風(fēng)電接入對電壓穩(wěn)定的影響分析

摘 要：21世紀(jì)，資源、能源緊張問題日益嚴(yán)重，綠色能源已經(jīng)成為各國爭相發(fā)展的重要產(chǎn)業(yè)。我國國土面積廣大，風(fēng)力資源豐富，非常適合發(fā)展風(fēng)電產(chǎn)業(yè)。由于風(fēng)力發(fā)電電壓受風(fēng)速變化影響波動(dòng)較大，使得風(fēng)電并網(wǎng)受阻。文章分析了電壓穩(wěn)定在傳統(tǒng)電網(wǎng)和含風(fēng)電系統(tǒng)兩個(gè)領(lǐng)域的表現(xiàn)差異，討論了風(fēng)電并網(wǎng)中電壓穩(wěn)定性的影響因素，最后對風(fēng)電系統(tǒng)中無功補(bǔ)償對于電壓穩(wěn)定性的積極意義進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電；并網(wǎng)；電壓穩(wěn)定

引言

隨著環(huán)保意識逐漸深入人心，清潔環(huán)保的綠色能源越來越受到人們的重視。作為綠色能源大家族中的重要一員，風(fēng)力發(fā)電獲得了飛速發(fā)展，在國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和能源供給方面發(fā)揮的作用日益凸顯。進(jìn)入21世紀(jì)以來，風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)不斷壯大，裝機(jī)容量越來越高。與此同時(shí)，風(fēng)電并網(wǎng)時(shí)產(chǎn)生的問題也逐漸引起人們的關(guān)注。由于缺乏無功補(bǔ)償配合，在風(fēng)速劇烈變化的時(shí)候，風(fēng)電系統(tǒng)電壓會(huì)發(fā)生大幅波動(dòng)，一旦風(fēng)電并入國家電網(wǎng)，就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)電壓不穩(wěn)，給整個(gè)供電系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全造成嚴(yán)重影響。

1 電壓穩(wěn)定問題在傳統(tǒng)電網(wǎng)和含風(fēng)電系統(tǒng)兩個(gè)不同領(lǐng)域的差異

導(dǎo)致電壓不穩(wěn)定的根本原因是電力系統(tǒng)中電力供應(yīng)與使用規(guī)模不匹配。在電壓失穩(wěn)這個(gè)問題上，含風(fēng)電系統(tǒng)和傳統(tǒng)電力系統(tǒng)相一致，其最基本原因都是缺乏足夠的無功補(bǔ)償。在傳統(tǒng)電網(wǎng)領(lǐng)域，負(fù)荷側(cè)不穩(wěn)是導(dǎo)致系統(tǒng)電壓不穩(wěn)的主因，也就是說，電壓不穩(wěn)的根源在于電網(wǎng)使用端負(fù)荷不穩(wěn)。所以在研究電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性問題時(shí)，其主要注意力都集中在負(fù)荷方面，并為此建立了盡可能精確逼真的分析模型。風(fēng)力發(fā)電受其工作機(jī)理影響，風(fēng)電場都位于地勢開闊平坦，風(fēng)力資源豐富的地區(qū)。在我國大多數(shù)風(fēng)電場的所在地都是沿海地區(qū)或內(nèi)陸邊遠(yuǎn)地區(qū)。這些風(fēng)電場產(chǎn)生的電力基本都僅用來為所在地區(qū)及周邊電氣供電服務(wù)，其所接入的電網(wǎng)都屬于地區(qū)性的配電網(wǎng)。電網(wǎng)結(jié)構(gòu)相對簡單，各節(jié)點(diǎn)聯(lián)系不夠緊密，缺乏能夠?qū)崿F(xiàn)迅速調(diào)節(jié)功能的電源，一旦發(fā)生異常問題，電網(wǎng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)就會(huì)遭受到較大影響。此外，風(fēng)力發(fā)電質(zhì)量和規(guī)模與風(fēng)力資源的情況直接相關(guān)。風(fēng)速的劇烈變化和變化的隨機(jī)分布都使得風(fēng)電系統(tǒng)電壓缺乏足夠的穩(wěn)定性。在風(fēng)電接入電網(wǎng)后，電壓失穩(wěn)的問題也隨之對電網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。電網(wǎng)電壓隨著風(fēng)電功率發(fā)生大幅波動(dòng)。為保障電網(wǎng)電壓穩(wěn)定，必須對風(fēng)電并網(wǎng)相關(guān)問題進(jìn)深入研究。

