風(fēng)電場(chǎng)接入對(duì)電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的影響研究

申秘蔓

桂林信息科技學(xué)院，廣西 桂林 541004

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，能源與環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)峻。積極開(kāi)發(fā)利用可再生能源，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，意義重大。我國(guó)風(fēng)能資源豐富，且清潔、無(wú)污染，加之我國(guó)風(fēng)能開(kāi)發(fā)技術(shù)較為成熟，因此，大規(guī)模發(fā)展風(fēng)力發(fā)電具有現(xiàn)實(shí)意義。然而，由于風(fēng)力發(fā)電具有較強(qiáng)的隨機(jī)性和波動(dòng)性，當(dāng)其大規(guī)模接入電網(wǎng)時(shí)，會(huì)對(duì)電壓穩(wěn)定性產(chǎn)生明顯的影響，因此，相關(guān)單位及人員需采取有效的改善措施，保證風(fēng)電合理并網(wǎng)，促進(jìn)風(fēng)電場(chǎng)的平穩(wěn)運(yùn)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(jìn)步的當(dāng)下，輸入電壓不斷提高，暫態(tài)電壓穩(wěn)定性問(wèn)題逐漸暴露出來(lái)。而當(dāng)電網(wǎng)儲(chǔ)備能量不足、風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模較大時(shí)，則會(huì)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(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)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(yùn)行，目前主要是采用低電壓穿透能力較強(qiáng)的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備解決電壓失穩(wěn)問(wèn)題。

2 風(fēng)電場(chǎng)接入對(duì)電力電網(wǎng)的影響

2.1 對(duì)電網(wǎng)頻率的影響

風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)對(duì)電力電網(wǎng)頻率會(huì)產(chǎn)生較大的影響，這是因?yàn)橄啾扔诔Ｒ?guī)電源，風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率存在一定的間歇性，大型風(fēng)電場(chǎng)在接入電力系統(tǒng)時(shí)，經(jīng)常處于重新分配的過(guò)程，對(duì)電力系統(tǒng)以及電壓的頻率會(huì)造成很大干擾。比如，在一個(gè)地區(qū)內(nèi)的電力系統(tǒng)中，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電容量超過(guò)總體裝機(jī)容量的相應(yīng)比例時(shí)，則會(huì)因電網(wǎng)頻率不穩(wěn)而出現(xiàn)電壓失穩(wěn)問(wèn)題，不利于電網(wǎng)的整體運(yùn)行，很容易出現(xiàn)各種故障，降低供電質(zhì)量。同時(shí)，也會(huì)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電計(jì)劃、調(diào)度等造成負(fù)面影響，實(shí)際上風(fēng)電接入的本質(zhì)是一種電源，如對(duì)其缺少可靠性的保護(hù)措施，在運(yùn)行過(guò)程中則難以實(shí)現(xiàn)調(diào)整，導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力無(wú)法跟蹤風(fēng)電功率的波動(dòng)和頻度。在很大程度上會(huì)降低電網(wǎng)系統(tǒng)的電能質(zhì)量[1]。

2.2 對(duì)低電壓穿越能力的影響

當(dāng)含風(fēng)電場(chǎng)的電力系統(tǒng)運(yùn)行中發(fā)生故障，會(huì)大幅降低電壓，影響電網(wǎng)運(yùn)行的總體穩(wěn)定性。所以系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定受風(fēng)電場(chǎng)切除影響，就會(huì)形成低電壓穿越能力。這種風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力，可以使風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)仍然能夠持續(xù)運(yùn)行。同時(shí)，如果電網(wǎng)中風(fēng)電占有比例相對(duì)較小，在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，風(fēng)電機(jī)組則會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟自我保護(hù)功能，盡可能降低故障損害程度。而當(dāng)電網(wǎng)中的風(fēng)電占有較大比例的情況下，受故障發(fā)生影響，風(fēng)機(jī)往往處于比較被動(dòng)的保護(hù)，難以恢復(fù)整個(gè)系統(tǒng)，如果處理不當(dāng)，則會(huì)嚴(yán)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(wèn)題。

