風電場接入對電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的影響研究

申秘蔓

桂林信息科技學院，廣西 桂林 541004

0 引言

隨著社會的發(fā)展，能源與環(huán)境問題日益嚴峻。積極開發(fā)利用可再生能源，調(diào)整能源結構，意義重大。我國風能資源豐富，且清潔、無污染，加之我國風能開發(fā)技術較為成熟，因此，大規(guī)模發(fā)展風力發(fā)電具有現(xiàn)實意義。然而，由于風力發(fā)電具有較強的隨機性和波動性，當其大規(guī)模接入電網(wǎng)時，會對電壓穩(wěn)定性產(chǎn)生明顯的影響，因此，相關單位及人員需采取有效的改善措施，保證風電合理并網(wǎng)，促進風電場的平穩(wěn)運行。

1 電壓穩(wěn)定性概述

電壓穩(wěn)定性是指母線電壓在各種情況下能夠承受的穩(wěn)定值能力。在科技不斷進步的當下，輸入電壓不斷提高，暫態(tài)電壓穩(wěn)定性問題逐漸暴露出來。而當電網(wǎng)儲備能量不足、風電場規(guī)模較大時，則會出現(xiàn)比較顯著的電壓不穩(wěn)定狀況。其直接后果是電網(wǎng)發(fā)生故障，出現(xiàn)電壓失穩(wěn)狀況，嚴重時會導致電壓崩潰等狀況，致使大面積停電。為保證電網(wǎng)的正常運行，目前主要是采用低電壓穿透能力較強的無功補償設備解決電壓失穩(wěn)問題。

2 風電場接入對電力電網(wǎng)的影響

2.1 對電網(wǎng)頻率的影響

風電場接入電網(wǎng)對電力電網(wǎng)頻率會產(chǎn)生較大的影響，這是因為相比于常規(guī)電源，風電場的輸出功率存在一定的間歇性，大型風電場在接入電力系統(tǒng)時，經(jīng)常處于重新分配的過程，對電力系統(tǒng)以及電壓的頻率會造成很大干擾。比如，在一個地區(qū)內(nèi)的電力系統(tǒng)中，當風電場的發(fā)電容量超過總體裝機容量的相應比例時，則會因電網(wǎng)頻率不穩(wěn)而出現(xiàn)電壓失穩(wěn)問題，不利于電網(wǎng)的整體運行，很容易出現(xiàn)各種故障，降低供電質(zhì)量。同時，也會對風電場的發(fā)電計劃、調(diào)度等造成負面影響，實際上風電接入的本質(zhì)是一種電源，如對其缺少可靠性的保護措施，在運行過程中則難以實現(xiàn)調(diào)整，導致系統(tǒng)動態(tài)響應能力無法跟蹤風電功率的波動和頻度。在很大程度上會降低電網(wǎng)系統(tǒng)的電能質(zhì)量[1]。

2.2 對低電壓穿越能力的影響

當含風電場的電力系統(tǒng)運行中發(fā)生故障，會大幅降低電壓，影響電網(wǎng)運行的總體穩(wěn)定性。所以系統(tǒng)運行穩(wěn)定受風電場切除影響，就會形成低電壓穿越能力。這種風電機組的低電壓穿越能力，可以使風電機組在電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生故障時仍然能夠持續(xù)運行。同時，如果電網(wǎng)中風電占有比例相對較小，在電網(wǎng)發(fā)生故障時，風電機組則會自動開啟自我保護功能，盡可能降低故障損害程度。而當電網(wǎng)中的風電占有較大比例的情況下，受故障發(fā)生影響，風機往往處于比較被動的保護，難以恢復整個系統(tǒng)，如果處理不當，則會嚴重威脅電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性，甚至可能出現(xiàn)大面積停電等問題。

2.3 對穩(wěn)態(tài)電壓分布的影響

從總體層面上來說，風電場發(fā)電接入電網(wǎng)時，會對整個系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)電壓分布狀態(tài)起到良好的改善作用。但因為風電場內(nèi)的發(fā)電機類型具有差異性，而且接入電網(wǎng)的位置有所不同。加之，風電場容量存在區(qū)別，對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)電壓的改善作用也具有較大的差別，一旦出現(xiàn)違反使用規(guī)定，則會出現(xiàn)電網(wǎng)電壓失穩(wěn)的情況。通常情況下，隨著風電場的有功功率增加，會加大負荷特性極限功率，促使靜態(tài)電壓穩(wěn)定性得到增強[2-3]。只有當系統(tǒng)具有足夠的無功功率時，風電場并網(wǎng)才能有效提升系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性，否則同樣會發(fā)生電網(wǎng)電壓失穩(wěn)的情況。

3 風電場接入電力系統(tǒng)的潮流計算方法

風力發(fā)電的過程中，通過葉輪將風能轉(zhuǎn)化為機械能，在主軸傳動作用下，需經(jīng)過齒輪箱促使異步發(fā)電機轉(zhuǎn)子達到適當轉(zhuǎn)速，以此實現(xiàn)發(fā)電，再經(jīng)過勵磁變流器將定子電能注入電網(wǎng)。因此，為有效保障風電場接入電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應當合理分析風電場的潮流問題。科學應用潮流計算方法，有助于確定風機并網(wǎng)的潮流計算模型，進而分析其對電力系統(tǒng)的影響。對雙饋風機進行潮流建模，有效處理雙饋風電機組的風電場作為恒定功率因素的P、Q節(jié)點，功率因數(shù)值設為0。雙饋異步風機恒功率因數(shù)控制時的系統(tǒng)潮流計算方法：

