并網風電場對電力系統電壓穩定性影響的研究

劉航航

（華北水利水電大學 河南省鄭州市 450000）

近些年來，科技發展的速度日益加快，讓風力機技術獲得了定期更新，相應的機組結構獲得優化，提升了相關性能。經過幾十年的發展，使得空氣動力學、航天技術等均被運用到風力發電機組的研制工作當中，提高了對計算機技術與復合材料的利用率，讓風力發電發揮出來的作用不斷變大。面對此種情況，風力發電朝著逐漸產業化的方向發展。加快對風力發電的研究，有助于增強對自然環境的保護效果，降低了能源的消耗量。實際上，風力發電機的功率十分不穩，在風電場并網的過程當中，帶給電力系統電壓穩定與安全性方面很大的不良影響。為此，系統掌握風電場并網帶給電力系統穩定性的影響情況，有利于明確科學的管控對策，確保電網運行的穩定性。

1 并網風力發電系統的構成與特征概述

一般而言，獨立運作的相關風電系統、并網運行的風電系統，構成的部分均涵蓋了下述不同的功能模塊：風輪、齒輪箱、發電機、管控系統。在這當中，可以利用風輪獲取風能，使風力有效轉化成機械能。而齒輪箱在運用的時候，可以加快風力機的轉動速度，讓其滿足相關發電機的轉速要求，提升整個工作運行的效率。依靠發電機能夠將風的機械能轉化成電能。對于管控系統來說，則旨在使得風能的利用率獲得提升，并且確保了該系統運行的穩定性和安全性。因為風力發電屬于一次性能源，風能具有顯著的間歇性特征[1]。在此過程當中，發電機處在頻繁的啟停狀態當中，所以，對于發電機的類別來說，可以選擇異步發電機。受到上述不同方面因素的影響，讓風力發電系統和普通的發電系統之間存在著很大的差別特征，具體如下：

（1）輸入風能的改變存在著顯著的隨機性特征，假如缺少相應的處理對策，會使得風力發電機所輸出的功率受到風速改變的影響，進而產生了很大的變化，不利于確保發電系統的電能質量達到相關要求，降低了電網中電壓的穩定性。

（2）在異步發電機相應的風力發電機組進行運作的過程當中，能夠輸出有功功率，并且會吸取無功功率，對于無功功率來說，其和電壓之間的聯系是非常緊密的。

（3）異步發電機不具備相應的電壓管控能力，使得電壓發生變化，易于超過相應的區間。

上述不同方面的特征讓針對風電系統的電壓穩定性影響情況分析變得尤為關鍵[2]。

2 風力發電機組的管控模式分析

通常情況下，風力機組的管控涵蓋了功率與速度的管控方面內容。其中，功率主要運用到風輪當中，借助對葉片槳距角的科學管控，能夠得到最大的風能，規避出現轉軸和發電機過載的情況，達到了對機械保護的效果。速度則被運用到發電機當中，借助對轉矩、轉子電流的管控方式，達到減小輸出功率變化的目的，避免機械出現振蕩的現象。對于風力機組的管控模式來說，受到機組類別不一樣的影響，存在著很大的差別。不過主要的規定均應該保證良好的風況、天氣與電網條件，提高了運行的安全性，同時也降低了年發電量與發電的經濟成本[3]。由此可見，風力機組的管控宗旨涵蓋了下述幾個方面的內容：

（1）處于既定的運行風速區間當中，確保風力發電機組運行的穩定性；

（2）處于額定的風速環境當中，需要盡量獲得更多的風能，使得風能的利用率得以提升；

（3）處于高風速的環境當中，應該對機組的功率輸出加以有效限制，維持在相應的額定值區間當中，謹防出現風機轉軸、發電機和電力電子設備過載的現象：

（4）實現對相關風力機組機械的有效保護。

一些負荷在運行的過程當中，可以采用下述兩類管控模式：恒定葉尖速比方式、最大功率追蹤方式。在這當中，前者的管控理念為在風力機組處于最佳的葉尖速比情況下，所輸出的功率是最大的。進行實際管控的過程當中，需要把風力機的風能轉換效率系數和葉尖速比間的特性有效儲存到相應的管控系統之內，并且借助相關測定設備，能夠得到現階段環境當中的風速、轉速，然后對比依靠計算獲取的葉尖速比參考數值，把所形成的誤差輸入到管控系統當中，有利于縮小偏差[4]。實際上，此類管控方式在風速、轉速的測定準確度方面擁有很高的要求，由此能夠看出其存在的弊端。而后者的管控方式則主要借助對轉軸轉速的控制方法，能夠獲得最大的風能。依靠此種模式，在風速測定的精準度、葉片的動態性方面敏感度不夠，可以被運用到很多大型的風力發電機組當中。

在有關風電機組處于額定風速、全負荷的運行狀態之下，應該對風輪、轉軸、發電機的容量加以科學限制，基于減小葉片的負載、機組所受沖擊影響的目的，可以借助對該系統的管控方式，使風力機組的輸出功率得到一定的限制。通常情況之下，處于全負荷運行狀態下的管控模式包含了三類，依次為定槳距管控、變槳距管控、主動失速管控。

