風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)電壓的影響評估與對策研究

容旭巍

摘要：經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市化進(jìn)程的加快，人們對電能的需求也逐漸增加。隨著風(fēng)電技術(shù)日漸成熟，以及風(fēng)電與智能電網(wǎng)建設(shè)的協(xié)調(diào)發(fā)展，可以預(yù)見風(fēng)電將在配電網(wǎng)中，擔(dān)任越來越不可或缺的角色。但風(fēng)力電場等分布式電源對電力網(wǎng)絡(luò)的日益滲透的同時(shí)，給現(xiàn)代電力系統(tǒng)帶來了很多方面的影響。因此，對風(fēng)電并入配電網(wǎng)后產(chǎn)生的影響及其應(yīng)對策略進(jìn)行相關(guān)的研究是非常具有現(xiàn)實(shí)意義的。本文就風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)電壓的影響評估與對策展開探討。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電并網(wǎng);電網(wǎng)電壓;影響

引言

近年來，隨著技術(shù)進(jìn)步與理念變遷，風(fēng)力發(fā)電等新能源發(fā)電方式得到了世界多國的廣泛重視，其綠色環(huán)?？沙掷m(xù)的優(yōu)勢有助于解決世界范圍內(nèi)環(huán)境保護(hù)和能源短缺的問題。但由于風(fēng)力資源的不可控性，風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)而言是一把雙刃劍。為了減少風(fēng)電并網(wǎng)的負(fù)面影響、更好地發(fā)揮風(fēng)電對電網(wǎng)的貢獻(xiàn)，我國一般選擇從較高電壓等級電網(wǎng)進(jìn)行并網(wǎng)。隨著技術(shù)的更新，可以預(yù)見風(fēng)電并網(wǎng)容量將會(huì)越來越大。

1風(fēng)能發(fā)電的特點(diǎn)

與常規(guī)的發(fā)電形式相比較，風(fēng)能發(fā)電有其特有的特點(diǎn)：首先，風(fēng)能發(fā)電的穩(wěn)定性差。由于風(fēng)能本身不可控，而風(fēng)力發(fā)電過程中，風(fēng)速和風(fēng)向能夠決定風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電狀態(tài)和出力的大小，所以利用風(fēng)能進(jìn)行發(fā)電，不可避免的會(huì)導(dǎo)致發(fā)出的電能具有一定的隨機(jī)性和間歇性，且穩(wěn)定性差。其次，由于風(fēng)能是過程性能源，不能進(jìn)行存儲(chǔ)，所以在利用風(fēng)能進(jìn)行發(fā)電的過程中可能會(huì)出現(xiàn)間斷供電的現(xiàn)象。所以當(dāng)風(fēng)電機(jī)組單機(jī)運(yùn)行時(shí)，需要安裝相應(yīng)的儲(chǔ)能裝置才能保證供電的連續(xù)性。在風(fēng)力發(fā)展初期，風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量較小，并且風(fēng)電場的裝機(jī)規(guī)模較小，系統(tǒng)對風(fēng)電的消納能力能夠滿足風(fēng)電并網(wǎng)的需求，風(fēng)電的接入對電網(wǎng)的影響不明顯，但隨著風(fēng)電技術(shù)的進(jìn)步，風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量逐漸增加，風(fēng)電場的裝機(jī)規(guī)模也不斷擴(kuò)大，此時(shí)越來越多的風(fēng)電場選擇并網(wǎng)運(yùn)行，風(fēng)電并網(wǎng)對電力系統(tǒng)的影響也逐漸凸顯，當(dāng)風(fēng)電的規(guī)模繼續(xù)增大直到超出電網(wǎng)的消納能力時(shí)，為保證電網(wǎng)繼續(xù)保持穩(wěn)定運(yùn)行，還有可能會(huì)出現(xiàn)棄風(fēng)或切機(jī)的現(xiàn)象。由于受到風(fēng)能資源分布的限制，風(fēng)電場大都建在比較偏遠(yuǎn)的地區(qū)，這些地區(qū)的電網(wǎng)通常比較薄弱，難以承受風(fēng)電瞬間并網(wǎng)或脫網(wǎng)的沖擊，當(dāng)風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行且出力較高時(shí)，無法就地消納的有功需要被輸送至電網(wǎng)的其他地區(qū)，輸送過程中不可避免地會(huì)消耗更多的無功，當(dāng)系統(tǒng)提供的無功無法滿足風(fēng)電并網(wǎng)所需時(shí)，系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)（特別是風(fēng)電場附近節(jié)點(diǎn)）電壓可能會(huì)出現(xiàn)大幅下降，而風(fēng)電機(jī)組端電壓的降低又可能使風(fēng)電場啟動(dòng)保護(hù)裝置自動(dòng)脫網(wǎng)運(yùn)行，此時(shí)突然間電源的失去又可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)電壓出現(xiàn)閃變、大幅度波動(dòng)，諧波增加等現(xiàn)象，更嚴(yán)重時(shí)甚至可能會(huì)出現(xiàn)電壓崩潰。總之，隨著風(fēng)電場規(guī)模的不斷增加，風(fēng)力發(fā)電所占比重越來越高，風(fēng)電的并網(wǎng)運(yùn)行對電力系統(tǒng)的影響、特別是對電力系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)電壓和電壓穩(wěn)定性的影響逐漸凸顯，所以為了更為合理的利用風(fēng)能造福大眾，需要深入探討和研究風(fēng)電的接入對電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的影響。

