大規模風電集中接入對電力系統穩定性的影響分析

李景東

【摘 要】大規模風電集中接入對電力系統的安全穩定運行帶來了挑戰，其影響也越來越廣泛且復雜。本文從風電并網的特點出發，總結近年來風電并網對電力系統影響的研究成果，分析了風電接入對電力系統的影響，包括小干擾穩定、暫態穩定和電壓穩定，使得對風電場接入電網后穩定性問題有更全面、更深入的認識，有利于我國風力發電快速、健康發展。

【關鍵詞】風電場；攻角穩定；電壓穩定；電力系統

【Abstract】With the penetration level increasing， the impact of wind power on power system stability become increasingly complicated and widespread.we summarized the researches in recent years about the impact of wind power on power system， analyzed the influences which include small signal stability， transient stability， voltage stability， according to the characteristic of gird-connected large scale wind farm. It will have a deeper and more comprehensive understanding of the stability issue with wind farms connected to the power grid ， which benefits the rapid and sound development of wind power.

【Key words】Wind farm； Power angle stability； Voltage stability； Power system

0 引言

在能源危機和氣候壓力不斷加大的情況下，風力發電作為目前技術最為成熟、最具規模化開發條件和商業化發展前景的清潔能源，在當今的能源供應中扮演了愈加重要的角色。為此，發展以風電為代表的可再生能源，已成為各國的長期策略。我國在風力發電領域發展速度較快，裝機容量已世界第一，而且還會以較快的速度繼續發展[1]。

根據我國氣象局統計結果，并考慮到實際可利用的土地面積等因素，初步估計：近期實際可利用的陸上風能儲量約為8億千瓦，近海實際可利用的風能儲量約為2億千瓦，共計10億千瓦。根據《2014我國風電產業發展情況分析》可知，結合風能資源和市場消納條件，力爭“十三五”（2016-2020）每年新增風電裝機2000萬kW，確保實現到2020年風電裝機2億kW、年發電量3900億kW·h的目標。《中國風電發展線路圖2050》指出了未來風電發展布局，2020年前，以陸上風電為主，開展海上風電示范；2021-2030年，陸上、近海風電并重發展，并開展遠海風電示范；2031-2050年，實現東中西部陸上風電和海上風電的全面發展。

風電作為新能源電源在電網中扮演的角色越來越重要，所在比例逐年增加，而我國風電資源與電力負荷存在較大的差異，風力資源豐富的邊遠地區負荷往往較小，需經輸電系統長距離輸送到負荷中心，大規模的風電集中接入已成必然趨勢[2-3]。而大區域電網的互聯互通是實現電能在更大范圍內經濟高效應用的有效手段，作為全球第一風電大國，風電在接入電力系統規模、電壓等級和所占比例不斷提高，其對電網的影響范圍也從局部逐漸向整個互聯電網擴大[4]。

因此，本文從大規模風力發電集中接入對互聯系電力系統安全穩定運行的影響方面展開剖析，從攻角穩定性和電壓穩定性進行詳細論述。

1 功角穩定性分析

由于風能存在間歇性、隨機性、不可人為調度的特點，風電場的輸出功率同樣存在波動性問題，隨著大規模并網運行風電場的不斷增多，風電在電網中的比例逐漸提高，對電網的安全運行造成嚴重影響；同時，風電場接入電網，改變了原有電力系統的潮流分布并對電力系統傳統分析方法提出挑戰。

大規模、高集中、高電壓、遠距離輸送是我國風電發展的必然趨勢，也是我國風電發展有別于歐洲國家的特點。大規模強隨機波動性風機機組集中接入輸電系統，必然會造成電力系統功角穩定的復雜性。

