并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性影響的研究

劉航航

（華北水利水電大學(xué) 河南省鄭州市 450000）

近些年來，科技發(fā)展的速度日益加快，讓風(fēng)力機(jī)技術(shù)獲得了定期更新，相應(yīng)的機(jī)組結(jié)構(gòu)獲得優(yōu)化，提升了相關(guān)性能。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，使得空氣動(dòng)力學(xué)、航天技術(shù)等均被運(yùn)用到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的研制工作當(dāng)中，提高了對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)與復(fù)合材料的利用率，讓風(fēng)力發(fā)電發(fā)揮出來的作用不斷變大。面對(duì)此種情況，風(fēng)力發(fā)電朝著逐漸產(chǎn)業(yè)化的方向發(fā)展。加快對(duì)風(fēng)力發(fā)電的研究，有助于增強(qiáng)對(duì)自然環(huán)境的保護(hù)效果，降低了能源的消耗量。實(shí)際上，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率十分不穩(wěn)，在風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)的過程當(dāng)中，帶給電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定與安全性方面很大的不良影響。為此，系統(tǒng)掌握風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)帶給電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響情況，有利于明確科學(xué)的管控對(duì)策，確保電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

1 并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成與特征概述

一般而言，獨(dú)立運(yùn)作的相關(guān)風(fēng)電系統(tǒng)、并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)電系統(tǒng)，構(gòu)成的部分均涵蓋了下述不同的功能模塊：風(fēng)輪、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、管控系統(tǒng)。在這當(dāng)中，可以利用風(fēng)輪獲取風(fēng)能，使風(fēng)力有效轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。而齒輪箱在運(yùn)用的時(shí)候，可以加快風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，讓其滿足相關(guān)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速要求，提升整個(gè)工作運(yùn)行的效率。依靠發(fā)電機(jī)能夠?qū)L(fēng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能。對(duì)于管控系統(tǒng)來說，則旨在使得風(fēng)能的利用率獲得提升，并且確保了該系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。因?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電屬于一次性能源，風(fēng)能具有顯著的間歇性特征[1]。在此過程當(dāng)中，發(fā)電機(jī)處在頻繁的啟停狀態(tài)當(dāng)中，所以，對(duì)于發(fā)電機(jī)的類別來說，可以選擇異步發(fā)電機(jī)。受到上述不同方面因素的影響，讓風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和普通的發(fā)電系統(tǒng)之間存在著很大的差別特征，具體如下：

（1）輸入風(fēng)能的改變存在著顯著的隨機(jī)性特征，假如缺少相應(yīng)的處理對(duì)策，會(huì)使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)所輸出的功率受到風(fēng)速改變的影響，進(jìn)而產(chǎn)生了很大的變化，不利于確保發(fā)電系統(tǒng)的電能質(zhì)量達(dá)到相關(guān)要求，降低了電網(wǎng)中電壓的穩(wěn)定性。

（2）在異步發(fā)電機(jī)相應(yīng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行運(yùn)作的過程當(dāng)中，能夠輸出有功功率，并且會(huì)吸取無(wú)功功率，對(duì)于無(wú)功功率來說，其和電壓之間的聯(lián)系是非常緊密的。

（3）異步發(fā)電機(jī)不具備相應(yīng)的電壓管控能力，使得電壓發(fā)生變化，易于超過相應(yīng)的區(qū)間。

上述不同方面的特征讓針對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性影響情況分析變得尤為關(guān)鍵[2]。

