風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的影響

辛自立

【摘 要】風(fēng)電作為一種綠色低碳的可再生能源，最近幾年時(shí)間內(nèi)發(fā)展非常迅速。風(fēng)電場(chǎng)向電網(wǎng)中提供有功功率的同時(shí)，還從電力系統(tǒng)中吸收了相當(dāng)一部分的無功功率，因此大量的風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行造成了電力系統(tǒng)電壓質(zhì)量下降。本文簡(jiǎn)要介紹了風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀，分析了風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性影響的原因，并提出了一種抑制電壓波動(dòng)的方法。

【關(guān)鍵詞】電力系統(tǒng)；風(fēng)力發(fā)電；電壓穩(wěn)定；風(fēng)電并網(wǎng)

【Abstract】Wind power as a renewable energy source，this year has been rapid development.Wind farm active power delivered to the power system，but also a large number of reactive power absorbed from the system，which makes large-scale wind power grid run had a profound impact on the power system voltage stability.This article describes the status of wind power，analysis the reason power system voltage stability problems caused by wind power grid-connected，and gives a way that makes voltage fluctuations law.

【Key words】Power systems；Wind power；Voltage stability；Wind power grid

0 引言

環(huán)境惡化、資源短缺已經(jīng)成為人類生存和發(fā)展的挑戰(zhàn)，而發(fā)展包括風(fēng)能在內(nèi)的可再生能源則是應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)的重要策略[1]。目前，風(fēng)力發(fā)電在全球已經(jīng)得到了迅速的發(fā)展。風(fēng)能資源作為一種綠色低碳的可再生能源，對(duì)改善能源結(jié)構(gòu)、減少碳排放等方面具有很好的幫助作用，是以后清潔能源利用的一個(gè)方向。如圖1所示，截止到2015年，全球風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的總裝機(jī)容量達(dá)到432.9GW，年平均增速達(dá)到27.8%，風(fēng)能的利用已經(jīng)成為全球發(fā)展最快的清潔能源利用方式。

當(dāng)前，由于資源短缺及環(huán)境污染等多方面的原因，許多國(guó)家都很重視綠色低碳資源和可再生能源的研發(fā)和使用，在此大環(huán)境下，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)取得了快速的發(fā)展。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)數(shù)量的不斷增加，對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來的不利影響也逐漸顯現(xiàn)出來。

1 風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展

1.1 風(fēng)電在中國(guó)的發(fā)展

2015年中國(guó)大陸地區(qū)，有30.56GW容量的風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行。中國(guó)風(fēng)力發(fā)電市場(chǎng)在歷經(jīng)多年的快速增長(zhǎng)后正步入穩(wěn)健發(fā)展期。國(guó)家能源局在2020年能源需求預(yù)測(cè)的基準(zhǔn)計(jì)劃中提到，2020年風(fēng)電裝機(jī)目標(biāo)是2.1億千瓦，平均每年新增裝機(jī)預(yù)計(jì)在42GW，年均復(fù)合增速在10.9%。我國(guó)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量繼續(xù)保持世界風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量第一的地位。

1.2 風(fēng)電的發(fā)展趨勢(shì)

隨著風(fēng)力發(fā)電的規(guī)模越來越大，我們對(duì)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的要求也越來越高。未來風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是：繼續(xù)提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量，提供風(fēng)能的利用率；繼續(xù)增大風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的槳葉尺寸，使其具有更大的捕捉風(fēng)能的能力；繼續(xù)提升塔架高度，使其在50米高度捕捉的風(fēng)能要比30米高處多20%；將變漿距離調(diào)節(jié)方式迅速取代失速功率調(diào)節(jié)方式；繼續(xù)增大海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研發(fā)投入。[2]

2 風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)運(yùn)行

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)運(yùn)行，是將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)出的電送入電網(wǎng)，通過電網(wǎng)中的輸電線路把電能輸送到千家萬戶，這就解決了風(fēng)力發(fā)電的不連續(xù)、電壓和頻率不穩(wěn)定及電能的儲(chǔ)存等問題。

