并網風電機組對電網穩定性的影響

顏世濤

摘要：隨著風力發電技術的快速發展，大型風電場并網比例越來越高。風電并網對電力系統的影響范圍逐漸擴大，對電力系統穩定運行帶來的影響越來越值得關注。風電自身的特殊性不同于常規能源發電系統，并網型風力發電系統對電網的穩定性影響也與常規電力系統有所不同。因此，從風電機組自身特點出發，分析了風電并網對電網系統電壓和頻率的影響。

關鍵詞：并網風電;風力發電;電網穩定性

目前，電網運行通常采用自動發電控制（AGC）進行管理。經驗表明，在風電穿透率高的電網中，若仍采用以往的管理方式，將影響電網的安全與經濟運行。在電網正常運行中，系統的轉動慣量越大，頻率調節特性越好。當電網頻率大幅度下降時，系統慣量對頻率穩定起決定作用，慣量越低系統頻率下降變快。在嚴重頻率事故中，系統慣量的下降不利于維持系統頻率的穩定。

1 風力發電運行的特點

隨著大型風電場接入電網實際運行，并入電網的風電容量急劇增加，大型風電場已然成為電力系統電源的重要組成部分。風力發電與常規能源發電有所不同，現代大型風電場發電具有以下幾方面特點：（1）無污染，可再生，投產快，運行管理自動化程度高;（2）大型風電場多建于風能充足的“三北”地區，遠離沿海負荷中心，具有大規模、集中化及遠距離的特點;（3）風電出力無規律且大小變化快，具有很強的隨機性與間歇性，波動幅度大，波動頻率無規律，部分時段與電網負荷呈現明顯的反調節特性;（4）異步風力發電機組的大量使用，會導致實際運行過程中風電機組發出的有功功率大量吸收電網的無功功率，造成機端電壓波動大;（5）風電功率的調節能力較差，若不采用棄風運行方式，只能進行有限的功率調節，而由于機組的運行特性和風能的不確定性，風力發電不具備常規火電機組的功率調節能力。

2風電并網對電網穩定性的影響因素及應對措施

2.1頻率穩定性

2.1.1產生原因

追求風能的最大化利用，風電機組通常在最大功率點運行，不提供有功備用，無法在系統頻率下降時提供類似傳統機組的調頻等輔助服務。如果缺失的這部分慣性響應和頻率調節能力得不到補充，將使系統整體慣性和頻率調節能力減弱，使系統在擾動（機組脫網、線路故障、負荷突變）下的頻率變化率增加、頻率最低點降低、穩態頻率偏差增加，發生頻率穩定性問題更頻繁。

2.1.2應對措施

變速型風機具有較大的控制靈活性，通過調整控制目標和控制策略，可以使機組主動響應系統頻率的變化，使其具備類似于傳統機組的慣性響應和頻率調節能力。目前，風力發電機組主要通過轉子慣性、超速和變槳方式進行有功功率控制，以參與系統頻率的調節。（1）轉子慣性控制。轉子慣性控制是風電機組運行過程中，通過改變機組轉子側變流器的電流給定，控制轉子速度發生臨時性變化情況下短時釋放/吸收風電機組旋轉質體所存儲的部分動能，以快速響應系統頻率的暫態變化，提供類似于傳統機組的轉動慣量。轉子慣性控制適用于全風速工況，可提供慣性響應，對系統動態穩定性貢獻大，響應速度快;但持續時間較短，轉子轉速恢復造成頻率二次降低，低頻低風速和高頻高速時，難以提供有效慣性。（2）轉子超速控制。轉子超速控制是控制轉子超速運行，使風機運行于非最大功率捕獲狀態的次優點，保留一部分的有功功率備用，用于一次頻率調節。轉子超速控制適用于中低風速工況，響應速度快，對系統動態穩定性貢獻大，提供一次調頻備用;但在高風速時，難以提供系統要求的備用容量，風速波動性影響提供備用容量的可信度，采用減載發電模式在一定程度上降低了風電場效益。（3）變槳距控制。變槳距控制是通過控制風機的槳距角，改變槳葉的迎風角度與輸入的機械能量，使其處于最大功率點之下的某一運行點，從而留出一定的備用容量。風況一定的情況下，槳距角越大，機組留有的有功備用也就越大。變槳控制主要用于高風速工況，提供一次調頻備用，調節能力強，調節功率范圍廣;但受機械特性限制，響應速度較慢，對系統動態穩定性貢獻較小，槳葉機械損耗增加，降低機組運行壽命，風速的隨機波動影響備用容量的可信度。基于以上分析，很多研究提出將風電機組上述調頻手段進行組合應用，以形成優勢互補，提高風電調頻能力和運行的經濟效益。風電機組的組合控制有效利用了自身調頻手段的優點，但也不可避免受制于風速變化和機組運行狀態的影響，在全風況下參與系統一次調頻和慣性響應的容量可信度難以得到有效保證。