2風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)電壓的影響

由于風(fēng)資源的分布極不均勻且我國風(fēng)資源豐富的地方多遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，故風(fēng)電場一般都建在電網(wǎng)末端，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較薄弱承受沖擊能力有限。而風(fēng)電輸出功率的波動(dòng)性和隨機(jī)性會(huì)對電網(wǎng)電壓造成電壓偏差、電壓波動(dòng)、閃變等負(fù)面影響。異步發(fā)風(fēng)力發(fā)電機(jī)自身沒有勵(lì)磁裝置，所以在發(fā)出有功的同時(shí)要向電網(wǎng)吸收一定量的無功來建立磁場。同時(shí)風(fēng)力機(jī)組機(jī)端無功補(bǔ)償常用分組投切電容器，啟向電網(wǎng)輸入的無功與輸入點(diǎn)電壓的平方成正比，當(dāng)系統(tǒng)電壓水平較低時(shí)，無功補(bǔ)償量迅速下降。而風(fēng)電機(jī)組的無功需求增加，這將進(jìn)一步惡化電網(wǎng)電壓水平，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致電壓崩潰。雙饋風(fēng)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)有功、無功的解禍控制通過采取適當(dāng)?shù)念~控制策略，能夠保證雙饋風(fēng)機(jī)工作在單位功率因數(shù)工作狀態(tài)，即風(fēng)電場出口處的無功功率為0。于其他類型風(fēng)機(jī)雙饋風(fēng)機(jī)電壓穩(wěn)定性較好。

3風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)電壓的影響評估與對策研究

3.1適用于風(fēng)電場并網(wǎng)的配電網(wǎng)的改進(jìn)算法

在針對不同風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn)建立新的節(jié)點(diǎn)模型并進(jìn)行適當(dāng)處理后，一般的潮流計(jì)算方法，在有風(fēng)電場接入的配電網(wǎng)中進(jìn)行應(yīng)用的話，一定要通過改變。在風(fēng)電場并網(wǎng)前的電網(wǎng)潮流計(jì)算流程的基礎(chǔ)上，提出適用于含風(fēng)電場的配電網(wǎng)的潮流算法，做了以下改進(jìn)：（1）在進(jìn)行潮流計(jì)算之前，先對接入電網(wǎng)的風(fēng)電場的節(jié)點(diǎn)類型進(jìn)行判斷，若為PQ節(jié)點(diǎn)則直接計(jì)算。若為PV節(jié)點(diǎn)，則先將PV節(jié)點(diǎn)處理為PQ節(jié)點(diǎn)，再進(jìn)行潮流計(jì)算。（2）潮流計(jì)算后，除了根據(jù)式對計(jì)算得出的各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓進(jìn)行收斂判斷，還需要通過式判斷計(jì)算后的PV節(jié)點(diǎn)的電壓與其初始值是否收斂。（3）若計(jì)算后的PV節(jié)點(diǎn)電壓值與其初始值收斂，則計(jì)算完成。若不收斂，則需要根據(jù)式修正其無功功率，并返回重新進(jìn)行潮流計(jì)算，直到收斂為止?；诟倪M(jìn)前推回代法的適用于風(fēng)電場并網(wǎng)的潮流算法，能夠方便對不同風(fēng)電機(jī)組組成的風(fēng)電場進(jìn)行處理。