2.1 并網(wǎng)運(yùn)行的方式

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行分為恒速恒頻并網(wǎng)運(yùn)行和變速恒頻并網(wǎng)運(yùn)行兩種方式。其中恒速恒頻并網(wǎng)運(yùn)行方式目前已普遍采用，具有簡(jiǎn)單、可靠的優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)風(fēng)能的利用不充分[3]。目前大部分國(guó)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的屬于水平軸恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)，如圖2所示。這種類型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速的變化的影響小，可看做保持恒定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。

2.2 風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行的特點(diǎn)

我國(guó)風(fēng)能資源往往分布在偏遠(yuǎn)地區(qū)，因此距離電廠及用電負(fù)荷中心較遠(yuǎn)。風(fēng)力發(fā)電與傳統(tǒng)能源的發(fā)電具有以下特征：風(fēng)速不是穩(wěn)定不變的，因此風(fēng)電機(jī)組發(fā)出的電能也是隨風(fēng)速波動(dòng)，電能輸出也就會(huì)不穩(wěn)定；風(fēng)電機(jī)組中的發(fā)電機(jī)形式多樣，可以是異步發(fā)電機(jī)、同步發(fā)電機(jī)或是雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)，因此，無功功率特性復(fù)雜，產(chǎn)生電網(wǎng)電壓偏差；風(fēng)能為不連續(xù)能源，風(fēng)電場(chǎng)的有功功率和無功功率將隨風(fēng)速變化，風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率波動(dòng)范圍大。[4]

3 對(duì)電壓穩(wěn)定性的影響

目前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組多采用異步發(fā)電機(jī)，發(fā)出有功功率的同時(shí)也從電網(wǎng)中吸收無功功率，其無功功率需求不是恒定不變的，這就對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來了不利影響，同時(shí)也造成了電網(wǎng)的電壓的不穩(wěn)定。由于風(fēng)電場(chǎng)所處地區(qū)偏遠(yuǎn)，電網(wǎng)負(fù)荷較小，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)改變了系統(tǒng)中原來的潮流分布，隨著風(fēng)電在電網(wǎng)中的比例增加，對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響也隨之增大。[5]

3.1 電壓穩(wěn)定

電力系統(tǒng)的電壓水平是系統(tǒng)無功功率供需平衡情況的具體表現(xiàn)。無功功率的傳輸不但產(chǎn)生很大的有功損耗而且延傳輸途徑有很大的電壓降落。由于無功功率的供需分布關(guān)系各異，同一時(shí)刻中不同點(diǎn)的電壓高低各異，系統(tǒng)中各點(diǎn)的電壓調(diào)節(jié)主要是依靠無功功率的就地供需調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)。

《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》中將電壓穩(wěn)定定義為：電力系統(tǒng)受到一定程度的擾動(dòng)后，系統(tǒng)電壓能保持或恢復(fù)到容許的范圍內(nèi)，不發(fā)生電壓崩潰的能力。與此相反，如果擾動(dòng)后平衡狀態(tài)下負(fù)荷鄰近的節(jié)點(diǎn)電壓低于可接受的極限值，那么就稱系統(tǒng)電壓崩潰。

3.2 電壓偏差原因的分析

電力系統(tǒng)中的負(fù)荷以及發(fā)電機(jī)組的出力隨時(shí)發(fā)生變化，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)隨著運(yùn)行方式的改變而發(fā)生改變，系統(tǒng)故障等因素都將引起電力系統(tǒng)功率的不平衡。風(fēng)電并網(wǎng)引起系統(tǒng)無功功率不平衡是系統(tǒng)電壓偏差的根本原因。

在110kV及以上電壓等級(jí)的輸電線路中，X遠(yuǎn)大于R，所以無功功率Q對(duì)電壓損失的影響遠(yuǎn)大于有功功率P對(duì)電壓損失的影響[7]。