2.2電網無功欠缺

2.2.1產生原因

并網風電場主要由風電機組、變壓器、輸電線路、升壓站主變等感性設備組成，這些設備在正常運行時，需要從電網吸收一部分無功功率。若不對其進行控制，將導致電網無功欠缺，增加輸電線路損耗，降低傳輸容量。當風電場內部或電網出現擾動時，易引起系統電壓失穩，給電網的穩定運行帶來威脅。

2.2.2應對措施

風電場的無功補償分為靜態和動態兩種。由于靜態無功補償裝置無法實現動態無功補償，通常與動態補償裝置配合使用。動態無功補償裝置主要有同步調相機、晶閘管控制電抗器（TCR）、晶閘管投切電容器（TSC）、靜止無功補償器（SVC）、靜止同步補償器（STATCOM）等。風電場在進行電能質量治理時，經常選取的無功補償裝置有靜止無功補償器（SVC）和靜止同步補償器（STATCOM）。（1）靜止無功補償器（SVC）。通過加裝SVC進行電能質量治理的主要原理是當風電場電壓下降時，SVC發出無功功率，使節點電壓上升;反之，當節點電壓升高時，SVC吸收無功功率，使節點電壓下降。風電場并網點通過加裝SVC可以動態調節風電場無功功率，平滑電壓波動并改善諧波，對風電場的電能質量進行治理。（2）靜止同步補償器（STATCOM）。STATCOM的優點在于動態連續補償功率因數，可以發無功，也可吸收無功，自動補償系統風電場所需要的無功功率。一方面有效解決了諧波干擾投切并聯電容器裝置的問題，另一方面，可根據風電場實際要求抑制或治理諧波，改善電能質量。STATCOM與SVC相比，在技術上具有以下一些優勢：1）響應速度快。SVC的響應時間約為20～40ms，STATCOM的響應時間為5ms，更有利于風電場電能質量的快速改善。2）諧波電壓小。STATCOM由于采用電力電子逆變技術的無功補償方法可以消除自身輸出電壓中的諧波成分。在用STATCOM進行電能質量治理時，系統的諧波電壓更小。3）輸出特性好。風電場并網點在電壓較低時，STATCOM可以注入更大容量的無功功率，提高并網點的電壓，相比同容量的SVC更具有技術上的優勢。4）占地面積小。同容量的STATCOM占地面積僅為SVC的1/3～1/2。盡管STATCOM在技術上更有優勢，但SVC在價格上更為經濟。SVC的價格一般在180～300元/kVar，而STATCOM為1000～1500元/kVar。因此在實際應用中，需根據治理目標綜合考慮成本和技術上的最優組合，使綜合治理成本最小。

3結論

風電場接入對電網的穩定性影響主要包括電壓失穩和頻率波動兩個方面，但二者產生機理有所不同。電壓失穩主要是由于風電機組并網運行過程中吸收大量的無功功率，導致系統無功缺額，進而造成電壓的不穩定，使得機組脫網運行。頻率失恒主要是因為風電場并網使系統慣量減少，在風電出力波動的共同作用下，系統頻率快速降落，最終導致系統崩潰。為系統裝設SVC、STATCOM等無功補償裝置，能對系統提供無功支撐，改善風電系統電壓穩定性。此外，需加大儲能系統的研究力度，以期減少系統頻率波動，減少風電場對系統的負面影響。

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