3.2提升風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的措施

提高電壓穩(wěn)定性的措施可以分為3大類：（1）優(yōu)化風(fēng)電場周圍電網(wǎng)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)周邊電網(wǎng)的穩(wěn)定性確保在正常情況下具有足夠的無功儲(chǔ)備能夠在風(fēng)電場接入及故障期間提供足夠的無功支持。（2）減少地區(qū)接入的風(fēng)電場容量避免風(fēng)電場建設(shè)過于集中。電網(wǎng)發(fā)生故障后河考慮將部分風(fēng)電場切除電網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行。（3）在風(fēng)電場側(cè)采用就地?zé)o功補(bǔ)償措施，電網(wǎng)中的無功功率就地平衡無功環(huán)流減小不僅提高了電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性而且降低了電能損耗。

3.3特殊節(jié)點(diǎn)的處理

（1）聯(lián)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的處理。當(dāng)聯(lián)絡(luò)節(jié)點(diǎn)沒有無功補(bǔ)償時(shí)，可以被當(dāng)成注入有功和注入無功均為零的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)處理;當(dāng)聯(lián)絡(luò)節(jié)點(diǎn)有補(bǔ)償裝置且屬于電容器補(bǔ)償時(shí)，將其看作注入無功為正、注入有功為零的負(fù)荷節(jié)點(diǎn);端電壓保持不變的裝置時(shí)，當(dāng)聯(lián)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的補(bǔ)償裝置的為同步調(diào)相機(jī)等可以維持機(jī)在補(bǔ)償裝置的輸出功率未達(dá)到其輸出極限時(shí)，該聯(lián)絡(luò)節(jié)點(diǎn)視為發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)，在補(bǔ)償裝置的輸出無功達(dá)到其輸出極限后，絡(luò)節(jié)點(diǎn)視負(fù)荷節(jié)點(diǎn)?？梢詫⒃撀?lián)。（2）達(dá)到勵(lì)磁頂值或切機(jī)的發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)的處理。當(dāng)某發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)的發(fā)電機(jī)達(dá)到勵(lì)磁極限或因?yàn)槟撤N故障切機(jī)時(shí)，該節(jié)點(diǎn)將由發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)。其中：當(dāng)發(fā)電機(jī)達(dá)到勵(lì)磁頂值時(shí)，負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的注入有功為發(fā)電機(jī)額定功率內(nèi)的任意值，注入無功為發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)的極限輸出無功功率;當(dāng)發(fā)電機(jī)切機(jī)時(shí)，負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的注入有功和無功均為零。（3）風(fēng)電場節(jié)點(diǎn)的處理。風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，根據(jù)風(fēng)電場中各DFIG控制方式的不同，風(fēng)電場可以被看成不同的節(jié)點(diǎn)。當(dāng)DFIG運(yùn)行在恒功率因數(shù)控制模式時(shí)，風(fēng)電場節(jié)點(diǎn)可以被看成負(fù)荷節(jié)點(diǎn);當(dāng)DFIG運(yùn)行在恒電壓控制模式時(shí)，風(fēng)電場節(jié)點(diǎn)被當(dāng)作發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)接入系統(tǒng)，但當(dāng)風(fēng)電場的無功輸出能力不足以維持風(fēng)電場機(jī)端電壓保持恒定時(shí)，風(fēng)電場節(jié)點(diǎn)由發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)變成負(fù)荷節(jié)點(diǎn)。

結(jié)語

隨著風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，將對電網(wǎng)電壓運(yùn)行帶來很大的影響。為此必須采取相應(yīng)的措施以提高系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性，保證電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

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