風電接入對電壓穩定的影響分析

摘 要：21世紀，資源、能源緊張問題日益嚴重，綠色能源已經成為各國爭相發展的重要產業。我國國土面積廣大，風力資源豐富，非常適合發展風電產業。由于風力發電電壓受風速變化影響波動較大，使得風電并網受阻。文章分析了電壓穩定在傳統電網和含風電系統兩個領域的表現差異，討論了風電并網中電壓穩定性的影響因素，最后對風電系統中無功補償對于電壓穩定性的積極意義進行了闡述。

關鍵詞：風電；并網；電壓穩定

引言

隨著環保意識逐漸深入人心，清潔環保的綠色能源越來越受到人們的重視。作為綠色能源大家族中的重要一員，風力發電獲得了飛速發展，在國家經濟建設和能源供給方面發揮的作用日益凸顯。進入21世紀以來，風力發電產業不斷壯大，裝機容量越來越高。與此同時，風電并網時產生的問題也逐漸引起人們的關注。由于缺乏無功補償配合，在風速劇烈變化的時候，風電系統電壓會發生大幅波動，一旦風電并入國家電網，就會導致系統電壓不穩，給整個供電系統的穩定和安全造成嚴重影響。

1 電壓穩定問題在傳統電網和含風電系統兩個不同領域的差異

導致電壓不穩定的根本原因是電力系統中電力供應與使用規模不匹配。在電壓失穩這個問題上，含風電系統和傳統電力系統相一致，其最基本原因都是缺乏足夠的無功補償。在傳統電網領域，負荷側不穩是導致系統電壓不穩的主因，也就是說，電壓不穩的根源在于電網使用端負荷不穩。所以在研究電網電壓穩定性問題時，其主要注意力都集中在負荷方面，并為此建立了盡可能精確逼真的分析模型。風力發電受其工作機理影響，風電場都位于地勢開闊平坦，風力資源豐富的地區。在我國大多數風電場的所在地都是沿海地區或內陸邊遠地區。這些風電場產生的電力基本都僅用來為所在地區及周邊電氣供電服務，其所接入的電網都屬于地區性的配電網。電網結構相對簡單，各節點聯系不夠緊密，缺乏能夠實現迅速調節功能的電源，一旦發生異常問題，電網的正常運轉就會遭受到較大影響。此外，風力發電質量和規模與風力資源的情況直接相關。風速的劇烈變化和變化的隨機分布都使得風電系統電壓缺乏足夠的穩定性。在風電接入電網后，電壓失穩的問題也隨之對電網系統產生影響。電網電壓隨著風電功率發生大幅波動。為保障電網電壓穩定，必須對風電并網相關問題進深入研究。

2 風電并網對電壓穩定的影響

在這個問題上，我們使用單機無窮大系統對風電系統電壓穩定性問題進行討論分析。其中，用PQ或RX模型模擬以普通感應發電機為代表的恒速恒頻風電機組，以PQ或PV模型模擬以雙饋電機為代表的變速恒頻風電機組。風電場等相關參數自PQ處接入電網末端。具體圖示如下：

圖1 單機無窮大系統

圖1中母線位置功率存在如下平衡關系：

■=■sin？啄

■=■cos？啄-（■）■

最后推導出：

風速與風力是風力發電功率的一個關鍵因素。風電場有功功率歲風速增加而增長，因此，為保障電壓平衡，就必須提供足夠的無功功率予以補償。一般情況下，風電場通過在機端位置安裝無功補償設備確保電壓的穩定。在應用變速恒頻系統的風電場，通過制定實施科學的風電機組無功控制方案來控制系統無功功率。根據實際情況，采取不同的措施，達到產生無功功率或降低無功功率兩種目的。在進行方案設計時，要注意無功功率控制范圍的設定，如果設定值超過風電機組可能的無功功率上限，會使得轉子繞組過熱最終導致機組停機，同時還會使系統失去對無功功率的調整功能，無法提高或降低無功功率，從而使得端電壓發生升高或降低現象，情況嚴重時就會導致系統電壓穩定性失控。變速恒頻風電機組具有根據風速變化自動控制無功功率的功能，一旦風速發生改變，系統會自動調整無功功率增大或減小，從而使得風電場極端電壓處于可控范圍之內。

3 風電對并網系統電壓穩定的影響

如果風電場采用恒速系統，Q與機端電壓的平方成正比例關系，對于風電功率很大時，系統有功功率越大，則受到吸收的無功功率也越大，為保障系統電壓維持在一個較為理想的狀態，可以采取無功補償的辦法降低風電場吸收的無功功率規模及電能在線路上的傳輸，以達到穩定電壓的目的。在風電場處于注入功率較低的狀態下，由于風電場為電網提供了有功功率，改善了系統潮流分布，使得支線線路無功損耗減少，這時電網各節點電壓較高。隨著風電場功率增加，產生的有功功率提高，為保持系統穩定，必須為各支線及風電場提供足夠與有功功率相當的無功功率，由于地區電網無力承擔，需要主網提供無功功率，其結果就是電網電壓下降。如果系統負荷很大，在正常負荷情況下的系統弱穩定區域會隨著風電場的并入而呈現擴散趨勢。這是因為為了平衡有功功率，風電場需要系統提供大量無功功率，從而使得正常載荷下的系統電壓弱穩定區比并入常規發電機組時的系統電壓弱穩定區面積更大，由此導致系統承受載荷的能力進一步下降。

有時系統遭受意外事故導致電壓大范圍下降，由此導致集中運行的風電機組短時間內大規模出現解列等一系列嚴重問題，并對系統造成二次沖擊，情況嚴重時還有發生系統振蕩和電壓崩潰的可能。為此，如果電網系統中大規模的接入風電場，為抵消風電場對于電網防范事故能力的消弱，就必須想方設法進一步加大電網穩定性控制力度，以確保系統安全。

4 風電并網對電壓穩定的影響因素

經過長期研究和實踐總結，我們發現補償容量、線路參數X/R的比值、風電場的短路容量、風速、風電機組的類型、無功補償裝置及負荷等因素對于含風電場電力系統電壓穩定性有著重要影響。線路參數X/R是影響含風電系統電壓穩定性的重要因素，其比值最小為2，最大為10。如果風電場地處偏遠，遠離用電區域，傳輸線路路徑很長，其阻抗在整個系統中比例較大，經過傳輸線路后電壓會有極為明顯的下降。為保障負荷中心電壓，必須進行相應的電壓補償。此外，不同類型的風機在電壓穩定性控制方面也有不同表現。相對于恒速恒頻的發電機，變速恒頻的發電機組控制電壓穩定性的能力更強。此外，同步風電機組通過降低系統無功消耗來保障系統電壓穩定，從而在安全性和載荷能力兩個方面都比感應風電機組要好。

5 結束語

電能是一個國家發展經濟，維護社會穩定，保護國防安全，實現長治久安和可持續發展的戰略資源。當前，我國經濟正處于飛速發展階段，經濟體制改革工作不斷深入，電能需求不斷增加，發展風力發電勢在必行。與此同時，電網負載與日俱增，給電網安全穩定提出了更高的要求。深入開展風電接入電網對電壓穩定性影響研究工作，有助于我國風力發電事業的順暢發展，有助于緩解日益增長的用電需求，為我國經濟建設和人民生活順利進行提供了基本基礎。風電并網對系統電壓的影響，主要來源于無功功率的缺失，加大系統無功補償可以較好地解決系統電壓穩定性問題。

參考文獻

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