風電并網對系統電壓穩定性的影響研究

周宇權+張志明

（東北石油大學 大慶市 163318）

摘要：風力發電是一種成熟的可再生能源發電方式，在國家政策以及經濟發展需求下，風力發電發展迅速。而不同地點、不同時刻的風速都是不同的，這使得風力發電間歇性明顯。所以，當風電接入電網時，要經過嚴格的可行性評估，針對風電場并網所帶來的響，采取優化的運行措施、策略，以確保電網安全、經濟運行，同時能夠最大程度地接受風電容量。文章闡述了風電并網對穩態電壓穩定性以及暫態態電壓穩定性的影響，分析其不利影響，并給出了相應的優化措施。

關鍵詞：風電并網；系統電壓穩定性

前言

風力發電機組采用的是異步發電機技術，其靜態特性和暫態特性具有自身特性。風電場接入電網將會對地區電網的電壓穩定性造成不利影響，對電壓幅值最具有代表性。文章從風電場出力、風電場功率因數、風電場接入位置，就風電并網會對電壓造成的影響進行研

1.風電并網造成的影響

1.1風電場出力的影響

電網的負荷、電網運行方式、電網的結構以及發電機組的出力每個時刻都在變化，這會導致功率不平衡，進而造成電壓偏離標稱值。當風電場并入電網，風電功率會造成電壓幅值偏移；另同時，風電的隨機性也會導致風電功率變化，電網電壓會產生波動。

1.2風電場功率因數的影響

傳統風力發電系統在建立旋轉磁場時需要吸收大量無功功率，但無功功率和有功功率沒有解耦，功率因數會出現較大變化。吸收無功將導致電網的功率因數會降低，若不能采取無功補償的措施，會造成電壓異常波動。

1.3風電場接入位置的影響

當風電并入電網后，主網的功率輸出會減小。但風能具有隨機性和不可調度性，風電的輸出隨著時間變化而變化。而風電的隨機性會對電網供電可靠性以及效率造成影響。一方面，風電接入電力系統能提高電網的電壓分布，降低電網損耗；另一方面，風電可能會改變電網的潮流的方向，降低或者加大系統損耗；最大的影響是，風電的隨機性會對主網的正常運行造成影響，隨著風電容量的增加，影響會更加大。風電場的并入位置，也對靜態電壓穩定性產生重大影響。

2.影響系統電壓穩定的主要因素

我國風力資源分布極不均勻，風資源豐富的地區往往人口稀少，風電基地大都遠離負荷中心，處于供電網絡的末端，電網結構十分薄弱，承受沖擊的能力很差。隨著風電裝機容量的增加，在電網中所占的比例增大，使得風電并網運行對電網的安全穩定運行帶來重大的影響，其中最為突出的問題就是使系統的電壓穩定性降低，甚至導致電壓崩潰。

2.1風電機組的低電壓穿越能力

風機的低電壓穿越能力是風機的一項重要特性，直接關系到風電接入系統后的電網穩定性。在風電發展初期，由于風電在電網中所占的比例很小，一般不要求風電場參與系統控制。當電網發生故障時，由于風電場本身的電壓穩定性無法保證，通常都采用切除風電機組的措施來保證風電場及電網穩定。隨著風電穿透功率的提高，電網發生故障時，風電機組電壓越限保護或轉速越限保護動作會使風電機組脫離電網，這樣會加速系統的電壓失穩，甚至會引發電壓崩潰。鑒于風電機組脫網帶來的嚴重后果，歐洲國家根據各自的網絡構架和風電場情況對風機組的低電壓穿越能力提出了相應的標準。其中影響最大的是德國的E.ON 標準：故障后電壓恢復期間，必須保證風電場能連續運行而不脫離電網，還要求風電機組動態發出無功功率以支持電網電壓，加速系統電壓恢復，防止風電機組由于電壓過低導致的跳閘。風電機組這種故障期間保持不間斷并網運行的能力稱為低電壓穿越能力（Low Voltage Ride Through，LVRT）。

