风电并网对电压稳定的影响与调整策略

裴文杰

(中南大学 信息科学与工程学院，湖南 长沙 410083)

中国正处于能源转型的紧迫时期，而风能取之不尽且无污染。2012年底国内风电并网装机达6000万千瓦。大规模风电并网已成为必然趋势。

然而，由于我国风力资源分布不均匀，风电基地大多处于电网末端。且机组普遍采用异步发电机，风电系统在向电网注入有功功率时也从电网吸收了无功功率。若系统无功供给不能满足，就可能引起电压降低，甚至电压崩溃。世界各地的大电网因风电并网导致的崩溃事故屡见不鲜，风机的这种特性，使风电接入系统后的电压稳定研究迫在眉睫。

本文以主流的恒速恒频风力发电系统为对象，通过Simulink仿真平台，讨论了风电接入系统影响电压的因素。在不同的扰动下，提出改善措施。

1 风电机组低压穿越能力

风机低压穿越能力源自德国E.ON标准：故障后电压恢复，必须保证风电场连续运行且不脱离电网、风电机组动态发出无功以支持电网电压，加速系统电压恢复，防止机组由于电压低跳闸。风电机组这种故障期间不间断并网运行的能力称为低压穿越能力(Low Voltage Ride Through，LVRT)。

2 短路容量比

短路容量反映系统连接点与电源的电气距离、联系紧密程度与网络结构的强弱。短路容量大表明由扰动引发的电压变化小，有利于扰动后电压恢复。

风场额定容量与风场接入点短路容量之比称为风场短路容量比K。各国其定义不尽相同，一般取经验数据4% ～5%。我国受地理位置的限制，考虑电压稳定与风能充分利用，短路容量比有所调整。

3 风电穿透极限

风电装机容量占系统总负荷的比例称穿透功率。在并网容量大时，普通风电机组对电压无控制能力，因而系统的电压稳定性会降低。在电压稳定的情况下，我们可以得到电网风电功率穿透极限，这在电网规划指导里有重要作用。

4 无功补偿器

风机较其他电机更需加装无功补偿器，每台风电机组都配有补偿电容器，然而电容器的补偿效应差，当系统无功缺额越大，补偿的无功越少。因此需在电容器补偿基础上，加装更先进的无功补偿装置。

STATCOM是无功补偿领域新技术的代表，是灵活柔性交流输电系统(FACTS)的重要部分。它并联于电网中，相当于一个可控无功源，其无功电流可快速跟随负荷无功电流变化而变化，自动补偿电网系统无功功率，对电网实现动态无功补偿。

5 数字仿真与结果分析

在Simulink环境下，建立风场并入无穷大系统仿真模型。参数如下(以1.5MW为基准容量的标幺值)：

额定电压u=575V，频率 f=50Hz，定子参数 Rs=0.0048、Ls=0.1248，转子参数 Rr=0.0043、Lr=0.1791，励磁电抗 Lm=6.67，惯性时间常数 H=5.04s。

利用Simulink构建仿真模型，基于以下不同变量进行动态仿真：

一：两台1.5MW风电机组同时并网发电，基本风速为7m/s，仿真时间 15s，阵风强度分别为 15m/s、20m/s、25m/s，5s开始，持续时间3s，在风电场高压测进行线路有功、无功测量。

二：在阵风25m/s时，对比加装与不装STATCOM时，电网线路中的无功、电压波形。

在方案一的仿真波形中可以看出，风速越大，电压波动越大，转速迅速上升，无功需求大，此时系统无法提供足够的无功支持，最终导致电压崩溃。要解决这一问题，需采用交直交拓扑结构，控制直流电压的逆变，就能达到电压稳定。具体方法与装置不再叙述。

方案二中我们明显直观看到了加装STATCOM后，系统电压能在原来发生崩溃的情况下继续保持运行。

6 结论

利用Simulink建立风电场模型后，仿真表明，随着风能的利用，风电系统本身的弊端开始体现，风电并网会引起电压波动和闪变，严重时将导致电压崩溃。通过加装STATCOM，抑制了电压的波动，降低了机组解裂的可能，提高了电网的低压穿越能力，改善了电网接入电压稳定性。

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