風電和光伏發電接入電網的電壓穩定及控制策略

孫源 馮學民 齊志 馮瀚

摘 要： 電網改造與優化是電力事業發展的有效途徑，在電網中接入風電和光伏發電，能夠為電力資源持續供應提供助力，但也增加了供電的不確定性。從靜態和動態兩方面著手對風電和光伏發電接入電網的電壓穩定性進行了分析，研究導致電壓不穩定的主要原因，在此基礎上提出了具體控制方法和實施策略，以期為風電和光伏發電在電網中的有效接入提供參考。

關鍵詞： 風力發電 光伏發電 電網 電壓穩定 電壓控制

中圖分類號： TM75文獻標識碼： A文章編號： 1679-3567（2024）02-0062-03

Voltage Stability and Control Strategy for Connecting Wind Power and Photovoltaic Power Generation to the Grid

SUN Yuan1 FENG Xuemin2 QI Zhi3 FENG Han4*

（ 1.Tianjin Woruifeng Technology Development Co.， Ltd.， Tianjin， 300308 China； 2.State Grid Tianjin Information & Telecommunication Company Tianjin， 300140 China； 3.State Grid Tianjin Chengnan Power Supply Co.， Ltd.， Tianjin， 300210 China； 4.State Grid Tianjin Jinghai Power Supply Co.， Ltd.， Tianjin， 301600 China ）

Abstract： Power grid transformation and optimization is an effective way for the development of electric power industry. The access of wind power and photovoltaic power generation in the power grid can provide a boost to the sustainable supply of power resources， but it also increases the uncertainty of power supply. In this paper， the voltage stability of wind power and photovoltaic power generation connected to the grid is analyzed from both static and dynamic aspects， and the main reasons leading to voltage instability are studied. On this basis， specific control methods and implementation strategies are proposed， in order to provide reference for the effective access of wind power and photovoltaic power generation in the grid.

Key Words： Wind power generation； Photovoltaic power generation； Power grid； Voltage stability； Voltage control

電力資源已經成為人們生產、生活中的重要資源，在人們用電需求不斷增加的情況下，發電方式也要持續改進，利用新能源發電，可減少資源能源的消耗，降低對周圍環境造成的污染。風電和光伏發電方式可滿足上述要求，但是在實際應用過程中存在不穩定特點，導致其接入電網后的電壓穩定性較差，無法實現電網高效運行，這就需要根據二者接入后電網的電壓穩定情況做好相應控制工作，保證風電和光伏發電的接入電網效果，使電力系統保持穩定運行狀態。

1 風電和光伏發電接入后靜態與動態穩定性的分析

1.1 靜態穩定性分析

靜態潮流電壓穩定性分析會根據分析要求選擇針對性強的潮流模型，分別為由傳統概念支持的非穩定性潮流分析方法和動態潮流分析方程法，前者可以直觀展示線路負荷，后者可以運用多種分析方法進行參數確定，一般在特定的電壓運行條件下，能夠了解電力系統運行期間的穩定性以及電壓穩定響應裕度[1]。但由于整個系統運行期間的影響因素較多，不確定性比較強，每種元件設備的狀態、電力負荷程度以及風電和光伏發電系統的穩定性，都會對電網穩定運行產生影響，應建立概率數值評估模型，對不同因素的影響概率進行計算分析。

1.2 動態穩定性分析

風電和光伏發電技術水平不斷提升，機組內部組成更為復雜，若設備出現故障問題，會直接影響電網運行狀態，電量得不到持續穩定供應，從而影響鄰近區域風電系統的正常運行。風電和光伏發電系統運行中故障類型較為多樣，很容易出現無功補償操作過度的現象，還會導致無功電壓異常波動，在負載保護系統的作用下會導致并網機組出現脫網、斷網情況。要想保證電網穩定運行，則應對并網機組結構和性能進行仿真分析，掌握各類裝置設備的動態運行特點，分析機組運行故障和各類事故問題的發生原因，在此基礎上進行無功功率補償實現動態無功調節[2]。