2.3 對(duì)穩(wěn)態(tài)電壓分布的影響

從總體層面上來(lái)說(shuō)，風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電接入電網(wǎng)時(shí)，會(huì)對(duì)整個(gè)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?yàn)轱L(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的發(fā)電機(jī)類(lèi)型具有差異性，而且接入電網(wǎng)的位置有所不同。加之，風(fēng)電場(chǎng)容量存在區(qū)別，對(duì)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(huì)出現(xiàn)電網(wǎng)電壓失穩(wěn)的情況。通常情況下，隨著風(fēng)電場(chǎng)的有功功率增加，會(huì)加大負(fù)荷特性極限功率，促使靜態(tài)電壓穩(wěn)定性得到增強(qiáng)[2-3]。只有當(dāng)系統(tǒng)具有足夠的無(wú)功功率時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)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(huì)發(fā)生電網(wǎng)電壓失穩(wěn)的情況。

3 風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)的潮流計(jì)算方法

風(fēng)力發(fā)電的過(guò)程中，通過(guò)葉輪將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，在主軸傳動(dòng)作用下，需經(jīng)過(guò)齒輪箱促使異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子達(dá)到適當(dāng)轉(zhuǎn)速，以此實(shí)現(xiàn)發(fā)電，再經(jīng)過(guò)勵(lì)磁變流器將定子電能注入電網(wǎng)。因此，為有效保障風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應(yīng)當(dāng)合理分析風(fēng)電場(chǎng)的潮流問(wèn)題?？茖W(xué)應(yīng)用潮流計(jì)算方法，有助于確定風(fēng)機(jī)并網(wǎng)的潮流計(jì)算模型，進(jìn)而分析其對(duì)電力系統(tǒng)的影響。對(duì)雙饋風(fēng)機(jī)進(jìn)行潮流建模，有效處理雙饋風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)電場(chǎng)作為恒定功率因素的P、Q節(jié)點(diǎn)，功率因數(shù)值設(shè)為0。雙饋異步風(fēng)機(jī)恒功率因數(shù)控制時(shí)的系統(tǒng)潮流計(jì)算方法：

先設(shè)定風(fēng)速v的初始值，查風(fēng)機(jī)風(fēng)速功率曲線，得到每臺(tái)風(fēng)機(jī)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(jī)械功率PM的關(guān)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(tái)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率si。

風(fēng)機(jī)的無(wú)功功率Qe可近似等于定子繞組的無(wú)功功率Qs，由公式可求得每臺(tái)風(fēng)機(jī)的無(wú)功功率Qei。

設(shè)定風(fēng)機(jī)共n臺(tái)，機(jī)端電壓Us等于母線電壓Uf，從而求得風(fēng)機(jī)的總有功功率Pf、總無(wú)功功率Qf：

再設(shè)定風(fēng)電場(chǎng)的節(jié)點(diǎn)電壓Uf的初始值；將風(fēng)電場(chǎng)看作PQ節(jié)點(diǎn)，由節(jié)點(diǎn)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(xiàng)，并求得雅可比矩陣元素[4]；然后對(duì)修正方程進(jìn)行求解，求得節(jié)點(diǎn)電壓Uf的幅值修正量及相角修正量，再對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓Uf進(jìn)行修正。

最后對(duì)系統(tǒng)潮流是否收斂進(jìn)行校驗(yàn)。通過(guò)計(jì)算分析不同等值模型對(duì)系統(tǒng)潮流的影響，能夠提出異步風(fēng)機(jī)的簡(jiǎn)化處理模型和流程，進(jìn)而為風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性提供有效的處理措施。