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的管控模式分析

通常情況下，風(fēng)力機(jī)組的管控涵蓋了功率與速度的管控方面內(nèi)容。其中，功率主要運(yùn)用到風(fēng)輪當(dāng)中，借助對(duì)葉片槳距角的科學(xué)管控，能夠得到最大的風(fēng)能，規(guī)避出現(xiàn)轉(zhuǎn)軸和發(fā)電機(jī)過載的情況，達(dá)到了對(duì)機(jī)械保護(hù)的效果。速度則被運(yùn)用到發(fā)電機(jī)當(dāng)中，借助對(duì)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)子電流的管控方式，達(dá)到減小輸出功率變化的目的，避免機(jī)械出現(xiàn)振蕩的現(xiàn)象。對(duì)于風(fēng)力機(jī)組的管控模式來說，受到機(jī)組類別不一樣的影響，存在著很大的差別。不過主要的規(guī)定均應(yīng)該保證良好的風(fēng)況、天氣與電網(wǎng)條件，提高了運(yùn)行的安全性，同時(shí)也降低了年發(fā)電量與發(fā)電的經(jīng)濟(jì)成本[3]。由此可見，風(fēng)力機(jī)組的管控宗旨涵蓋了下述幾個(gè)方面的內(nèi)容：

（1）處于既定的運(yùn)行風(fēng)速區(qū)間當(dāng)中，確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性；

（2）處于額定的風(fēng)速環(huán)境當(dāng)中，需要盡量獲得更多的風(fēng)能，使得風(fēng)能的利用率得以提升；

（3）處于高風(fēng)速的環(huán)境當(dāng)中，應(yīng)該對(duì)機(jī)組的功率輸出加以有效限制，維持在相應(yīng)的額定值區(qū)間當(dāng)中，謹(jǐn)防出現(xiàn)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)軸、發(fā)電機(jī)和電力電子設(shè)備過載的現(xiàn)象：

（4）實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)風(fēng)力機(jī)組機(jī)械的有效保護(hù)。

一些負(fù)荷在運(yùn)行的過程當(dāng)中，可以采用下述兩類管控模式：恒定葉尖速比方式、最大功率追蹤方式。在這當(dāng)中，前者的管控理念為在風(fēng)力機(jī)組處于最佳的葉尖速比情況下，所輸出的功率是最大的。進(jìn)行實(shí)際管控的過程當(dāng)中，需要把風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率系數(shù)和葉尖速比間的特性有效儲(chǔ)存到相應(yīng)的管控系統(tǒng)之內(nèi)，并且借助相關(guān)測(cè)定設(shè)備，能夠得到現(xiàn)階段環(huán)境當(dāng)中的風(fēng)速、轉(zhuǎn)速，然后對(duì)比依靠計(jì)算獲取的葉尖速比參考數(shù)值，把所形成的誤差輸入到管控系統(tǒng)當(dāng)中，有利于縮小偏差[4]。實(shí)際上，此類管控方式在風(fēng)速、轉(zhuǎn)速的測(cè)定準(zhǔn)確度方面擁有很高的要求，由此能夠看出其存在的弊端。而后者的管控方式則主要借助對(duì)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的控制方法，能夠獲得最大的風(fēng)能。依靠此種模式，在風(fēng)速測(cè)定的精準(zhǔn)度、葉片的動(dòng)態(tài)性方面敏感度不夠，可以被運(yùn)用到很多大型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組當(dāng)中。

在有關(guān)風(fēng)電機(jī)組處于額定風(fēng)速、全負(fù)荷的運(yùn)行狀態(tài)之下，應(yīng)該對(duì)風(fēng)輪、轉(zhuǎn)軸、發(fā)電機(jī)的容量加以科學(xué)限制，基于減小葉片的負(fù)載、機(jī)組所受沖擊影響的目的，可以借助對(duì)該系統(tǒng)的管控方式，使風(fēng)力機(jī)組的輸出功率得到一定的限制。通常情況之下，處于全負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下的管控模式包含了三類，依次為定槳距管控、變槳距管控、主動(dòng)失速管控。

3 并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)帶給電壓穩(wěn)定性影響的仿真說明

我國(guó)某某區(qū)域電網(wǎng)運(yùn)用了恒速恒頻異步發(fā)電機(jī)裝置，共計(jì)數(shù)量為12臺(tái)，各臺(tái)發(fā)電機(jī)功率是1.5MW，相應(yīng)的額定電壓為0.69kV，上述發(fā)電機(jī)終端均能夠滿足電容器補(bǔ)償機(jī)組無(wú)功方面的規(guī)定，使電容器裝置容量處于某個(gè)范圍當(dāng)中RT+jXT，其中，Vs、VIG依次代表的為電網(wǎng)終端等效電壓源、風(fēng)電場(chǎng)的場(chǎng)端兩類電壓。鼠籠風(fēng)機(jī)的參數(shù)見表1。