2 風電和光伏發電接入電網的電壓控制方法與策略

2.1 電壓控制方法

2.1.1 控制電網系統中的調節設備

（1）不同系統的重要設備控制。風電系統并網接入過程中，工程技術人員可以使用雙饋風力發電機，直接通過下發指令的方式調節設備狀態，根據電網電壓特點提供無功功率，為電網運行提供支撐，切實提高系統運行效率，為電壓控制策略實施創造良好條件。光伏發電系接入電網后應選擇并網逆變器，該設備直接影響光伏發電站的發電功率、運行質量以及電力輸出數量，若該設備出現異?；蛘甙l生故障，則會對整個發電機組的穩定運行和電力的安全運輸造成影響，電網中的電壓穩定也會受之影響，需要做好設備控制與調節工作。

（2）電容器的適當調節。風電系統和光伏發電系統計入電網后，與之并聯的電容器組運行狀態發生改變，雖然可以減少成本方面的投入，也方便后續維護，但若沒有進行有效處理，則無法保證電容器的補償狀態，影響其功能發揮。同時，電容器的補償容量會受到該設備分組數量的影響，數量越少，補償梯度越大，容易影響電網穩定性；數量越多，則投入成本越高[3]。要想對電容器組進行有效控制，則應聯系電力系統運行情況，做好適當調節工作，尤其需要注意系統功率幅度變化較大的節點，根據電網電壓穩定控制需求對電容器進行針對性調節處理，可提高無功補償設備連續調節效果，為電網安全運行奠定基礎。

2.1.2 控制接入電網的電壓分層模型

（1）變壓器和電容器組控制調節。電壓分層模型控制在電網的電壓控制方面起到了良好作用，主要基于調節設備的特性進行相應控制與調整，結合風電系統和光伏發電系統運行特點，制定分級控制措施，對系統運行期間的數據進行預測分析，為后續管控調節提供參考依據。分層電源電壓模型構建和控制過程中，應對電網中變壓器和電容器進行全面調節與管控。風電系統和光伏發電系統機組運行時間較久，不能通過工作人員進行持續調節，在實際制定相關控制措施的過程中，會對變壓器和電容器的運行功率、可調節量進行分析，將其作為參考依據，根據系統運行時功率數據顯示情況，控制調整電壓偏差，為電力系統穩定運行提供保障。

（2）風電場、光伏發電站和動態調節設備控制。電力系統運行期間風電場、光伏發電站以及動態調節設備的運行狀態，可以體現出微調裝置的功能作用，該裝置在調節和控制無功電壓方面起到一定作用，能夠保障電力系統運行期間上述三者的穩定平衡，提高電網電壓的穩定性，也可以根據系統運行情況調節設備，使其處于高效運行狀態，切實提高無功出力效率，讓風電系統和光伏發電系統穩定持續輸送電力資源[4]。分層電壓模型運行期間也可實現與先進控制技術的有機結合，充分發揮現代科技的功能作用提高控制效率，為電網整個系統的穩定運作提供技術支持，應加強多種新技術的研究與應用。

2.2 電壓控制策略

2.2.1 風電接入電網的電壓控制

（1）控制架構。為能夠充分發揮風電系統運行中的動態無功補償功能，則應加強基礎設備建設，并按照相關標準的要求以及結合風電機組運行的具體情況，進行合理安裝，為電壓協調控制提供基礎支持。首先，要設置控制架構，建立分層結構，通過分層分析與管理控制誤差產生。風電系統接入電網電壓控制架構主要由調節層、分配層和控制層組成，中心系統下發指令后，調節層可以對風電并網節點的電壓值進行有功預測，并進行自適應調節；分配層則會收集系統運行參數，輸出參考指令；控制層則會跟蹤控制風電系統接入電網節點的電壓值，從而確定有功輸出和無功輸出的數值參數，為電壓穩定控制提供參考。