2 風(fēng)電并網(wǎng)對電壓穩(wěn)定的影響

在這個(gè)問題上，我們使用單機(jī)無窮大系統(tǒng)對風(fēng)電系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性問題進(jìn)行討論分析。其中，用PQ或RX模型模擬以普通感應(yīng)發(fā)電機(jī)為代表的恒速恒頻風(fēng)電機(jī)組，以PQ或PV模型模擬以雙饋電機(jī)為代表的變速恒頻風(fēng)電機(jī)組。風(fēng)電場等相關(guān)參數(shù)自PQ處接入電網(wǎng)末端。具體圖示如下：

圖1 單機(jī)無窮大系統(tǒng)

圖1中母線位置功率存在如下平衡關(guān)系：

■=■sin？啄

■=■cos？啄-（■）■

最后推導(dǎo)出：

風(fēng)速與風(fēng)力是風(fēng)力發(fā)電功率的一個(gè)關(guān)鍵因素。風(fēng)電場有功功率歲風(fēng)速增加而增長，因此，為保障電壓平衡，就必須提供足夠的無功功率予以補(bǔ)償。一般情況下，風(fēng)電場通過在機(jī)端位置安裝無功補(bǔ)償設(shè)備確保電壓的穩(wěn)定。在應(yīng)用變速恒頻系統(tǒng)的風(fēng)電場，通過制定實(shí)施科學(xué)的風(fēng)電機(jī)組無功控制方案來控制系統(tǒng)無功功率。根據(jù)實(shí)際情況，采取不同的措施，達(dá)到產(chǎn)生無功功率或降低無功功率兩種目的。在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)，要注意無功功率控制范圍的設(shè)定，如果設(shè)定值超過風(fēng)電機(jī)組可能的無功功率上限，會(huì)使得轉(zhuǎn)子繞組過熱最終導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)，同時(shí)還會(huì)使系統(tǒng)失去對無功功率的調(diào)整功能，無法提高或降低無功功率，從而使得端電壓發(fā)生升高或降低現(xiàn)象，情況嚴(yán)重時(shí)就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性失控。變速恒頻風(fēng)電機(jī)組具有根據(jù)風(fēng)速變化自動(dòng)控制無功功率的功能，一旦風(fēng)速發(fā)生改變，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)整無功功率增大或減小，從而使得風(fēng)電場極端電壓處于可控范圍之內(nèi)。

3 風(fēng)電對并網(wǎng)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的影響

如果風(fēng)電場采用恒速系統(tǒng)，Q與機(jī)端電壓的平方成正比例關(guān)系，對于風(fēng)電功率很大時(shí)，系統(tǒng)有功功率越大，則受到吸收的無功功率也越大，為保障系統(tǒng)電壓維持在一個(gè)較為理想的狀態(tài)，可以采取無功補(bǔ)償?shù)霓k法降低風(fēng)電場吸收的無功功率規(guī)模及電能在線路上的傳輸，以達(dá)到穩(wěn)定電壓的目的。在風(fēng)電場處于注入功率較低的狀態(tài)下，由于風(fēng)電場為電網(wǎng)提供了有功功率，改善了系統(tǒng)潮流分布，使得支線線路無功損耗減少，這時(shí)電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)電壓較高。隨著風(fēng)電場功率增加，產(chǎn)生的有功功率提高，為保持系統(tǒng)穩(wěn)定，必須為各支線及風(fēng)電場提供足夠與有功功率相當(dāng)?shù)臒o功功率，由于地區(qū)電網(wǎng)無力承擔(dān)，需要主網(wǎng)提供無功功率，其結(jié)果就是電網(wǎng)電壓下降。如果系統(tǒng)負(fù)荷很大，在正常負(fù)荷情況下的系統(tǒng)弱穩(wěn)定區(qū)域會(huì)隨著風(fēng)電場的并入而呈現(xiàn)擴(kuò)散趨勢。這是因?yàn)闉榱似胶庥泄β剩L(fēng)電場需要系統(tǒng)提供大量無功功率，從而使得正常載荷下的系統(tǒng)電壓弱穩(wěn)定區(qū)比并入常規(guī)發(fā)電機(jī)組時(shí)的系統(tǒng)電壓弱穩(wěn)定區(qū)面積更大，由此導(dǎo)致系統(tǒng)承受載荷的能力進(jìn)一步下降。