4 保證風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的措施

4.1 計(jì)算配置無(wú)功補(bǔ)償容量

針對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)所出現(xiàn)的電壓失穩(wěn)問(wèn)題，應(yīng)當(dāng)采取有效的改善措施，進(jìn)一步提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性、風(fēng)電消納能力等。因此，相關(guān)管理單位應(yīng)當(dāng)在風(fēng)電場(chǎng)的規(guī)劃統(tǒng)籌階段合理安排電網(wǎng)建設(shè)，保證其與風(fēng)電規(guī)劃具有良好的協(xié)調(diào)性。同時(shí)，相關(guān)人員應(yīng)當(dāng)在風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)之前進(jìn)行專(zhuān)題研究，準(zhǔn)確計(jì)算無(wú)功補(bǔ)償容量，并實(shí)現(xiàn)優(yōu)化配置。比如，在并網(wǎng)建設(shè)中，為改善電力系統(tǒng)性能，可采用靜止無(wú)功補(bǔ)償器。將無(wú)功補(bǔ)償裝置設(shè)置在風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)的主變低壓側(cè)處，再經(jīng)過(guò)并網(wǎng)點(diǎn)的變電站母線，采取全補(bǔ)償或者半補(bǔ)償?shù)却胧?。靜止無(wú)功補(bǔ)償器具有在風(fēng)電系統(tǒng)出現(xiàn)較大擾動(dòng)的情況下仍能夠輸出感性無(wú)功功率的特點(diǎn)，進(jìn)而能使風(fēng)電機(jī)組在發(fā)生故障后，能迅速重新建立穩(wěn)定的機(jī)端電壓。此外，在對(duì)風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償容量計(jì)算配置時(shí)，還可利用超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置對(duì)風(fēng)力發(fā)電的電壓和頻率實(shí)施同步控制。該裝置能夠比較靈活的調(diào)整有功功率、無(wú)功功率。

4.2 提高風(fēng)電場(chǎng)電壓穿越能力

在風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)時(shí)，如果電網(wǎng)系統(tǒng)受到外部擾動(dòng)而發(fā)生故障，則會(huì)直接導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)電壓下降和功率缺額的情況。此時(shí)如果風(fēng)電場(chǎng)未設(shè)置相應(yīng)的有效控制裝置，將會(huì)促使風(fēng)電場(chǎng)處于暫態(tài)穩(wěn)定控制狀態(tài)，造成比較嚴(yán)重的損失。該情況會(huì)使風(fēng)電場(chǎng)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(fēng)電場(chǎng)電壓穿越能力，才能保證風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)能持續(xù)穩(wěn)定向電網(wǎng)注入足夠的無(wú)功功率，補(bǔ)充系統(tǒng)的功率缺額，使電網(wǎng)電壓保持平穩(wěn)[4]。

4.3 強(qiáng)化電網(wǎng)二級(jí)電壓控制

大規(guī)模風(fēng)電接入地區(qū)電網(wǎng)時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的功率出力變化相應(yīng)較大，電網(wǎng)電壓也會(huì)隨之實(shí)時(shí)發(fā)生較大的變化而出現(xiàn)不穩(wěn)定，系統(tǒng)的無(wú)功功率缺額會(huì)進(jìn)一步增大且分布不合理。因此需要注重強(qiáng)化電網(wǎng)二級(jí)電壓控制，即是在風(fēng)電接入地區(qū)電網(wǎng)時(shí)，設(shè)置專(zhuān)門(mén)的二級(jí)電壓控制設(shè)備，保證該地區(qū)電網(wǎng)的無(wú)功功率可得到合理有效的分配和補(bǔ)充，達(dá)到使電網(wǎng)在風(fēng)電機(jī)組功率出力變化時(shí)仍能保持電壓穩(wěn)定狀態(tài)的目的[5]。同時(shí)結(jié)合利用風(fēng)電場(chǎng)自身具備的無(wú)功電壓調(diào)節(jié)能力這一優(yōu)勢(shì)，在對(duì)地區(qū)電網(wǎng)二級(jí)電壓控制過(guò)程中，完善電網(wǎng)無(wú)功電壓分層控制協(xié)調(diào)機(jī)制，以確保不斷提高電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在新時(shí)代能源政策背景下，我國(guó)風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)繁榮發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也得到較大的發(fā)展。在風(fēng)電場(chǎng)大規(guī)模并網(wǎng)后，會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的影響，其中對(duì)電網(wǎng)電壓穩(wěn)定的影響尤為明顯。綜合考慮風(fēng)力發(fā)電所具有的隨機(jī)性和間歇性，在實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)建設(shè)時(shí)，應(yīng)當(dāng)采取有效措施，降低對(duì)電壓平穩(wěn)的不利干擾，即通過(guò)潮流計(jì)算以及合理配置無(wú)功補(bǔ)償容量、提高風(fēng)電場(chǎng)電壓穿越能力、強(qiáng)化電網(wǎng)二級(jí)電壓控制等。