對風力發電接入電網中的電壓無功控制問題研究

李凱

【摘 要】風力發電具有節約能源、清潔和高效等優點，因此受到了較多人的關注，其發展也十分的迅速，當前我國許多地區都開始嘗試通過風力發電滿足人們的用電需求。然而大規模的風電接入也會對電力系統的運行產生影響，容易造成電壓不穩或者是無功控制的問題。因此，對風力發電接入電網中的電壓無功控制問題進行研究就極有必要了。文章將從風力發電接入電網中電壓無功控制穩定性影響因素進行分析，探討做好相關工作的方法和策略。

【關鍵詞】風力發電；電壓無功控制；問題研究

近些年來，隨著科技的不斷發展和進步，我國對再生資源的重視程度不斷加大，政府投入了大筆的資金用于對再生資源的研究，風能作為重要的再生能源，其具有環保節能的優點，發展規模和速度不斷的加快。而隨著大規模風力發電站的建設，電壓的穩定性問題也受到了越來越多人的關注。電網末端通常是風電機組接入的地方，其被稱為受端電力系統。一定量的風電接入之后，地區內部負荷可能會被消除，其有助優化局部電網結構，降低電網損失的目的，有利于改善當地的電壓水平。但是在風電場無功需求增大時，輸電線路的無功損耗也將會增大，這樣可能就會使得電網因為無功不足造成電壓降低，電壓的穩定性變差。

一、風力發電接入電網中電壓無功控制出現問題的原因

一般來說，風電機組對于電壓的變化是非常靈敏的，基本上所有的風機都安裝有低電壓保護器，當風電機組的端電壓低于正常要求時，風機將會自動停止運行。因此，當系統受到外界干擾時，風電機組將處于低電壓保護狀態，系統的電壓穩定性變差，最終可能會使得系統電壓崩潰，影響風力發電的正常運行，而其導致無功控制出現問題主要是由以下幾方面因素造成的。

1、負荷特性

在電力系統中，負荷類型繁多，其特性也各不相同。通常電力系統在運行靜態仿真時，負荷可以分為恒電流負荷、恒阻抗負荷和恒功率負荷等不同狀態。而這幾種狀態中，對電壓穩定性影響最為明顯的負荷就是恒功率負荷，其次則為恒電流負荷，恒阻抗負荷影響最小。在對電壓穩定性和無功控制問題進行研究時，人們發現負荷的特性對于相關問題的分析顯得十分的重要，如果以上幾種分類無法滿足需求時，在風力發電接入電網時，就需要對負荷特性進行建模，以控制電壓的穩定性，做好電壓無功控制問題。

2、風電場并網點的強弱程度

大規模風電接入電力系統時，并網點的強度與并網風電場的容量是成正比關系的，并網點電氣強度會隨著并網風電場容量的增大而逐漸增大。通常情況下，短路容量百分比可以用來表示并網點接入風電的程度，即風電場裝機容量占并網點短路容量的比例，如果電網結構不同，那么其無功控制要求也存在有一定的差異，短路容量和百分比的控制也會不同，一般情況下，短路百分比可能會比較高。

3、風電機組的特性

當前，隨著科技的發展和進步，風電機組的類型越來越繁多，根據劃分標準差異，可以將其分為定漿距和變槳距風機、恒速風機和變速風機、異步風機和同步風機等。理想的風機在運行時一般很少出現問題，因此，維修也比較少。在風機運行時根據風速大小、速度變化等，可以進行有功功率和無功功率控制。風機的一個重要特性時具有較強的低電壓穿越能力，大規模的風電接入以后，這種穿越能力將對電網穩定和無功控制帶來極大的影響。

二、風電接入電網中的電壓無功控制對電力系統的影響

當前并入電網大部分都是大規模分布式發電狀況，當注入電網的功率比接入電網的整體負荷功率小時，由于線路上的電阻而損失的功率就會減小，這樣電壓就會升高，總的來說風力發電接入電網對系統的穩態電壓分布狀態具有一定的改善作用。由于風力發電機的類型差異、接入電網位置不同、風電場的容量不同因此其對于電壓分布狀態的改善作用也存在有一定的影響，如果在操作過程中操作不當可能就會對無功控制效果產生影響。據相關學者研究發現，負荷特性極限功率隨著風電場的有功出力增大而增大，靜態電壓穩定性也因此而變強，但是負荷特性的極限功率也會隨著風電場的無功需求減少而減小，這樣電力系統的整體穩定性也會因此受到影響。此外，風電機組低電壓穿越能力問題也與電壓無功控制存在有一定的關聯，其也會影響風力發電的正常運行。

三、風力發電接入電網中的電壓無功控制策略

在風力發電接入電網中的電壓無功控制問題分析過程中發現，大規模風電接入對電力系統的電壓穩定性的影響比較大，風電接入電網必然會對電壓穩定性產生一定的影響，其運行的安全性也難以得到有效的保證。因此，在接入電網之后必須要做好無功控制策略，其具體措施如下：

1、集中優化控制

這種方式主要是根據全網的狀態進行優化計算，進而得出全網的電壓無功的最優解，通過調度中心進行安全性分析并按照最優解實施電壓無功集中控制。在這個過程中比較常用的算法有線性規劃、遺傳算法、人工神經網絡等。線性規劃的特點就在于其速度快，但其不容易收斂。遺傳算法的收斂性比較好，但是速度相對比較慢，目前無法用于實時優化計算。人工神經網絡是當前最為先進的算法，但是，該方法仍處于探索階段。從理論上來講，通過電網調度中心實施整個系統的電壓無功集中優化控制是最為合理的一種方法。

2、就地分散控制

這種控制方式基本上是以變電站為單位實施的本地分散控制調節，調節電壓和無功功率就地平衡。這種控制方式的優點就在于其使用原理比較簡單，實施操作可靠。其有效的避免了無功功率經過長途輸送流經各級輸變電設備所造成的功率損耗和電壓降落，但是由于其僅僅只能得到本站的數據，所以其特點是僅能夠實現局部最優，無法實現全局最優，因此其控制范圍有限。

3、關聯分散控制

所謂的關聯分散控制方式是以發電站為中心，結合事先規定的母線電壓允許數值和該發電站與系統交換無功功率的允許范圍，由安裝于該站的高壓無功綜合控制裝置根據該站的實時運行情況，對有載調壓變壓器的分接頭位置和并聯電容器進行優化自動調節，在有需要時也可由調度直接下達命令進行調節。這種調節方式穩定性、安全性和經濟性都比較好，具有較高的應用價值。

4、做好環境監測工作

針對風力發電接入電網中的電壓無功控制問題，除了以上兩種措施以外，還需要做好環境監測工作，風力發電雖然優勢眾多，但是其也是最容易被外界因素干擾的一種發電方式，而且不同地區由于環境、地形等因素的影響，風力發電接入電網的影響也存在有較大的差異。因此，筆者認為在進行電壓無功控制時，還需要做好環境監測工作，在風力發電接入電網時一旦發現外部環境出現異常時，要立即停止相關工作，采取有效的防范措施進行防范，降低無功功率對電壓穩定性帶來的影響。

總之，大規模風電接入電網必然會對電壓的無功控制帶來影響，進而可能會影響電壓的穩定性。因此，對風電發電接入電網中的電壓進行無功控制就極為有必要了，做好這方面的工作，能夠更好的滿足人們的用電需求，發揮風力發電的作用和價值，能夠有效的節約能源和資源，其對于我國電力事業的發展和進步也有一定的促進作用。

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