题具体分析。

异步发电机组的运行需要吸收无功功率，风速的波动不仅会导致风电场有功功率输出的波动，也将造成其吸收无功功率的波动。联络线上的电压降落为(www.xing528.com)

式中，V_pcc为风电场系统接入点电压；V_s为系统电网电压；P、Q为风电场输出的有功、无功功率；R_s与X_s为联络线的电阻和电抗。

当V_s不变时，P和Q的变化将导致系统公共接入点（Point of Common Cou-pling，PCC）处电压的波动，其中风电场向系统输出的有功功率P引起电压上升，吸收的无功功率Q导致电压下降。由此可见，为稳定风电场电压，必须有效控制风电场注入电网的无功功率，达到控制PCC点电压的目的；同时，联络线的阻抗参数X/R和短路容量比对风电场的电压稳定性也有重要影响。

此外，电网发生故障时，风电场为保护自身往往主动与电网解列，大型风电场的退出会导致系统更大的功率缺额，不利于系统的稳定，如果风电场不具有低电压穿越能力，则在电网发生故障时可能出现大量风电场退出运行的情况，这相当于系统再次承受冲击，严重时甚至会导致系统电压崩溃。所以新的风电并网导则对风电机组低电压穿越（Low Voltage Ride Through，LVRT）运行能力提出了明确要求。