風電并網對電壓穩定的影響與調整策略

裴文杰

(中南大學 信息科學與工程學院，湖南 長沙 410083)

中國正處于能源轉型的緊迫時期，而風能取之不盡且無污染。2012年底國內風電并網裝機達6000萬千瓦。大規模風電并網已成為必然趨勢。

然而，由于我國風力資源分布不均勻，風電基地大多處于電網末端。且機組普遍采用異步發電機，風電系統在向電網注入有功功率時也從電網吸收了無功功率。若系統無功供給不能滿足，就可能引起電壓降低，甚至電壓崩潰。世界各地的大電網因風電并網導致的崩潰事故屢見不鮮，風機的這種特性，使風電接入系統后的電壓穩定研究迫在眉睫。

本文以主流的恒速恒頻風力發電系統為對象，通過Simulink仿真平臺，討論了風電接入系統影響電壓的因素。在不同的擾動下，提出改善措施。

1 風電機組低壓穿越能力

風機低壓穿越能力源自德國E.ON標準：故障后電壓恢復，必須保證風電場連續運行且不脫離電網、風電機組動態發出無功以支持電網電壓，加速系統電壓恢復，防止機組由于電壓低跳閘。風電機組這種故障期間不間斷并網運行的能力稱為低壓穿越能力(Low Voltage Ride Through，LVRT)。

2 短路容量比

短路容量反映系統連接點與電源的電氣距離、聯系緊密程度與網絡結構的強弱。短路容量大表明由擾動引發的電壓變化小，有利于擾動后電壓恢復。

風場額定容量與風場接入點短路容量之比稱為風場短路容量比K。各國其定義不盡相同，一般取經驗數據4% ～5%。我國受地理位置的限制，考慮電壓穩定與風能充分利用，短路容量比有所調整。

3 風電穿透極限

風電裝機容量占系統總負荷的比例稱穿透功率。在并網容量大時，普通風電機組對電壓無控制能力，因而系統的電壓穩定性會降低。在電壓穩定的情況下，我們可以得到電網風電功率穿透極限，這在電網規劃指導里有重要作用。

4 無功補償器

風機較其他電機更需加裝無功補償器，每臺風電機組都配有補償電容器，然而電容器的補償效應差，當系統無功缺額越大，補償的無功越少。因此需在電容器補償基礎上，加裝更先進的無功補償裝置。

STATCOM是無功補償領域新技術的代表，是靈活柔性交流輸電系統(FACTS)的重要部分。它并聯于電網中，相當于一個可控無功源，其無功電流可快速跟隨負荷無功電流變化而變化，自動補償電網系統無功功率，對電網實現動態無功補償。

5 數字仿真與結果分析

在Simulink環境下，建立風場并入無窮大系統仿真模型。參數如下(以1.5MW為基準容量的標幺值)：

額定電壓u=575V，頻率 f=50Hz，定子參數 Rs=0.0048、Ls=0.1248，轉子參數 Rr=0.0043、Lr=0.1791，勵磁電抗 Lm=6.67，慣性時間常數 H=5.04s。

利用Simulink構建仿真模型，基于以下不同變量進行動態仿真：

一：兩臺1.5MW風電機組同時并網發電，基本風速為7m/s，仿真時間 15s，陣風強度分別為 15m/s、20m/s、25m/s，5s開始，持續時間3s，在風電場高壓測進行線路有功、無功測量。

二：在陣風25m/s時，對比加裝與不裝STATCOM時，電網線路中的無功、電壓波形。

在方案一的仿真波形中可以看出，風速越大，電壓波動越大，轉速迅速上升，無功需求大，此時系統無法提供足夠的無功支持，最終導致電壓崩潰。要解決這一問題，需采用交直交拓撲結構，控制直流電壓的逆變，就能達到電壓穩定。具體方法與裝置不再敘述。

方案二中我們明顯直觀看到了加裝STATCOM后，系統電壓能在原來發生崩潰的情況下繼續保持運行。

6 結論

利用Simulink建立風電場模型后，仿真表明，隨著風能的利用，風電系統本身的弊端開始體現，風電并網會引起電壓波動和閃變，嚴重時將導致電壓崩潰。通過加裝STATCOM，抑制了電壓的波動，降低了機組解裂的可能，提高了電網的低壓穿越能力，改善了電網接入電壓穩定性。

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