1.1 小干擾穩定

隨著風電并網容量在電力系統中所占比例的逐漸增加，對電力系統系統穩定性的影響成為了近幾年的研究熱點，特別是小干擾穩定。文獻[5]較早地研究了風電并網對電力系統小干擾穩定的影響，重點集中在特征根分析法和時域仿真法研究風電接入對電力系統振蕩模式和阻尼特性的影響。由于我國大規模集中接入輸電網的特點，隨著風電并網規模的不斷擴大，風電接入電網的小干擾穩定性成為了國內學者們近年來研究的熱點。文獻[6-7]的研究結果表明了雙饋風電場可以為電力系統提供正阻尼，而文獻[8]則指出雙饋風電場會對電力系統阻尼產生負面影響，嚴重時甚至導致系統失穩。為此，風電場接入對電力系統阻尼特性的影響存在著分歧，其對電力系統阻尼的影響有待進一步深入研究，真正揭示大規模風電場接入對電力系統阻尼影響的機理。隨著我國風電接入輸電網容量的逐漸增加，研究含風電互聯電網的阻尼特性意義重大，迫切需要深入研究。

文獻[9]從雙饋風電機組并網輸送距離、并網容量、互聯系統聯絡線傳送功率以及是否加裝PSS等多個方面分析了風電場并網對互聯系統小干擾穩定及低頻振蕩特性的影響。文獻[10]指出，含雙饋風電場的低頻振蕩特性不僅受風電場運行控制及其容量大小的影響，而且與接入系統潮流變化情況密切相關。含大規模風電場的互聯電力系統低頻振蕩模式研究是近幾年國內的熱點，現有大量文獻研究振蕩機理以及對互聯電力系統的影響，然而大部分的文獻采用的方法是集中于單一運行方式或選取幾個代表性的運行方式得出結論，這樣的結論不具備全局性，不能真正揭示振蕩機理。風電的接入，導致了電力系統的運行方式更加復雜，單純的幾個運行方式不能說明問題。文獻[11]采用概率的方法對風電場接入系統小干擾穩定性的影響展開了研究，這是該領域研究的創新，從概率的角度出發，研究風電場對電力系統動態特性影響的分布情況，研究結果表明，系統本地振蕩模態穩定概率大幅度下降，區間穩定模態穩定概率略有上升。

目前的研究方法均是采用線性化的模型進行分析，即負阻尼機理。而線性化是一種近似的方法，運行參數只有在準穩態運行點附近發生較小變化進行線性化才有意義，若參數波動較大時仍采用線性化的方法必然會造成較大誤差。但是最近國內發生的機理不明的低頻振蕩引起了普遍關注，已無法通過負阻尼的機理來解釋低頻振蕩現象，而且在事故后仿真振蕩的過程中，也出現了無法用仿真再現振蕩過程的困惑，而隨著風電規模的不斷擴大，采用傳統的線性化分析方法是否適用，有待進一步的研究，我們也期待有更好的方法在該研究領域出現。

1.2 暫態穩定

電力系統系統暫態穩定是指電力系統受到大的擾動后經過一個暫態過程，同步發電機功角或異步發電機滑差可穩定在某一穩態值，則稱為暫態穩定，否則暫態不穩定。與小干擾穩定的最大區別就是受擾后運行參數偏離平衡點較大，在分析方法上有著很大的差別。異步發電機是沒有功角穩定問題，但其滑差可反映轉子角度的穩定性，因此異步發電機是存在暫態穩定性問題的。風電接入對電網暫態穩定性的影響取決于電網拓撲結構及電網運行方式，既可能改善電網暫態穩定性，也可能降低電網暫態穩定性。風力發電機采用感應發電機，不同于常規同步發電機，在電網發生故障時其暫態特性與傳統同步發電機有很大的不同。大容量的風電接入改變了系統潮流分布及慣量。風電接入電網后，系統的暫態特性發生了變化。

大規模風電集中接入電力系統，會對電力系統暫態穩定產生一定的影響。文獻[12]基于EEAC理論，定量分析了定速異步風機和雙饋式異步風機對電網暫態穩定性的影響。當風電滲透率更大、接入電壓等級更高時，風電對電網的暫態穩定的影響才會明顯。文獻[13]通過分析了大容量風電場接入系統后電網的暫態穩定特性，提出了保證風電場和電網安全穩定運行的風電場安全容量的概念，并且探討了一些改善電網暫態穩定水平的措施；文獻[14]通過在同一接入點分別接入雙饋風電機組與接入同步發電機組對電力系統的穩定性進行研究，研究證明了基于雙饋風電機組的風電場對電力系統暫態穩定的影響要好于在同一接入點接入相同容量的同步發電機組。文獻[15]結合風電機組自身的暫態特性，較為全面地研究了風電場外電網發生三相短路故障時對電力系統和風電機組本身的影響，為確保風電場最佳接入電網容量提供了依據。

