風(fēng)電并網(wǎng)對系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的影響研究

1、    風(fēng)電并網(wǎng)對系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的影響研究    周宇權(quán)+張志明（東北石油大學(xué) 大慶市 163318）摘要：風(fēng)力發(fā)電是一種成熟的可再生能源發(fā)電方式，在國家政策以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求下，風(fēng)力發(fā)電發(fā)展迅速。而不同地點(diǎn)、不同時(shí)刻的風(fēng)速都是不同的，這使得風(fēng)力發(fā)電間歇性明顯。所以，當(dāng)風(fēng)電接入電網(wǎng)時(shí)，要經(jīng)過嚴(yán)格的可行性評估，針對風(fēng)電場并網(wǎng)所帶來的響，采取優(yōu)化的運(yùn)行措施、策略，以確保電網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，同時(shí)能夠最大程度地接受風(fēng)電容量。文章闡述了風(fēng)電并網(wǎng)對穩(wěn)態(tài)電壓穩(wěn)定性以及暫態(tài)態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響，分析其不利影響，并給出了相應(yīng)的優(yōu)化措施。關(guān)鍵詞：風(fēng)電并網(wǎng)；系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性前言風(fēng)力

2、發(fā)電機(jī)組采用的是異步發(fā)電機(jī)技術(shù)，其靜態(tài)特性和暫態(tài)特性具有自身特性。風(fēng)電場接入電網(wǎng)將會對地區(qū)電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性造成不利影響，對電壓幅值最具有代表性。文章從風(fēng)電場出力、風(fēng)電場功率因數(shù)、風(fēng)電場接入位置，就風(fēng)電并網(wǎng)會對電壓造成的影響進(jìn)行研1.風(fēng)電并網(wǎng)造成的影響1.1風(fēng)電場出力的影響電網(wǎng)的負(fù)荷、電網(wǎng)運(yùn)行方式、電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)以及發(fā)電機(jī)組的出力每個(gè)時(shí)刻都在變化，這會導(dǎo)致功率不平衡，進(jìn)而造成電壓偏離標(biāo)稱值。當(dāng)風(fēng)電場并入電網(wǎng)，風(fēng)電功率會造成電壓幅值偏移；另同時(shí)，風(fēng)電的隨機(jī)性也會導(dǎo)致風(fēng)電功率變化，電網(wǎng)電壓會產(chǎn)生波動。1.2風(fēng)電場功率因數(shù)的影響傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在建立旋轉(zhuǎn)磁場時(shí)需要吸收大量無功功率，但無功功率和有功功率沒有

3、解耦，功率因數(shù)會出現(xiàn)較大變化。吸收無功將導(dǎo)致電網(wǎng)的功率因數(shù)會降低，若不能采取無功補(bǔ)償?shù)拇胧?，會造成電壓異常波動?.3風(fēng)電場接入位置的影響當(dāng)風(fēng)電并入電網(wǎng)后，主網(wǎng)的功率輸出會減小。但風(fēng)能具有隨機(jī)性和不可調(diào)度性，風(fēng)電的輸出隨著時(shí)間變化而變化。而風(fēng)電的隨機(jī)性會對電網(wǎng)供電可靠性以及效率造成影響。一方面，風(fēng)電接入電力系統(tǒng)能提高電網(wǎng)的電壓分布，降低電網(wǎng)損耗；另一方面，風(fēng)電可能會改變電網(wǎng)的潮流的方向，降低或者加大系統(tǒng)損耗；最大的影響是，風(fēng)電的隨機(jī)性會對主網(wǎng)的正常運(yùn)行造成影響，隨著風(fēng)電容量的增加，影響會更加大。風(fēng)電場的并入位置，也對靜態(tài)電壓穩(wěn)定性產(chǎn)生重大影響。2.影響系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的主要因素我國風(fēng)力資源分布極不

4、均勻，風(fēng)資源豐富的地區(qū)往往人口稀少，風(fēng)電基地大都遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，處于供電網(wǎng)絡(luò)的末端，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)十分薄弱，承受沖擊的能力很差。隨著風(fēng)電裝機(jī)容量的增加，在電網(wǎng)中所占的比例增大，使得風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來重大的影響，其中最為突出的問題就是使系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性降低，甚至導(dǎo)致電壓崩潰。2.1風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力風(fēng)機(jī)的低電壓穿越能力是風(fēng)機(jī)的一項(xiàng)重要特性，直接關(guān)系到風(fēng)電接入系統(tǒng)后的電網(wǎng)穩(wěn)定性。在風(fēng)電發(fā)展初期，由于風(fēng)電在電網(wǎng)中所占的比例很小，一般不要求風(fēng)電場參與系統(tǒng)控制。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，由于風(fēng)電場本身的電壓穩(wěn)定性無法保證，通常都采用切除風(fēng)電機(jī)組的措施來保證風(fēng)電場及電網(wǎng)穩(wěn)定。隨著風(fēng)電穿透功率的提高

5、，電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，風(fēng)電機(jī)組電壓越限保護(hù)或轉(zhuǎn)速越限保護(hù)動作會使風(fēng)電機(jī)組脫離電網(wǎng)，這樣會加速系統(tǒng)的電壓失穩(wěn)，甚至?xí)l(fā)電壓崩潰。鑒于風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)帶來的嚴(yán)重后果，歐洲國家根據(jù)各自的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架和風(fēng)電場情況對風(fēng)機(jī)組的低電壓穿越能力提出了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。其中影響最大的是德國的e.on 標(biāo)準(zhǔn)：故障后電壓恢復(fù)期間，必須保證風(fēng)電場能連續(xù)運(yùn)行而不脫離電網(wǎng)，還要求風(fēng)電機(jī)組動態(tài)發(fā)出無功功率以支持電網(wǎng)電壓，加速系統(tǒng)電壓恢復(fù)，防止風(fēng)電機(jī)組由于電壓過低導(dǎo)致的跳閘。風(fēng)電機(jī)組這種故障期間保持不間斷并網(wǎng)運(yùn)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(wǎng)的強(qiáng)弱可以用風(fēng)電場與電力

