風電并網對電網電壓的影響及對策

鄒松佐

摘 要：當前，伴隨著風電產業的快速發展，在政府和電力企業的共同努力下，風力發電取得了顯著的進展。然而，由于風力發電具有不確定性和不可控性，大規模風電并網將會對電網的電能質量和電力系統的安全性等很多方面造成負面影響，其中，電網電壓穩定性的問題是最棘手和最困難的問題之一。因此，研究風電并網對電網電壓影響對于大規模風電并網具有很重要的意義。基于此，本文就風電并網對電網電壓的影響及對策進行簡要的分析。

關鍵詞：風電并網；電網電壓；影響；對策

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.21.195

1 風電并網對電網電壓穩定性的影響

1.1 不同風機的影響

當前的風力渦輪機大多數都是恒定速度和頻率的感應發電機（IG）或者變速恒頻的雙饋異步發電機（DFIG）。因為不同的風力渦輪機有不同的無功特性，所以對系統電壓的穩定性也不同。

1.2 不同的控制模型的影響

對于雙饋式異步風電機組有兩個控制模型，一個是恒功率因數控制模型，另外一個是恒壓控制模型。在恒功率因數控制模型中，雙饋式異步風電機組的功率因數通常被控制為1，那是因為雙饋式異步風電機組不與系統交換無功功率。相對于恒功率因數的控制模型，因為恒壓控制模型的目標是發電機的端電壓，所以在恒壓控制模型中雙饋式異步風電機組輸出功率的改變將對系統造成更小的電壓波動。

1.3 不同的FACTS的影響

在柔性交流輸電系統的大家庭中，靜止同步補償器（STATCOM）和靜止無功補償器（SVC）是FACTS中最流行的設備。然而，與SVC比較而言，STATCOM有更快的響應速度，更好的穩定性，更寬的操作范圍和更多的連續無功輸出等優點。此外，對于穩態無功供應，STATCOM與SVC相比較而言支持更高的負載。

2 改善風電并網后電網電壓穩定性的措施

2.1 在風電送出線路上安裝串聯補償設備

影響電壓穩定性的主要因素包括輸電線路上串聯的感性電抗。為了提高電網電壓的穩定性，可以減少輸電網絡中各元件的電抗，從而增加了故障后的傳輸功率。為了達成上述目標，最簡單的方法就是減少輸電線路的電抗，額定電壓的大小、線路結構以及并行回路數決定著這個電抗的大小。在風電送出線路上安裝串聯電容器補償裝置是降低降低輸電線路電抗的一種重要方法。

2.2 可控高壓電抗器

風電出力的隨機性對電網電壓的穩定性產生了很大的影響，不能夠實時調節500kV和750kV等級的高壓電抗器的大小，只能補償高壓輸電線路上的充電功率。在風電裝機容量很大的地方，因為風電場的電壓控制能力有限，所以相鄰500kV母線和750kV母線電壓會降低，這個時候變壓器低壓側的電抗器基本控制不了高壓側母線電壓的大小，如果高壓側電抗器此時實時可調，這將大大地提高電網電壓的穩定性。

2.3 在風電場安裝SVC或STATCOM

電網電壓的大小會隨著風電場出力變化而變化，一般情況下，風電場位于電網的末端，若在風電廠安裝電容器組用于無功補償，那么在風電大出力時，投切電容器時會造成母線電壓波動。

為了加強動態無功補償和改善電網末端電壓穩定性，STATCOM和SVC被引入到大規模的輸電網中。SVC從本質上來講仍然是并聯的電容器組和電抗器組，但是基于晶閘管的控制能夠提高其動態響應的速度，從而在一定程度上滿足故障條件下的動態無功支持要求；由于其吸收或發出的無功功率仍然是其端電壓的二次方成正比，當其無功功率達到自身無功極限值時，就會表現出與電抗器組或電容器組相同的無功電壓特性，低電壓水平下無法提供其額定的無功容量。

一般把STATCOM裝置看成一個電壓大小可控制的電壓源，當電壓源提供電壓的最大值大于交流系統接入點的電壓時，STATCOM吸收的無功功率小于0，這個時候STATCOM相當于一個電容；如果電壓源提供電壓的最大值小于交流系統接入點的電壓，STATCOM吸收的無功功率大于0，這個時候STATCOM相當于電感。電壓差與兩點之間阻抗的比值決定電流的大小，可以實時控制STATCOM裝置產生的電壓幅值大小，所以可以實時控制吸收的無功功率大小。

2.4 槳距角控制

槳距角控制是通過控制風力機上槳葉的角度大小來改變槳葉相對于風速的攻角，最后風力機從風中捕獲的風能也隨著發生了變化。槳距角控制有著兩種不同的控制策略：一種是風電機組的功率輸出優化。另一種是風電機組的功率輸出限制。

風電機組的槳距角控制可以分為以下兩種：

（1）槳距角控制，隨著槳距角β增大，風電機組機械功率PM降低。（2）主動失速控制，隨著槳距角β增大，風電機組機械功率PM降低。

因為槳距角控制可以在較短的時間內調節風電機機械功率，所以槳距角控制能夠提高電網電壓的穩定性。

2.5 采用雙饋感應發電機

與傳統的異步發電機相比，雙饋感應發電機由于采用了變頻器控制，具有以下一些優點：

（1）為發電機提供勵磁。（2）具有控制無功與電壓的能力。（3）能夠實現對功率的解耦控制。

雙饋感應發電機通過改變轉子勵磁電流的頻率來改變發電機轉子轉速，當電網側發生故障時，可以降低轉子勵磁電流頻率來使發電機保持在同步轉速。所以當發生故障時，電磁功率不會發生劇烈的振蕩。

2.6 切除風電機組

當發生嚴重的輸電系統故障時，有選擇性地切除一些風電機組能夠有效地解決問題。在地方切除風電機組，能夠減少在已達到輸電極限的線路上的傳輸功率。

目前，對于傳統電源，采用切機方案已是常見措施。因為風電機組一般在電網末端，所以快速切除并不會引發太大的危險。

3 連接SVC與STATCOM的母線電壓變化曲線仿真

建立3臺0.75MW和2臺0.6MW的風電機組，風電機組輸出的電壓大小是690V，變壓器將電壓變成了10kV，在經過升壓變壓器電壓變為了110kV，最后并入電網。風電場的接線圖如下所示：

在matlab上分別建立SVC控制器模型和STATCOM控制器模型，得出風電并網后10kV母線上的電壓、有功、無功的曲線：

對比圖明顯發現，安裝STATCOM比安裝SVC后母線電壓恢復得更快，即STATCOM的補償效果好于SVC。

4 結語

風能并網是一個解決能源問題的重要措施，風電并網遇到的最大的問題是電網電壓穩定性的問題。只有提供高質量、穩定的電能，人類才能更好地發展工業化。

參考文獻：

[1]王虹，蔣福佑.中國風電并網現狀、問題及管理策略研究[J].經濟研究參考，2013（51）.

[2]田芳.風電場并網對電網電壓的影響[J].河南科技，2013（02）：80.endprint