3 并網風電場帶給電壓穩定性影響的仿真說明

我國某某區域電網運用了恒速恒頻異步發電機裝置，共計數量為12臺，各臺發電機功率是1.5MW，相應的額定電壓為0.69kV，上述發電機終端均能夠滿足電容器補償機組無功方面的規定，使電容器裝置容量處于某個范圍當中RT+jXT，其中，Vs、VIG依次代表的為電網終端等效電壓源、風電場的場端兩類電壓。鼠籠風機的參數見表1。

表1：鼠籠風機相關參數表

從對電力系統電壓穩定性影響方面的因素來說，主要涵蓋了下述幾個不同的方面，現加以展開分析與說明。

3.1 風機端電壓受風速改變形成的影響分析

由于風速處于持續的動態變化當中，其中涵蓋了隨機的波動、機組有功、無功的變化等現象。假如風電場所接入的為弱電網，這種電壓波動的情況會導致電壓出現閃變的情況。在相關風速模型在噪音風的情形之下，有功功率將根據風速的波動方向出現一定的變化，機端電壓與其呈現出一定的差異性，受到變化的影響，使其與風速變化的方向是相反的[5]。

3.2 風機端電壓受短路容量改變形成的影響分析

從電網的角度來說，短路的容量、功率即為該點三相短路電流與額定電壓的乘積。如果短路電流I以kA進行表示，相電電壓U以kV進行表示，能夠運用以下公式對短路的容量進行準確計算：此處的短路容量比K，針對的為：在并入風電場裝機容量明確的基礎上，通常需要科學利用耦合點的電路容量，并把風機裝機容量Pw與連接點短路容量Sc二者的比值當成短路容量比；具體實施的時候，短路容量比K將成為判斷接入風電場裝機容量的主要參考指標，一般來說，應該小于某個數值[6]。

假如短路的容量比產生了變化之后，由5%提高至30%，面對此種狀況，機端電壓值隨之產生了振蕩的情況，同時隨之不斷下降，當接近30%的時候，完全失去了穩定性。由此說明，短路容量比與風電場的電壓變化呈現出密切的聯系。為了確保機端電壓的質量達到相關規定，應該使風電場的裝機容量處于耦合點短路容量的特定百分值范圍當中，對于我國來說，短路容量比一般應該被管控在9%的范圍當中。由此可見，經過上文的論述與分析之后，從中不難看出，強化風機端電壓受短路容量改變形成的影響分析可謂十分關鍵，具有很大的實施價值。

3.3 風機端電壓受傳輸線阻抗比改變形成的影響分析

可以運用下述相關公式進行傳輸線路上電壓降?U近似值的準確計算：

對于以上的計算公式來說，不同的參數所代表的意思依次為：

P代表的是風電場輸出的有功；Q代表的是風電場輸出的無功；P>0，Q<0；R代表的是傳輸線路的電阻；X代表的是傳輸線路的電抗；VIG代表的是風電機組的機端電壓。

依靠有關電力系統對風電場傳遞相應的無功功率Q，并且在電抗X方向之上形成電壓降落縱分量；由風電場供應電網相應的有功功率，同時在電阻R上形成分量，造成端電壓得以提升。當風電場的接入點如果處于電網的末端時候，這個時候此配電網傳輸線的阻抗比X/R的數值將處于某個范圍當中，一般為3～11，結合最后的仿真結果，從中不難看出，受到X/R數值變大的作用影響，此時的風電場電壓出現不斷下降的情況，相應的電壓值則無法確保一定的穩定性。

假設風電場的功率輸出與禍合點二者之間的短路容量比選用12%，當受到阻抗比X/R提高的影響之后，此時的電壓會難以確保穩定性。在此過程當中，不難看出，應該合理選取傳輸線路具體的阻抗比X/R參數，受此影響，有助于保證風電場的穩定性與安全性。

3.4 電壓受轉子反饋控制改變形成的影響分析

受到機端電壓跌落的影響，此時轉子的運轉速度開始加快，直至產生飛車的情況，所以，可以從中獲悉，通過對轉子的轉速加以科學管控，可以進一步增強風電場的動態電壓性能。如果產生了三相短路的故障問題，在這個時候，無論是機端電壓，還是功率，均受到時間的變化隨之形成很大的改變。在此過程當中，電壓會處于一瞬間產生跌落的現象，然會回至0.8pu，有功功率則出現震蕩的情況，無法保證穩定性。面對轉速反饋控制的狀況時，電壓和有功功率可以處于很短的時間當中，產生的震蕩現象將得以恢復正常，擁有良好的穩定性。一般情況下，借助此種管控措施，目的在于讓風力機組的輸出變得更加穩定，當機組的轉速逐漸加快以后，此系統依然處于短路的時候能夠獲得良好的穩定性。

4 結束語

綜上所述，鑒于風能的隨機性、間歇性特征十分顯著，與風電場運用異步發電機的部分特性，受到風電裝機容量日益增大的影響，使其在配電網中的作用逐漸變大，應該確保風電并網運行的安全性與穩定性。面對此過程當中經常出現的風電系統電能質量降低、電壓失穩等問題，有必要積極開展針對并網風電場帶給電壓穩定性影響情況的探究工作。為此，筆者經過查閱大量相關研究文獻之后，基于三相短路故障之下，對兩種機組的風電系統仿真情況加以分析和說明，把相應的控制器裝置應用到常規的異步機組風電場當中，能夠確保電壓的穩定性，并且把相關轉子短路保護裝置應用到雙饋異步機組風電場當中，可以讓電壓的穩定性得以提高，從而真正發揮出其應有的功效和作用。