風(fēng)電場(chǎng)的異步電機(jī)運(yùn)行時(shí)需要充電網(wǎng)吸收感性無功來建立磁場(chǎng)，所需要感性無功功率對(duì)電網(wǎng)來說是一個(gè)相當(dāng)大的負(fù)擔(dān)，會(huì)引起較大的功率損耗和電壓損耗。[8]

4 抑制電壓波動(dòng)的方法

用于改善和提高電能質(zhì)量的大部分無功補(bǔ)償裝置都具有抑制電壓波動(dòng)和閃變的功能，如靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）、靜止無功補(bǔ)償器 （SVC）、統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）和有源電力濾波器等。本文主要分析了靜止無功補(bǔ)償器 （SVC）對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)之后電力系統(tǒng)電壓波動(dòng)的抑制方法。[9]

4.1 靜止無功補(bǔ)償器（SVC）

靜止無功補(bǔ)償器（SVC）將電力電子相關(guān)技術(shù)引入到傳統(tǒng)的靜止并聯(lián)無功補(bǔ)償裝置中，應(yīng)用電子模擬器件和電子快速計(jì)算器件DSP具有對(duì)電壓、電流、阻抗和相位快速邏輯運(yùn)算能力，可以快速跟蹤和快速調(diào)整控制角來控制晶閘管電流，最終控制SVC的綜合無功功率輸出。

VC的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)響應(yīng)時(shí)間非常迅速，可控制在10ms以內(nèi)，調(diào)節(jié)范圍廣，可在0-100%容量范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)精度高，調(diào)節(jié)步長(zhǎng)可控制在1%以內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)快速補(bǔ)償和連續(xù)平滑調(diào)節(jié)，提供動(dòng)態(tài)電壓支撐，改善系統(tǒng)的運(yùn)行性能。

理論上的SVC能夠使所補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)得電壓接近一個(gè)固定值，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組接入電網(wǎng)后的電壓質(zhì)量，增加電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。

4.2 SVC接入系統(tǒng)方式

在風(fēng)電場(chǎng)升壓站的低壓側(cè)母線上安裝SVC作為無功補(bǔ)償裝置，補(bǔ)償風(fēng)電機(jī)組的無功需求，從而風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)引起的電壓波動(dòng)降低。

將SVC裝置接入風(fēng)電場(chǎng)升壓站低壓側(cè)母線，如 圖4所示。其工作原理為：電壓互感器TV檢測(cè)到風(fēng)電場(chǎng)升壓站高壓側(cè)母線電壓，與參考電壓比較，若電壓偏差超過允許值，則得到控制系統(tǒng)的輸入信號(hào)，根據(jù)電壓偏差信號(hào)控制SVC調(diào)整無功補(bǔ)償量，從而改變風(fēng)電場(chǎng)升壓站低壓側(cè)電壓，進(jìn)一步改變風(fēng)電場(chǎng)升壓站高壓側(cè)電壓，使其與參考電壓之間的差值最小。

5 結(jié)語

隨著世界范圍內(nèi)的能源危機(jī)和環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)峻，利用風(fēng)能發(fā)電已經(jīng)成為當(dāng)前綠色低碳能源中技術(shù)最成熟，開發(fā)利用價(jià)值最大的發(fā)電方式。隨著利用風(fēng)能的不斷發(fā)展，單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量的提高，裝機(jī)容量較大的風(fēng)電場(chǎng)接入地區(qū)電網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的影響也逐漸擴(kuò)大，研究大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電網(wǎng)的影響，特別是對(duì)電壓穩(wěn)定性的影響是目前迫切需要解決的問題。在風(fēng)電場(chǎng)升壓站低壓側(cè)母線上安裝SVC作為無功補(bǔ)償裝置，補(bǔ)償風(fēng)電機(jī)組的無功需求，減小風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)引起的電壓波動(dòng)。

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[責(zé)任編輯：田吉捷]