表1：鼠籠風(fēng)機(jī)相關(guān)參數(shù)表

從對(duì)電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性影響方面的因素來說，主要涵蓋了下述幾個(gè)不同的方面，現(xiàn)加以展開分析與說明。

3.1 風(fēng)機(jī)端電壓受風(fēng)速改變形成的影響分析

由于風(fēng)速處于持續(xù)的動(dòng)態(tài)變化當(dāng)中，其中涵蓋了隨機(jī)的波動(dòng)、機(jī)組有功、無(wú)功的變化等現(xiàn)象。假如風(fēng)電場(chǎng)所接入的為弱電網(wǎng)，這種電壓波動(dòng)的情況會(huì)導(dǎo)致電壓出現(xiàn)閃變的情況。在相關(guān)風(fēng)速模型在噪音風(fēng)的情形之下，有功功率將根據(jù)風(fēng)速的波動(dòng)方向出現(xiàn)一定的變化，機(jī)端電壓與其呈現(xiàn)出一定的差異性，受到變化的影響，使其與風(fēng)速變化的方向是相反的[5]。

3.2 風(fēng)機(jī)端電壓受短路容量改變形成的影響分析

從電網(wǎng)的角度來說，短路的容量、功率即為該點(diǎn)三相短路電流與額定電壓的乘積。如果短路電流I以kA進(jìn)行表示，相電電壓U以kV進(jìn)行表示，能夠運(yùn)用以下公式對(duì)短路的容量進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算：此處的短路容量比K，針對(duì)的為：在并入風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量明確的基礎(chǔ)上，通常需要科學(xué)利用耦合點(diǎn)的電路容量，并把風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量Pw與連接點(diǎn)短路容量Sc二者的比值當(dāng)成短路容量比；具體實(shí)施的時(shí)候，短路容量比K將成為判斷接入風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量的主要參考指標(biāo)，一般來說，應(yīng)該小于某個(gè)數(shù)值[6]。

假如短路的容量比產(chǎn)生了變化之后，由5%提高至30%，面對(duì)此種狀況，機(jī)端電壓值隨之產(chǎn)生了振蕩的情況，同時(shí)隨之不斷下降，當(dāng)接近30%的時(shí)候，完全失去了穩(wěn)定性。由此說明，短路容量比與風(fēng)電場(chǎng)的電壓變化呈現(xiàn)出密切的聯(lián)系。為了確保機(jī)端電壓的質(zhì)量達(dá)到相關(guān)規(guī)定，應(yīng)該使風(fēng)電場(chǎng)的裝機(jī)容量處于耦合點(diǎn)短路容量的特定百分值范圍當(dāng)中，對(duì)于我國(guó)來說，短路容量比一般應(yīng)該被管控在9%的范圍當(dāng)中。由此可見，經(jīng)過上文的論述與分析之后，從中不難看出，強(qiáng)化風(fēng)機(jī)端電壓受短路容量改變形成的影響分析可謂十分關(guān)鍵，具有很大的實(shí)施價(jià)值。

3.3 風(fēng)機(jī)端電壓受傳輸線阻抗比改變形成的影響分析

可以運(yùn)用下述相關(guān)公式進(jìn)行傳輸線路上電壓降?U近似值的準(zhǔn)確計(jì)算：

對(duì)于以上的計(jì)算公式來說，不同的參數(shù)所代表的意思依次為：

P代表的是風(fēng)電場(chǎng)輸出的有功；Q代表的是風(fēng)電場(chǎng)輸出的無(wú)功；P>0，Q<0；R代表的是傳輸線路的電阻；X代表的是傳輸線路的電抗；VIG代表的是風(fēng)電機(jī)組的機(jī)端電壓。