風電接入容量的逐步增加，電力市場的逐漸深入，使得電力系統的運行日益復雜，這樣導致暫態穩定問題日趨嚴重。電力系統暫態穩定的分析方法目前主要有三種：時域仿真法、直接法和人工智能法。時域仿真法是分析暫態穩定最成熟的有效方法，但計算量大、不適合實時控制；直接法是暫態穩定在線分析最具前景的分析方法，但截至目前，直接法在模型的詳細程度、準確度和可靠性方法仍存在不足，無法實現在線分析；人工智能法是近些年來興起的一種新方法，在不需要準確模型的情況下，能較好地解決問題，但在電力系統實際應用還有待進一步研究。以上三種方法各有優缺點，因而多種方法相結合將是暫態穩定分析的一個方向，同時廣域測量系統也可為暫態穩定在線分析提供新的契機。

2 電壓穩定性分析

電壓穩定性是指電力系統正常情況下或遭受干擾后系統維持所有母線電壓在可以接受的穩定值的能力，電力系統電壓穩定可分為靜態電壓穩定和暫態電壓穩定。隨著大規模風電場集中接入超高壓輸電網絡的規劃建設，電力系統的暫電壓穩定問題日益突出。

文獻[16]指出，風電機組機端電壓變壓器、風電場內集電線路以及風電場升壓變壓器等都存在無功損耗，因此在風電場正常運行時需要從電網中吸收大量的無功功率，即使是雙饋風力發電機組。當風電場規模較大且無功儲備不足的情況下，很可能導致電壓失穩問題。常用的無功補償設備有并聯電容器組、靜止無功補償器（SVC）和靜止無功發生器（SVG），其中并聯電容器組不具備低電壓穿越能力，實用性不高，而SVG的造價較高，目前的市場份額不大，為此，SVC應用較大，而且市場份額逐漸增加。低電壓穿越能力會直接影響電網電壓穩定的重要因素，也是維持電壓穩定的重要保障。低電壓穿越是指在風電機組并網點電壓跌落時，風力機能夠保持不脫網運行，甚至可以向電網提供一定無功功率，支持電網電壓使得系統在故障后能夠迅速回到正常運行狀態。若風電場不具備低電壓穿越能力，當電網發生故障時，保護裝置會將風電機組從電網中解列，當風電場在系統中容量較小時可以接受。然而，當大規模風電場集中接入系統且容量較大時，從電網中切除將會增加系統的恢復難度，嚴重時可能導致電壓失穩，甚至會導致電壓崩潰，造成大面積停電事故發生。

暫態電壓穩定的分析方法主要有時域仿真法和直接法。時域仿真法需要建立包括風力發電機在內的各種動態原件的微分代數方程組模型，采用數值分析法求解。由于時域仿真計算時間長，只能用于離線分析計算。直接法能夠建立計及負荷動態特定的電力系統結構保留模型，并在此構建Lyapunov暫態能量函數，計算速度較快，可用于在線分析。然而，直接法最大的難點就是暫態能量函數的構造，即使能夠找到一個能量函數，但是判斷是否為Lyapunov函數是非常困難的，為此，不可能直接用于暫態穩定的在線評估。

電壓穩定性與攻角穩定性相比，其研究難度較大，電壓穩定性的研究必須結合負荷的動態模型，而負荷建模至今仍是難題。雖然近些年來，研究人員對電壓穩定性展開了深入的研究，也取得了一定的成果，但是截止目前，電壓失穩機理仍沒有真正揭示，也沒有給出公認的本質的定義。而風電強隨機波動性的特點，造成了大規模風電接入使得電網電壓穩定性的更加復雜，仍需要進一步研究。美加8.14大停電事故至今值得我們深思。

3 結論

本文就大規模風電場集中接入對電力系統穩定的影響展開了剖析，包括電力系統小干擾穩定、暫態穩定以及電壓穩定。在總結了目前該領域的研究成果，同時也指出了該領域今后的研究方向，有利于促進風電的健康、有序發展，保證含風電場的大規模混合互聯電力系統的安全穩定運行。

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[責任編輯：楊玉潔]