（2）策略實現。電網電壓控制時，相關人員應對風電系統機組電壓輸出情況進行了解與掌握，若輸出較低，電阻和電抗比較大，在節點有電流通過的條件下，可通過節點電壓和功率輸出值計算靈敏度系數。根據中心控制系統給出的電壓和有功功率參考值，可對能夠調節的電壓極限值進行估測，以此為依據對風電系統接入電網的節點電壓進行合理控制[5]。收集該節點參數信息了解電壓變化軌跡，在機組調壓功能的作用下，整個風電機組可實現自適應調節。通過追蹤最大功率曲線，分析是否超出指令控制周期，根據分析結果繼續執行指令或者確定新的指令，若超出指令范圍，則說明風電機組的無功調節能力不足，需要及時調整輸出功率。

2.2.2 光伏發電接入電網的電壓控制

（1）機組接入。光伏發電系統運行中具有分散特點，要在最近的節點接入電網，由于該系統的供電距離比較長，在發電高峰期容易出現接入電網沿線電壓明顯增加的現象，需要通過機組的合理接入來調整和控制電網電壓。光伏發電系統在接入電網之前，先要提前調查并網容量，確定電壓水平，應以最大負荷距的運行電壓為依據，將光伏發電機組的相關參數控制在其之內，這是順利接入電網并發揮光伏發電站功能的關鍵。對于光能較足的區域，可通過增設變壓器數量或者縮短供電線路長度的方式來控制并網電壓，使其處于穩定狀態。

（2）電壓調節。若電力系統中需要接入較多光伏發電機組，則應動態分析電網狀態并進行無功補償，以免出現電壓升高導致嚴重超出限值的情況。建立自適應模型對光伏發電的機組接入電網后的功率變化進行預測，并使用智能算法進行精準求解計算，為并網電壓控制提供了可靠依據。若無法控制逆變器輸出功率，則應使用傳感器設備對涉及到的信息數據進行采集分析，經過有效運算了解線路運行期間的負載情況。在誤差要求范圍內，若光伏發電機組接入電網節點的電壓與控制中心調度指令預測值相符，則說明電網電壓相對穩定，無需調整預測模型。如若二者不相符，應對模型參數進行調整更新，并做好電壓反饋調節工作，實現電壓有效控制。

3 結語

風電和光伏發電系統接入電網后，要想保持電壓穩定平衡，需要結合兩種發電系統的特點，做好相應控制工作，注重對涉及到的數據參數深層剖析，在此基礎上建立完善管理策略，為電網穩定、高效運行提供保障。運營管理階段，風電和光伏發電接入電網后的干擾因素較多，在實際接入之前需要做好調研工作，了解環境特點，掌握工程特征，以此為依據完善接入電網的方法策略，保障風電和光伏發電電網的建設效果，實現清潔能源的高效利用，這對電網電壓平穩運行有著積極影響，可推動電力事業長遠持續發展。

參考文獻

[1]韓蕾，高瑞霞，戈濤.風力和光伏發電技術接入電網的電壓控制方法[J].中文科技期刊數據庫（全文版）工程技術，2022（5）：161-163.

[2]包翔，張海平.風電光伏發電接入電網的電壓穩定及控制方法[J].電子技術與軟件工程，2020（22）：224-225.

[3]楊重偉，梁旭，毛嵐.基于高比例光伏接入低壓系統的電壓控制研究[J].電氣傳動，2022，52（8）：60-67.

[4]劉松，李嘯驄，陳登義.大型光伏儲能電站與同步發電機勵磁的非線性協調控制策略[J].電力自動化設備，2020，40（5）：92-98.

[5]王若昕，楊凱帆，謝梟，等.光伏發電接入對配電網電壓質量的影響[J].電工材料，2021（1）：42-44.