有時(shí)系統(tǒng)遭受意外事故導(dǎo)致電壓大范圍下降，由此導(dǎo)致集中運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組短時(shí)間內(nèi)大規(guī)模出現(xiàn)解列等一系列嚴(yán)重問題，并對系統(tǒng)造成二次沖擊，情況嚴(yán)重時(shí)還有發(fā)生系統(tǒng)振蕩和電壓崩潰的可能。為此，如果電網(wǎng)系統(tǒng)中大規(guī)模的接入風(fēng)電場，為抵消風(fēng)電場對于電網(wǎng)防范事故能力的消弱，就必須想方設(shè)法進(jìn)一步加大電網(wǎng)穩(wěn)定性控制力度，以確保系統(tǒng)安全。

4 風(fēng)電并網(wǎng)對電壓穩(wěn)定的影響因素

經(jīng)過長期研究和實(shí)踐總結(jié)，我們發(fā)現(xiàn)補(bǔ)償容量、線路參數(shù)X/R的比值、風(fēng)電場的短路容量、風(fēng)速、風(fēng)電機(jī)組的類型、無功補(bǔ)償裝置及負(fù)荷等因素對于含風(fēng)電場電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性有著重要影響。線路參數(shù)X/R是影響含風(fēng)電系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的重要因素，其比值最小為2，最大為10。如果風(fēng)電場地處偏遠(yuǎn)，遠(yuǎn)離用電區(qū)域，傳輸線路路徑很長，其阻抗在整個(gè)系統(tǒng)中比例較大，經(jīng)過傳輸線路后電壓會(huì)有極為明顯的下降。為保障負(fù)荷中心電壓，必須進(jìn)行相應(yīng)的電壓補(bǔ)償。此外，不同類型的風(fēng)機(jī)在電壓穩(wěn)定性控制方面也有不同表現(xiàn)。相對于恒速恒頻的發(fā)電機(jī)，變速恒頻的發(fā)電機(jī)組控制電壓穩(wěn)定性的能力更強(qiáng)。此外，同步風(fēng)電機(jī)組通過降低系統(tǒng)無功消耗來保障系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，從而在安全性和載荷能力兩個(gè)方面都比感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組要好。

5 結(jié)束語

電能是一個(gè)國家發(fā)展經(jīng)濟(jì)，維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定，保護(hù)國防安全，實(shí)現(xiàn)長治久安和可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略資源。當(dāng)前，我國經(jīng)濟(jì)正處于飛速發(fā)展階段，經(jīng)濟(jì)體制改革工作不斷深入，電能需求不斷增加，發(fā)展風(fēng)力發(fā)電勢在必行。與此同時(shí)，電網(wǎng)負(fù)載與日俱增，給電網(wǎng)安全穩(wěn)定提出了更高的要求。深入開展風(fēng)電接入電網(wǎng)對電壓穩(wěn)定性影響研究工作，有助于我國風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的順暢發(fā)展，有助于緩解日益增長的用電需求，為我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民生活順利進(jìn)行提供了基本基礎(chǔ)。風(fēng)電并網(wǎng)對系統(tǒng)電壓的影響，主要來源于無功功率的缺失，加大系統(tǒng)無功補(bǔ)償可以較好地解決系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性問題。

參考文獻(xiàn)

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