解析風電場并網運行的穩定性及優化

蘇慶（國網四川省電力公司廣元供電公司，四川廣元628000）

解析風電場并網運行的穩定性及優化

蘇慶（國網四川省電力公司廣元供電公司，四川廣元628000）

隨著我國經濟的快速增長，電能的需求量日益增加。出于環保的目的，發展新能源已經成為了重要的途徑。風力發電是電力新能源發展的重要部分，風電場發展已經占有電網重大的百分比。這就需要充分研究大規模的風電并網技術來確保電網的安全穩定運行。本文主要研究風電場并網運行的穩定性以及優化問題，希望能給相關人士有所幫助。

風電場；并網運行；穩定性

引言

隨著能源需求量的不斷增加以及人們環保意識的增強，全新發電方式受到了人們重點的關注。風力發電已經成為了環保、可再生能源中非常重要的發電方式之一。從世界范圍來看，經濟發達國家和地區在風力發電方面都投入了較大的力量，并在持續快速增加。我國具有較大的風力資源，也進行了大量的風電開發，但是由于風電場大多處在偏遠地區，接入電網的部位相對比較脆弱，所以就造成了電網支撐能力較差，嚴重影響了電能的質量。為了確保較大規模的風電接入到電網后能夠安全穩定的運行，風電場并網之后的穩定控制技術和電網的協調控制技術已經成為了風電場并網技術中最為關鍵的內容。所以，充分研究風電場并網運行的穩定性以及優化運行是非常有意義的。

1 風電場并網運行的穩定性分析

由于風速和風力是會隨機進行變化的，因此風電場的輸出也具有隨機的特點，這就造成了電網的有功和無功調度是非常困難的。在極端天氣等嚴重的情況下，為了確保風電機組相關設備的安全可能會出現切記等問題，這些都是對電網穩定性的重大傷害。

1.1 穩定性方面的影響

1.1.1 靜態穩定性的影響

所謂的靜態穩定系統就是指在系統受到一定程度干擾后還可以自行恢復到受到干擾之前狀態的系統。風電場并網運行時對于電網靜態穩定性的影響主要幾個方面，分別為：功角問題、風電場的屬于能否同步于電力系統。從目前情況來看，風電場采用的都是變速恒頻發電機組，因為此種機組能夠最大程度上利用風能，具有非常高的風力利用系數。這其中的雙饋異步風力發電機在發電的初始階段就會帶動同軸發電機進行轉動，在轉速較為接近的情況下變速器就對發電機的輸出電壓以及系統電壓進行采集，并進行比對求出偏差，通過變流器控制發電機的相位以及幅值等，確保其和電力系統的相同來實現靜態穩定的目的。

1.1.2 暫態穩定性的影響

若是電網系統中風電機組并網容量比重較大，那么就會改變原有線路的傳輸功率、系統慣量、潮流分布等等，所以在風電場并網時就會造成暫態穩定性的變化。在區域性電網相對比較弱的情況下，風電機組在電力系統故障清除之后還是不能恢復到原有狀態，這就造成區域性電網暫態穩定性較低。那么為了確保電網的暫態穩定性就要將風電場從電網中切除掉，這其中需要采用動態無功補償等裝置，這些裝置能夠確保在故障恢復之后以及暫態過程中電網電壓不會產生比較大的波動，確保暫態電壓的穩定性。

1.2 提升風電場并網運行穩定性的相關對策

1.2.1 有效改善電能質量

從現階段來看，可以通過補償裝置等進行電能質量的改善和提升，這些補償裝置主要包括：靜止無功補償器、有源濾波器、動態電壓恢復器等等，相對來說靜止無功補償器的技術比較成熟，。這些裝置能夠有效控制電網內無功負荷的劇烈波動，從而抑制電壓的波動以及閃變。除了采用補償裝置進行電能質量的改善之外，通過儲能裝置也能夠很好的提升電能質量。利用超導儲能系統以及超級電容儲能系統都能夠有效改善電網的電壓波動和閃變、電壓暫降等方面的問題。

1.2.2 有效優化低電壓穿越問題

主要可以通過兩種方式來優化電網低電壓穿越問題，分別為：增加硬件電路、優化控制方式等。利用增加硬件電路的方式能夠從根本上處理電網發生故障時出現的電壓以及電流過剩問題，例如在電網中增加儲能裝置后，電網再發生故障時就可通過儲能裝置將過剩電壓以及電流吸收掉，能夠對風電機組進行保護。而優化控制方式只是對電網故障中的過剩電壓和電流進行降低，并不能將其消耗掉，不能從根本上解決問題。