依靠有關(guān)電力系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)傳遞相應(yīng)的無(wú)功功率Q，并且在電抗X方向之上形成電壓降落縱分量；由風(fēng)電場(chǎng)供應(yīng)電網(wǎng)相應(yīng)的有功功率，同時(shí)在電阻R上形成分量，造成端電壓得以提升。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)的接入點(diǎn)如果處于電網(wǎng)的末端時(shí)候，這個(gè)時(shí)候此配電網(wǎng)傳輸線的阻抗比X/R的數(shù)值將處于某個(gè)范圍當(dāng)中，一般為3～11，結(jié)合最后的仿真結(jié)果，從中不難看出，受到X/R數(shù)值變大的作用影響，此時(shí)的風(fēng)電場(chǎng)電壓出現(xiàn)不斷下降的情況，相應(yīng)的電壓值則無(wú)法確保一定的穩(wěn)定性。

假設(shè)風(fēng)電場(chǎng)的功率輸出與禍合點(diǎn)二者之間的短路容量比選用12%，當(dāng)受到阻抗比X/R提高的影響之后，此時(shí)的電壓會(huì)難以確保穩(wěn)定性。在此過程當(dāng)中，不難看出，應(yīng)該合理選取傳輸線路具體的阻抗比X/R參數(shù)，受此影響，有助于保證風(fēng)電場(chǎng)的穩(wěn)定性與安全性。

3.4 電壓受轉(zhuǎn)子反饋控制改變形成的影響分析

受到機(jī)端電壓跌落的影響，此時(shí)轉(zhuǎn)子的運(yùn)轉(zhuǎn)速度開始加快，直至產(chǎn)生飛車的情況，所以，可以從中獲悉，通過對(duì)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速加以科學(xué)管控，可以進(jìn)一步增強(qiáng)風(fēng)電場(chǎng)的動(dòng)態(tài)電壓性能。如果產(chǎn)生了三相短路的故障問題，在這個(gè)時(shí)候，無(wú)論是機(jī)端電壓，還是功率，均受到時(shí)間的變化隨之形成很大的改變。在此過程當(dāng)中，電壓會(huì)處于一瞬間產(chǎn)生跌落的現(xiàn)象，然會(huì)回至0.8pu，有功功率則出現(xiàn)震蕩的情況，無(wú)法保證穩(wěn)定性。面對(duì)轉(zhuǎn)速反饋控制的狀況時(shí)，電壓和有功功率可以處于很短的時(shí)間當(dāng)中，產(chǎn)生的震蕩現(xiàn)象將得以恢復(fù)正常，擁有良好的穩(wěn)定性。一般情況下，借助此種管控措施，目的在于讓風(fēng)力機(jī)組的輸出變得更加穩(wěn)定，當(dāng)機(jī)組的轉(zhuǎn)速逐漸加快以后，此系統(tǒng)依然處于短路的時(shí)候能夠獲得良好的穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，鑒于風(fēng)能的隨機(jī)性、間歇性特征十分顯著，與風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)用異步發(fā)電機(jī)的部分特性，受到風(fēng)電裝機(jī)容量日益增大的影響，使其在配電網(wǎng)中的作用逐漸變大，應(yīng)該確保風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性。面對(duì)此過程當(dāng)中經(jīng)常出現(xiàn)的風(fēng)電系統(tǒng)電能質(zhì)量降低、電壓失穩(wěn)等問題，有必要積極開展針對(duì)并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)帶給電壓穩(wěn)定性影響情況的探究工作。為此，筆者經(jīng)過查閱大量相關(guān)研究文獻(xiàn)之后，基于三相短路故障之下，對(duì)兩種機(jī)組的風(fēng)電系統(tǒng)仿真情況加以分析和說明，把相應(yīng)的控制器裝置應(yīng)用到常規(guī)的異步機(jī)組風(fēng)電場(chǎng)當(dāng)中，能夠確保電壓的穩(wěn)定性，并且把相關(guān)轉(zhuǎn)子短路保護(hù)裝置應(yīng)用到雙饋異步機(jī)組風(fēng)電場(chǎng)當(dāng)中，可以讓電壓的穩(wěn)定性得以提高，從而真正發(fā)揮出其應(yīng)有的功效和作用。