解析风电场并网运行的稳定性及优化

苏庆（国网四川省电力公司广元供电公司，四川广元628000）

解析风电场并网运行的稳定性及优化

苏庆（国网四川省电力公司广元供电公司，四川广元628000）

随着我国经济的快速增长，电能的需求量日益增加。出于环保的目的，发展新能源已经成为了重要的途径。风力发电是电力新能源发展的重要部分，风电场发展已经占有电网重大的百分比。这就需要充分研究大规模的风电并网技术来确保电网的安全稳定运行。本文主要研究风电场并网运行的稳定性以及优化问题，希望能给相关人士有所帮助。

风电场；并网运行；稳定性

引言

随着能源需求量的不断增加以及人们环保意识的增强，全新发电方式受到了人们重点的关注。风力发电已经成为了环保、可再生能源中非常重要的发电方式之一。从世界范围来看，经济发达国家和地区在风力发电方面都投入了较大的力量，并在持续快速增加。我国具有较大的风力资源，也进行了大量的风电开发，但是由于风电场大多处在偏远地区，接入电网的部位相对比较脆弱，所以就造成了电网支撑能力较差，严重影响了电能的质量。为了确保较大规模的风电接入到电网后能够安全稳定的运行，风电场并网之后的稳定控制技术和电网的协调控制技术已经成为了风电场并网技术中最为关键的内容。所以，充分研究风电场并网运行的稳定性以及优化运行是非常有意义的。

1 风电场并网运行的稳定性分析

由于风速和风力是会随机进行变化的，因此风电场的输出也具有随机的特点，这就造成了电网的有功和无功调度是非常困难的。在极端天气等严重的情况下，为了确保风电机组相关设备的安全可能会出现切记等问题，这些都是对电网稳定性的重大伤害。

1.1 稳定性方面的影响

1.1.1 静态稳定性的影响

所谓的静态稳定系统就是指在系统受到一定程度干扰后还可以自行恢复到受到干扰之前状态的系统。风电场并网运行时对于电网静态稳定性的影响主要几个方面，分别为：功角问题、风电场的属于能否同步于电力系统。从目前情况来看，风电场采用的都是变速恒频发电机组，因为此种机组能够最大程度上利用风能，具有非常高的风力利用系数。这其中的双馈异步风力发电机在发电的初始阶段就会带动同轴发电机进行转动，在转速较为接近的情况下变速器就对发电机的输出电压以及系统电压进行采集，并进行比对求出偏差，通过变流器控制发电机的相位以及幅值等，确保其和电力系统的相同来实现静态稳定的目的。

1.1.2 暂态稳定性的影响

若是电网系统中风电机组并网容量比重较大，那么就会改变原有线路的传输功率、系统惯量、潮流分布等等，所以在风电场并网时就会造成暂态稳定性的变化。在区域性电网相对比较弱的情况下，风电机组在电力系统故障清除之后还是不能恢复到原有状态，这就造成区域性电网暂态稳定性较低。那么为了确保电网的暂态稳定性就要将风电场从电网中切除掉，这其中需要采用动态无功补偿等装置，这些装置能够确保在故障恢复之后以及暂态过程中电网电压不会产生比较大的波动，确保暂态电压的稳定性。

1.2 提升风电场并网运行稳定性的相关对策

1.2.1 有效改善电能质量

从现阶段来看，可以通过补偿装置等进行电能质量的改善和提升，这些补偿装置主要包括：静止无功补偿器、有源滤波器、动态电压恢复器等等，相对来说静止无功补偿器的技术比较成熟，。这些装置能够有效控制电网内无功负荷的剧烈波动，从而抑制电压的波动以及闪变。除了采用补偿装置进行电能质量的改善之外，通过储能装置也能够很好的提升电能质量。利用超导储能系统以及超级电容储能系统都能够有效改善电网的电压波动和闪变、电压暂降等方面的问题。

1.2.2 有效优化低电压穿越问题

主要可以通过两种方式来优化电网低电压穿越问题，分别为：增加硬件电路、优化控制方式等。利用增加硬件电路的方式能够从根本上处理电网发生故障时出现的电压以及电流过剩问题，例如在电网中增加储能装置后，电网再发生故障时就可通过储能装置将过剩电压以及电流吸收掉，能够对风电机组进行保护。而优化控制方式只是对电网故障中的过剩电压和电流进行降低，并不能将其消耗掉，不能从根本上解决问题。