1.2.3 有效改善電網穩定性

可以通過分組快速投切電容器來改善電力系統的穩定性。由于分組快速投切電容器的價格相對較低，所以其得到了非常廣泛的應用。但問題是此種電容器不能連續性調節電壓，并且會受到投切次數等方面的限制，所以若是風速的變化較為頻繁、速度變換較快的情況下是不能采用此種設備的。而靜止無功補償裝置能夠實現快速的無功補償，主要包括動態電壓和改善系統的穩定性。在風電場設置靜止無功補償裝置，能夠進行電廠電壓和電網電壓的采集，通過求取偏差的方式進行無功補償，通過此種方式能夠穩定節點電壓并且降低電網電壓波動，從而改善電網的穩定性。另外，在風電場安設儲能裝置也能夠在一定程度上穩定電網，超導儲能裝置也能夠起到靜止無功補償裝置的作用，通過偏差進行無功調節能夠確保電網的穩定。但是超導儲能裝置屬于有源補償裝置，相比于靜止無功補償裝置來說，對于接入點電壓沒有那么大的依賴性，特別是在電網處在低電壓情況時會起到很好的作用。

2 風電場并網系統優化運行

2.1 最優潮流的研究內容

最優潮流主要是將電力系統經濟調度和潮流計算進行有機結合，通過潮流方程的方式實現經濟和安全、有功和無功的優化。最優潮流的問題就是指在符合潮流方程以及安全方面的基礎上，進行系統的優化，使其目標函數達到最優。最為常用的目標函數就是系統的發電費用最小、有功網損最小。因為最優潮流會涉及到整個系統的經濟性以及安全性，所以其可以應用在電力系統運行各個方面，包括：電力系統的安全運行、電力系統的可靠性分析、經濟調度、電網規劃等等。

2.2 風電場的最優潮流

（1）網損最小。網損最小為電力系統標志經濟性能最主要的指標，并且也是傳統最優潮流的目標函數。可以通過下式來表示線損的情況：

其中F1表示的是總的有功損耗；Gij表示的是分支導納的實部；Ui和Uj表示的是節點i和節點j的電壓值；θij表示的是節點i和節點j之間的相角差。

（2）降低環境方面的影響

相對于傳統發電方式來說，風力發電的過程更加的清潔環保，對于環境保護來說是非常有意義的。在進行風電場優化過程中，首先要滿足負荷方面的需求以及發電方面的限制，在此基礎上要最大程度來降低常規發電方式所造成的污染物排放，可以通過如下公式來表示：

其中ρEli表示的是第i種污染物所具有的權重因子；N0表示的是污染物的總數；GEBli表示的是第i種污染物所具有的排放量。

2.3 對于電壓穩定性的改善

在電力系統運行過程中最為重要的問題之一就是確保電壓的穩定性。電壓的穩定問題屬于動態方面的問題，但是可以利用靜態的方式來進行穩定運行點與電壓崩潰點間電壓差值的估算，這樣就能夠估算出系統穩定運行的電壓范圍。通過靜態方法能夠利用對穩定指數的計算進行評估系統當前運行的狀態。可通過相應的計算使得穩定參數達到最小，這樣就能夠提升電壓的穩定性。其指數方程可以表達為：

式中LVSI表示的是穩定指標，此指標能夠反映出傳輸線的運行情況，并且能夠表示出穩定運行點和電壓崩潰極限點之間的距離。如果是LVSI＞1表示的是此系統值不夠穩定，若是網絡負荷超過了此約束條件就會出現電壓崩潰的情況。通過綜合考慮網損、污染物排放以及電壓穩定系數方面的內容后，最優潮流目標函數就形成了多目標的優化調度。

2.4 約束方面的問題

為了確保在風電場并網之后整個電力系統都能夠安全穩定的運行，整個電力系統一定要受到相應的約束，就是指將風力發電控制在總發電容量的相應比例范圍內。只有符合此方面的約束條件才能確保在風力發電機組并網之后不會對電力線路電壓的波形造成較大的影響。風電的接入比例要符合如下公式：

式中PWTGi表示的是單個風力發電機組所具有的容量；PLD表示的是整個系統所具有的負荷；δ表示的是風電的穿透系數。所以，對于那些具有大型風力發電廠的多目標最優潮流方程來說，需要考慮到各個方面的等式條件以及不等式條件。

3 結束語

風力發電是區別于傳統電力發電的全新發電形式，由于其具有環保、可再生等優勢得到了全世界廣泛的認可。但是由于風電場大多處在偏遠地區，接入電網的部位相對比較脆弱，所以就造成了電網支撐能力較差，嚴重影響了電能的質量。所以通過對風電場并網穩定性以及優化內容研究，能夠穩定電力系統的運行，實現更大的經濟效益，從而進一步促進我國風電的建設。

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TM614

A

2095-2066（2016）30-0058-02

2016-10-11

蘇慶（1970-），男，工程師，碩士，主要從事電力工程規劃建設及施工管理工作。