大規模風電場和光伏電站的電網接入影響與無功支撐研究

王劍波

（安徽送變電工程有限公司，安徽 合肥 230022）

0 引 言

電力系統的可持續發展和清潔能源的廣泛應用成為當今社會的重要話題，其中大規模風電場和光伏電站作為可再生能源的主要代表，是電力系統的重要組成部分之一。但隨著大規模風電場和光伏電站的快速發展和接入電網的增多，電網接入影響與無功支撐問題日益凸顯，對電力系統運行的穩定性和安全性產生了顯著影響。電網接入對風電場和光伏電站的影響涉及電力系統的電壓穩定性、電流質量以及頻率穩定性等方面。由于風力和太陽能等可再生能源的不確定性，大規模風電場和光伏電站的無功功率調節成為電網運行的重要問題。

本研究可以增進對大規模風電場和光伏電站電網接入影響的理解，為電力系統規劃和運行提供科學依據，為電力系統的可持續發展和清潔能源的高比例接入提供技術支持和決策參考。

1 大規模風電場和光伏電站的電網接入問題

1.1 可再生能源的快速增長趨勢

隨著全球對清潔能源需求的不斷增加，大規模風電場和光伏電站作為可再生能源的主要來源，呈現出快速增長的趨勢。風電和光伏發電容量的迅猛增長，歸功于政府對可再生能源發展的鼓勵和支持，使得大規模風電場和光伏電站的接入電網變得日益普遍。

1.2 電網接入帶來的挑戰

1.2.1 電壓穩定性問題

大規模風電場和光伏電站的電網接入會對電力系統的電壓穩定性產生影響。由于可再生能源的輸出具有波動性和不確定性，可能造成電網電壓波動，甚至出現電壓異常。

1.2.2 頻率響應問題

大規模風電場和光伏電站的接入會對電力系統的頻率穩定性產生影響。由于可再生能源的輸出受風速和日照強度等因素的影響，發電容量可能會發生劇烈變化，導致電力系統頻率產生波動。

1.2.3 電力質量問題

大規模風電場和光伏電站的接入還可能引發電力質量問題，包括電網電壓波動、諧波擾動、電網電壓偏差等。由于可再生能源的非線性特性和電力電子裝置的使用，風電場和光伏電站的接入可能對電力系統的電力質量產生不利影響。

2 電網無功支撐的重要性與原理

2.1 無功功率的概念與作用

無功功率與有功功率一起構成了總功率的概念。無功功率是指在交流電路中，由于電感和電容元件的存在，電流和電壓之間存在相位差，從而產生無功功率的傳輸。與有功功率不同，無功功率不直接用于實際功的傳輸，但對電力系統的穩定運行和電能質量起著重要作用。無功功率的不平衡和波動性可能導致電力系統產生電壓波動、電壓偏差和諧波，從而影響電力設備的正常運行和用戶用電質量。

2.2 電力系統的無功支撐需求

電力系統中存在大量的感性負載和電容性負載，它們對無功功率的需求存在差異。感性負載需要由源無功功率來供給，而電容性負載則需要吸收無功功率。因此，為滿足電力系統的無功功率需求，引入無功支撐技術至關重要。

無功支撐技術的目標是通過控制和調節無功功率的產生、傳輸和消耗，使電力系統能滿足不同負載的無功功率需求，維持電網的穩定運行，保障電能質量。無功支撐技術對于大規模風電場和光伏電站的電網接入尤為重要，其輸出受天氣和環境等條件的影響，具有波動性和不確定性，對電網的無功功率平衡提出了更高的要求。

2.3 無功支撐的常見方法

為了實現電力系統的無功支撐，常采用靜態無功補償裝置和動態無功補償裝置（Static Var Generator，SVG）。

2.3.1 靜態無功補償裝置

靜態無功補償裝置是通過電力電子器件進行無功功率的補償和控制。常見的靜態無功補償裝置包括靜態無功補償器（Static Var Compensator，SVC）和靜態同步補償器（Static Synchronous Compensator，STATCOM），可以根據電力系統的無功需求，通過控制電流和電壓的相位、幅值、頻率等參數，實現無功功率的傳輸和消耗，從而實現電力系統的無功支撐。