2.2短路容量

電網的強弱可以用風電場與電力系統連接點（Point of Common Coupling，PPC）的短路容量來表示。短路容量大表明該節點與系統電源點的電氣距離小，聯系緊密，網絡結構強，由擾動引發的電壓變化量小，有利于擾動后的電壓恢復。國內外學者和工程技術人員通常用風電場短路容量比來衡量并網點接納風電的適宜程度，它是指風電場額定容量與該風電場和電力系統連接點的短路容量之比，如式（5）所示。windsc（%） 100%K SS. . （5）式中， wind S 為風電場額定容量； sc S 為風電場接入點的短路容量。風電場接入點的短路容量反映了該節點的電壓對風電注入功率變化的敏感程度。風電場短路容量比小，表明系統承受風電擾動的能力強。通常采用風電場短路容量比來重點考察風電功率的注入對局部電網的電壓質量和電壓穩定性的影響。對于短路容量比K 的取值，歐洲國家給出的經驗數據為4%～5%[7]。而在我國受風力資源分布的影響，適合建風電場的地區，電網結構比較薄弱，風電場接入點的短路容量較小，如要滿足短路容量比為4%～5%的要求，則風電場的規模要受到很大的限制。在網絡結構一定時，如果風電接入容量增大，使得風電場短路容量比K 增加，系統承受風電擾動的能力減弱，將會嚴重影響系統的電壓穩定性。

2.3系統風電穿透功率

風電穿透功率是指風電場裝機容量占系統總負荷的比例。由于風的隨機性，所以風電場對系統產生的影響大多是負面的。當系統中風電穿透功率較小時，系統本身的調節作用可以減小這些負面影響；當系統中風電穿透功率增大時，并入電網的風電容量隨之增大，同時意味著常規發電機組的容量減少，而帶普通感應電機的風力發電機組對電壓沒有控制能力，這樣系統對電壓的控制作用就會降低，進而會消弱系統的電壓穩定性。因此，若能計算出電網中風電功率穿透極限，則會對風電的規劃起到重要的指導意義。

2.4無功補償裝置

異步發電機組在向電網輸出有功功率的同時，還需要從電網吸收滯后的無功功率，并隨著發電機輸出有功功率的變化而變化。因此每臺風力發電機組機端都配有補償電容器。在通常情況下，風電機組出于自身保護的需要，在遭受大擾動后風電場將與系統解列，大型風電場退出運行會導致系統更大的功率缺額，將嚴重影響系統的穩定性。因此，在系統故障期間，更需要吸收大量的無功功率以完成電壓的恢復。目前常用的無功補償裝置仍屬于離散控制，調節速度緩慢，在補償量的各個階段中有功功率的變化引起的無功需要仍然需要由電網提供，而且電容器組發出的無功功率與機端電壓的平方成正比，當電網水平降低時，無功補償容量迅速下降，導致風電場對電網的無功需求上升，進一步惡化電壓水平，易造成電壓崩潰。

3.結束語

綜上所述，可以總結其措施主要包括以下幾點。第一，進行全網含風電場的無功補償或無功優化，降低網損；第二，提高風電場的運行功率因數；第三，在風電并網點適當采用電抗器補償；第四，增強網架降低風電場的影響；第五，使用動態無功補償設備。通過以上幾點方式，可以使得風電并網對電力系統電壓穩定性影響最小。

參考文獻：

[1]遲永寧，王偉勝，戴惠珠.改善基于雙饋感應發電機的并網風電場暫態電壓穩定性研究[J].中國電機工程學報，2007，27（25）：25-31.

[2]吳俊玲，周雙喜，孫建鋒，等.并網風力發電的最大注入功率分析[J].電網技術，2004，28（20）：28-32.

[3]申洪， 梁軍， 戴慧珠.基于電力系統暫態穩定分析的風電場穿透功率極限計算[J].電網技術，2002，26（8）： 8-11.

[4]任普春，石文輝，許曉艷，等.應用SVC 提高風電場接入電網的電壓穩定性[J].中國電力，2007，40（11）：97-101.

[5]周雙喜.電力系統電壓穩定性及其控制[M].北京：中國電力出版社，2003.endprint