1.2.3 有效改善电网稳定性

可以通过分组快速投切电容器来改善电力系统的稳定性。由于分组快速投切电容器的价格相对较低，所以其得到了非常广泛的应用。但问题是此种电容器不能连续性调节电压，并且会受到投切次数等方面的限制，所以若是风速的变化较为频繁、速度变换较快的情况下是不能采用此种设备的。而静止无功补偿装置能够实现快速的无功补偿，主要包括动态电压和改善系统的稳定性。在风电场设置静止无功补偿装置，能够进行电厂电压和电网电压的采集，通过求取偏差的方式进行无功补偿，通过此种方式能够稳定节点电压并且降低电网电压波动，从而改善电网的稳定性。另外，在风电场安设储能装置也能够在一定程度上稳定电网，超导储能装置也能够起到静止无功补偿装置的作用，通过偏差进行无功调节能够确保电网的稳定。但是超导储能装置属于有源补偿装置，相比于静止无功补偿装置来说，对于接入点电压没有那么大的依赖性，特别是在电网处在低电压情况时会起到很好的作用。

2 风电场并网系统优化运行

2.1 最优潮流的研究内容

最优潮流主要是将电力系统经济调度和潮流计算进行有机结合，通过潮流方程的方式实现经济和安全、有功和无功的优化。最优潮流的问题就是指在符合潮流方程以及安全方面的基础上，进行系统的优化，使其目标函数达到最优。最为常用的目标函数就是系统的发电费用最小、有功网损最小。因为最优潮流会涉及到整个系统的经济性以及安全性，所以其可以应用在电力系统运行各个方面，包括：电力系统的安全运行、电力系统的可靠性分析、经济调度、电网规划等等。

2.2 风电场的最优潮流

（1）网损最小。网损最小为电力系统标志经济性能最主要的指标，并且也是传统最优潮流的目标函数。可以通过下式来表示线损的情况：

其中F1表示的是总的有功损耗；Gij表示的是分支导纳的实部；Ui和Uj表示的是节点i和节点j的电压值；θij表示的是节点i和节点j之间的相角差。

（2）降低环境方面的影响

相对于传统发电方式来说，风力发电的过程更加的清洁环保，对于环境保护来说是非常有意义的。在进行风电场优化过程中，首先要满足负荷方面的需求以及发电方面的限制，在此基础上要最大程度来降低常规发电方式所造成的污染物排放，可以通过如下公式来表示：

其中ρEli表示的是第i种污染物所具有的权重因子；N0表示的是污染物的总数；GEBli表示的是第i种污染物所具有的排放量。

2.3 对于电压稳定性的改善

在电力系统运行过程中最为重要的问题之一就是确保电压的稳定性。电压的稳定问题属于动态方面的问题，但是可以利用静态的方式来进行稳定运行点与电压崩溃点间电压差值的估算，这样就能够估算出系统稳定运行的电压范围。通过静态方法能够利用对稳定指数的计算进行评估系统当前运行的状态。可通过相应的计算使得稳定参数达到最小，这样就能够提升电压的稳定性。其指数方程可以表达为：

式中LVSI表示的是稳定指标，此指标能够反映出传输线的运行情况，并且能够表示出稳定运行点和电压崩溃极限点之间的距离。如果是LVSI＞1表示的是此系统值不够稳定，若是网络负荷超过了此约束条件就会出现电压崩溃的情况。通过综合考虑网损、污染物排放以及电压稳定系数方面的内容后，最优潮流目标函数就形成了多目标的优化调度。

2.4 约束方面的问题

为了确保在风电场并网之后整个电力系统都能够安全稳定的运行，整个电力系统一定要受到相应的约束，就是指将风力发电控制在总发电容量的相应比例范围内。只有符合此方面的约束条件才能确保在风力发电机组并网之后不会对电力线路电压的波形造成较大的影响。风电的接入比例要符合如下公式：

式中PWTGi表示的是单个风力发电机组所具有的容量；PLD表示的是整个系统所具有的负荷；δ表示的是风电的穿透系数。所以，对于那些具有大型风力发电厂的多目标最优潮流方程来说，需要考虑到各个方面的等式条件以及不等式条件。

3 结束语

风力发电是区别于传统电力发电的全新发电形式，由于其具有环保、可再生等优势得到了全世界广泛的认可。但是由于风电场大多处在偏远地区，接入电网的部位相对比较脆弱，所以就造成了电网支撑能力较差，严重影响了电能的质量。所以通过对风电场并网稳定性以及优化内容研究，能够稳定电力系统的运行，实现更大的经济效益，从而进一步促进我国风电的建设。

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TM614

A

2095-2066（2016）30-0058-02

2016-10-11

苏庆（1970-），男，工程师，硕士，主要从事电力工程规划建设及施工管理工作。