2.3.2 動態無功補償裝置

SVG利用旋轉機械設備（如發電機）或可控電力電子器件來實現無功功率的補償和控制。常見的動態無功補償裝置包括靜止同步串聯補償裝置（Static Series Synchronous Compensator，SSSC）、STATCOM、柔性交流輸電系統（Flexible Alternative Current Transmission Systems，FACTS）[1-3]。

3 大規模風電場和光伏電站的無功支撐技術研究

3.1 電壓和頻率響應能力分析

在大規模風電場和光伏電站的電網接入中，電壓和頻率響應能力是評估其無功支撐技術的重要指標。通過分析電壓和頻率響應能力，可以確定電站對電力系統電壓和頻率波動的抑制能力。電壓響應能力分析主要是對電站無功功率變化的響應時間、響應準確度和穩態誤差等指標的評估，頻率響應能力分析則關注電站對電力系統頻率變化的響應速度和穩定性。分析結果可以幫助優化無功支撐技術的設計和控制策略，提高電站對電力系統無功需求的滿意度。

3.2 電流注入控制策略

電流注入控制策略是通過控制電站逆變器的輸出電流，使電站能夠主動注入或吸收適當的無功功率，以滿足電力系統的無功需求。

3.2.1 無功功率調節

電流注入控制策略允許電站根據電力系統的無功需求情況動態調整逆變器的無功功率輸出，使逆變器可以主動注入或吸收無功功率，維持電力系統的無功平衡。通過監測電力系統的電壓和頻率變化情況，以實時調節逆變器的工作狀態，控制無功功率的注入或吸收，從而維持電力系統的穩定運行。

3.2.2 電壓和頻率響應

電流注入控制策略能夠根據電力系統的電壓和頻率變化情況，實時調整逆變器的工作模式。例如，電力系統的電壓或頻率偏離額定值時，逆變器可以相應地注入或吸收無功功率，以保持電力系統的穩定運行。這種電壓和頻率響應能力，對于處理電力系統的瞬態擾動和持續性擾動非常重要，有助于維持電力系統電壓和頻率的穩定。

3.2.3 無功支撐功能

電流注入控制策略使風電場和光伏電站具有無功支撐功能，即電站能夠主動注入或吸收適當的無功功率，以避免電力系統存在無功功率缺陷或過剩。通過控制逆變器的工作狀態，電站可以在需要時提供無功功率支撐，以維持電力系統電壓和頻率的穩定。

電流注入控制策略在大規模風電場和光伏電站中起著重要作用。該策略能夠實現無功功率的調節和無功支撐功能，有助于提高電力系統的穩定性和可靠性；同時使可再生能源發電系統能更好地與傳統電力系統協調運行，促進清潔能源的可持續利用。

3.3 電壓源和電流源無功控制策略

電壓源和電流源無功控制策略是另一種常用的大規模風電場和光伏電站的無功支撐技術。通過控制逆變器的電壓或電流源特性，實現無功功率的主動注入或吸收。在電壓源無功控制策略中，逆變器的輸出電壓被控制在特定的參考范圍，通過調節逆變器的無功功率輸出實現對電力系統無功功率的補償。而在電流源無功控制策略中，逆變器的輸出電流被控制在特定的參考范圍，以實現對電力系統無功功率的調節。

3.4 模擬與仿真研究方法

為了研究和評估大規模風電場和光伏電站的無功支撐技術，在實際建設之前，常采用模擬與仿真研究的方法驗證技術的可行性。通過在計算機軟件平臺上建立電力系統和電站的數學模型，模擬不同工況下的運行情況，以評估無功支撐技術的性能和效果。通過調整模型參數和運行條件，快速分析和比較不同無功支撐技術的影響，預測電站在實際運行中的響應能力，并優化控制策略。常用的電力系統仿真軟件包括PSCAD、PowerFactory、MATLAB/Simulink等。