先設定風速v的初始值，查風機風速功率曲線，得到每臺風機的有功功率Pei。再由轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制規(guī)律（轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ω與機械功率PM的關系，如下式），可求得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ω。

若同步轉(zhuǎn)速為ω1，則轉(zhuǎn)差率s=(ω1－ω)/ω1。由轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ω求得每臺風機的轉(zhuǎn)差率si。

風機的無功功率Qe可近似等于定子繞組的無功功率Qs，由公式可求得每臺風機的無功功率Qei。

設定風機共n臺，機端電壓Us等于母線電壓Uf，從而求得風機的總有功功率Pf、總無功功率Qf：

再設定風電場的節(jié)點電壓Uf的初始值；將風電場看作PQ節(jié)點，由節(jié)點電壓Uf的幅值初始值和相角初始值，求得修正方程的常數(shù)項，并求得雅可比矩陣元素[4]；然后對修正方程進行求解，求得節(jié)點電壓Uf的幅值修正量及相角修正量，再對節(jié)點電壓Uf進行修正。

最后對系統(tǒng)潮流是否收斂進行校驗。通過計算分析不同等值模型對系統(tǒng)潮流的影響，能夠提出異步風機的簡化處理模型和流程，進而為風電場接入電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性提供有效的處理措施。

4 保證風電場接入電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的措施

4.1 計算配置無功補償容量

針對風電并網(wǎng)所出現(xiàn)的電壓失穩(wěn)問題，應當采取有效的改善措施，進一步提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性、風電消納能力等。因此，相關管理單位應當在風電場的規(guī)劃統(tǒng)籌階段合理安排電網(wǎng)建設，保證其與風電規(guī)劃具有良好的協(xié)調(diào)性。同時，相關人員應當在風電場并網(wǎng)之前進行專題研究，準確計算無功補償容量，并實現(xiàn)優(yōu)化配置。比如，在并網(wǎng)建設中，為改善電力系統(tǒng)性能，可采用靜止無功補償器。將無功補償裝置設置在風電場并網(wǎng)點的主變低壓側(cè)處，再經(jīng)過并網(wǎng)點的變電站母線，采取全補償或者半補償?shù)却胧ｌo止無功補償器具有在風電系統(tǒng)出現(xiàn)較大擾動的情況下仍能夠輸出感性無功功率的特點，進而能使風電機組在發(fā)生故障后，能迅速重新建立穩(wěn)定的機端電壓。此外，在對風電場接入電網(wǎng)的無功補償容量計算配置時，還可利用超導儲能裝置對風力發(fā)電的電壓和頻率實施同步控制。該裝置能夠比較靈活的調(diào)整有功功率、無功功率。

4.2 提高風電場電壓穿越能力

在風電場接入電網(wǎng)時，如果電網(wǎng)系統(tǒng)受到外部擾動而發(fā)生故障，則會直接導致系統(tǒng)出現(xiàn)電壓下降和功率缺額的情況。此時如果風電場未設置相應的有效控制裝置，將會促使風電場處于暫態(tài)穩(wěn)定控制狀態(tài)，造成比較嚴重的損失。該情況會使風電場在暫態(tài)狀態(tài)下受到新的電網(wǎng)沖擊，出現(xiàn)電壓失穩(wěn)的現(xiàn)象。因此，盡可能提高風電場電壓穿越能力，才能保證風電場并網(wǎng)運行時能持續(xù)穩(wěn)定向電網(wǎng)注入足夠的無功功率，補充系統(tǒng)的功率缺額，使電網(wǎng)電壓保持平穩(wěn)[4]。

4.3 強化電網(wǎng)二級電壓控制

大規(guī)模風電接入地區(qū)電網(wǎng)時，風電機組的功率出力變化相應較大，電網(wǎng)電壓也會隨之實時發(fā)生較大的變化而出現(xiàn)不穩(wěn)定，系統(tǒng)的無功功率缺額會進一步增大且分布不合理。因此需要注重強化電網(wǎng)二級電壓控制，即是在風電接入地區(qū)電網(wǎng)時，設置專門的二級電壓控制設備，保證該地區(qū)電網(wǎng)的無功功率可得到合理有效的分配和補充，達到使電網(wǎng)在風電機組功率出力變化時仍能保持電壓穩(wěn)定狀態(tài)的目的[5]。同時結合利用風電場自身具備的無功電壓調(diào)節(jié)能力這一優(yōu)勢，在對地區(qū)電網(wǎng)二級電壓控制過程中，完善電網(wǎng)無功電壓分層控制協(xié)調(diào)機制，以確保不斷提高電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。

5 結束語

綜上所述，在新時代能源政策背景下，我國風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)繁榮發(fā)展，風力發(fā)電技術也得到較大的發(fā)展。在風電場大規(guī)模并網(wǎng)后，會對電力系統(tǒng)會產(chǎn)生相應的影響，其中對電網(wǎng)電壓穩(wěn)定的影響尤為明顯。綜合考慮風力發(fā)電所具有的隨機性和間歇性，在實現(xiàn)并網(wǎng)建設時，應當采取有效措施，降低對電壓平穩(wěn)的不利干擾，即通過潮流計算以及合理配置無功補償容量、提高風電場電壓穿越能力、強化電網(wǎng)二級電壓控制等。