6、系統(tǒng)連接點(diǎn)（point of common coupling，ppc）的短路容量來表示。短路容量大表明該節(jié)點(diǎn)與系統(tǒng)電源點(diǎn)的電氣距離小，聯(lián)系緊密，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)強(qiáng)，由擾動引發(fā)的電壓變化量小，有利于擾動后的電壓恢復(fù)。國內(nèi)外學(xué)者和工程技術(shù)人員通常用風(fēng)電場短路容量比來衡量并網(wǎng)點(diǎn)接納風(fēng)電的適宜程度，它是指風(fēng)電場額定容量與該風(fēng)電場和電力系統(tǒng)連接點(diǎn)的短路容量之比，如式（5）所示。windsc（%） 100%k ss. . （5）式中， wind s 為風(fēng)電場額定容量； sc s 為風(fēng)電場接入點(diǎn)的短路容量。風(fēng)電場接入點(diǎn)的短路容量反映了該節(jié)點(diǎn)的電壓對風(fēng)電注入功率變化的敏感程度。風(fēng)電場短路容量比小，表明系統(tǒng)承受風(fēng)電擾動

7、的能力強(qiáng)。通常采用風(fēng)電場短路容量比來重點(diǎn)考察風(fēng)電功率的注入對局部電網(wǎng)的電壓質(zhì)量和電壓穩(wěn)定性的影響。對于短路容量比k 的取值，歐洲國家給出的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為4%5%7。而在我國受風(fēng)力資源分布的影響，適合建風(fēng)電場的地區(qū)，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)比較薄弱，風(fēng)電場接入點(diǎn)的短路容量較小，如要滿足短路容量比為4%5%的要求，則風(fēng)電場的規(guī)模要受到很大的限制。在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一定時(shí)，如果風(fēng)電接入容量增大，使得風(fēng)電場短路容量比k 增加，系統(tǒng)承受風(fēng)電擾動的能力減弱，將會嚴(yán)重影響系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。2.3系統(tǒng)風(fēng)電穿透功率風(fēng)電穿透功率是指風(fēng)電場裝機(jī)容量占系統(tǒng)總負(fù)荷的比例。由于風(fēng)的隨機(jī)性，所以風(fēng)電場對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響大多是負(fù)面的。當(dāng)系統(tǒng)中風(fēng)電穿透功率

8、較小時(shí)，系統(tǒng)本身的調(diào)節(jié)作用可以減小這些負(fù)面影響；當(dāng)系統(tǒng)中風(fēng)電穿透功率增大時(shí)，并入電網(wǎng)的風(fēng)電容量隨之增大，同時(shí)意味著常規(guī)發(fā)電機(jī)組的容量減少，而帶普通感應(yīng)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對電壓沒有控制能力，這樣系統(tǒng)對電壓的控制作用就會降低，進(jìn)而會消弱系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。因此，若能計(jì)算出電網(wǎng)中風(fēng)電功率穿透極限，則會對風(fēng)電的規(guī)劃起到重要的指導(dǎo)意義。2.4無功補(bǔ)償裝置異步發(fā)電機(jī)組在向電網(wǎng)輸出有功功率的同時(shí)，還需要從電網(wǎng)吸收滯后的無功功率，并隨著發(fā)電機(jī)輸出有功功率的變化而變化。因此每臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)端都配有補(bǔ)償電容器。在通常情況下，風(fēng)電機(jī)組出于自身保護(hù)的需要，在遭受大擾動后風(fēng)電場將與系統(tǒng)解列，大型風(fēng)電場退出運(yùn)行會導(dǎo)致系統(tǒng)

9、更大的功率缺額，將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，在系統(tǒng)故障期間，更需要吸收大量的無功功率以完成電壓的恢復(fù)。目前常用的無功補(bǔ)償裝置仍屬于離散控制，調(diào)節(jié)速度緩慢，在補(bǔ)償量的各個(gè)階段中有功功率的變化引起的無功需要仍然需要由電網(wǎng)提供，而且電容器組發(fā)出的無功功率與機(jī)端電壓的平方成正比，當(dāng)電網(wǎng)水平降低時(shí)，無功補(bǔ)償容量迅速下降，導(dǎo)致風(fēng)電場對電網(wǎng)的無功需求上升，進(jìn)一步惡化電壓水平，易造成電壓崩潰。3.結(jié)束語綜上所述，可以總結(jié)其措施主要包括以下幾點(diǎn)。第一，進(jìn)行全網(wǎng)含風(fēng)電場的無功補(bǔ)償或無功優(yōu)化，降低網(wǎng)損；第二，提高風(fēng)電場的運(yùn)行功率因數(shù)；第三，在風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)適當(dāng)采用電抗器補(bǔ)償；第四，增強(qiáng)網(wǎng)架降低風(fēng)電場的影響；第五，使用動態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備。通過以上幾點(diǎn)方式，可以使得風(fēng)電并網(wǎng)對電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性影響最小。參考文獻(xiàn)：1遲永寧，王偉勝，戴惠珠.改善基于雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)風(fēng)電場暫態(tài)電壓穩(wěn)定性研究j.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27（25）：25-31.2吳俊玲，周雙喜，孫建鋒，等.并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電的最大注入功率分析j.電網(wǎng)技術(shù)，2004，28（20）：28-32.3申洪， 梁軍， 戴慧珠.基于電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析的風(fēng)