3.5 實際案例研究與測試結果

為了驗證和評估大規模風電場和光伏電站的無功支撐技術，在實際運行中需要進行案例研究和測試。通過在不同地理位置和電力系統條件下的大規模電站上進行測試，可以獲取實際運行數據，并評估無功支撐技術的有效性和可行性。實際案例研究與測試結果可以用于判斷電站無功支撐技術在實際場景中的表現情況，包括無功功率響應時間、穩定性、控制精度等指標的評估（見表1）。同時，可以探索不同電力系統條件下的無功支撐策略的適用性和局限性，為進一步優化無功支撐技術提供參考。

表1 不同電站無功支撐技術測試指標與測試結果

通過案例研究和測試數據，可以更好地了解無功支撐技術在實際場景中的表現，為未來的電力系統優化和改進提供參考。

4 電網無功支撐與穩定性仿真分析

4.1 電力系統模型建立

在進行電網無功支撐與穩定性仿真分析之前，需要建立電力系統模型。該模型應包括電力系統的發電機、傳輸線路、負荷以及其他電力設備，同時要充分考慮電力系統的復雜性和多樣性，以準確反映電力系統的實際運行情況。電力系統模型的建立可以基于現有的電力系統仿真軟件平臺，如PSCAD、PowerFactory或MATLAB/Simulink等。通過選擇合適的模型元件和參數設置，可以準確地描述電力系統的結構和特性，為后續的仿真分析奠定基礎[4]。

4.2 風電場和光伏電站模型集成

將風電場和光伏電站的模型集成到電力系統模型中。其中，風電場模型要考慮風速的變化對風力發電機輸出功率的影響，光伏電站模型要考慮光照強度的變化對光伏組件輸出功率的影響。風電場和光伏電站模型的集成可以采用標準的風力發電機模型和光伏組件模型，根據實際情況調整參數。同時，將風電場和光伏電站的逆變器模型與電力系統模型進行連接，以實現與電力系統的交互。

4.3 仿真參數與場景設定

在進行仿真分析之前，需要設定仿真參數和場景。仿真參數包括仿真時間、時間步長、仿真算法等，根據具體需求進行選擇。場景設定包括電力系統初始狀態、風速或光照強度的變化規律等。仿真參數和場景的設定要充分考慮電力系統的實際運行情況，需要有一定的代表性。例如，根據歷史數據或實測數據來確定風速或光照強度的變化規律，以驗證無功支撐策略在不同工況下的性能。

4.4 無功支撐策略效果評估

利用建立的電力系統模型和集成的風電場和光伏電站模型進行無功支撐策略的仿真分析。根據設定的場景和仿真參數，模擬風電場和光伏電站對電力系統的無功需求響應，并評估無功支撐策略的效果。評估指標包括無功功率響應時間、穩態誤差、控制精度等[5]。通過對不同無功支撐策略的比較分析，以確定最佳的無功支撐方案，提高電力系統運行的穩定性和可靠性。

4.5 穩定性分析與對比

在仿真分析的基礎上，對電力系統的穩定性進行評估和對比，包括電壓穩定性、頻率穩定性等內容。第一，電壓穩定性。評估系統中各節點的電壓波動情況，對比不同無功支撐策略的電壓穩定性指標，分析風電場和光伏電站對電力系統電壓的影響。第二，頻率穩定性。評估系統的頻率響應特性，對比不同無功支撐策略的頻率穩定性指標，分析風電場和光伏電站對電力系統頻率的影響。

5 結 論

大規模風電場和光伏電站的電網接入對電力系統的無功需求產生了顯著影響，導致電力系統的無功功率產生波動和變化，并影響電力系統的無功平衡。通過合理設計無功支撐策略可以提高大規模風電場和光伏電站的無功支撐能力，增強電力系統的穩定性。采用適當的無功補償設備、控制策略和調度方法，有效避免無功功率波動，并提供電力系統所需的無功支撐。為了推動大規模風電場和光伏電站的電網接入，一方面，政府可以制定可再生能源配額制度、提供經濟激勵和稅收優惠，簡化接入程序和審批流程；另一方面，電力公司應該在電力系統規劃和運營中充分考慮大規模風電場和光伏電站的接入，確保其接入容量和位置合理，保障電力系統的穩定運行。