风电并网对电力系统电压稳定性的影响

辛自立

【摘 要】风电作为一种绿色低碳的可再生能源，最近几年时间内发展非常迅速。风电场向电网中提供有功功率的同时，还从电力系统中吸收了相当一部分的无功功率，因此大量的风电机组并网运行造成了电力系统电压质量下降。本文简要介绍了风力发电的现状，分析了风电并网对电力系统电压稳定性影响的原因，并提出了一种抑制电压波动的方法。

【关键词】电力系统；风力发电；电压稳定；风电并网

【Abstract】Wind power as a renewable energy source，this year has been rapid development.Wind farm active power delivered to the power system，but also a large number of reactive power absorbed from the system，which makes large-scale wind power grid run had a profound impact on the power system voltage stability.This article describes the status of wind power，analysis the reason power system voltage stability problems caused by wind power grid-connected，and gives a way that makes voltage fluctuations law.

【Key words】Power systems；Wind power；Voltage stability；Wind power grid

0 引言

环境恶化、资源短缺已经成为人类生存和发展的挑战，而发展包括风能在内的可再生能源則是应对挑战的重要策略[1]。目前，风力发电在全球已经得到了迅速的发展。风能资源作为一种绿色低碳的可再生能源，对改善能源结构、减少碳排放等方面具有很好的帮助作用，是以后清洁能源利用的一个方向。如图1所示，截止到2015年，全球风力发电机组的总装机容量达到432.9GW，年平均增速达到27.8%，风能的利用已经成为全球发展最快的清洁能源利用方式。

当前，由于资源短缺及环境污染等多方面的原因，许多国家都很重视绿色低碳资源和可再生能源的研发和使用，在此大环境下，风力发电技术取得了快速的发展。随着风力发电机组并网数量的不断增加，对电网的稳定运行带来的不利影响也逐渐显现出来。

1 风力发电的发展

1.1 风电在中国的发展

2015年中国大陆地区，有30.56GW容量的风电机组并网运行。中国风力发电市场在历经多年的快速增长后正步入稳健发展期。国家能源局在2020年能源需求预测的基准计划中提到，2020年风电装机目标是2.1亿千瓦，平均每年新增装机预计在42GW，年均复合增速在10.9%。我国风力发电机组装机容量继续保持世界风力发电装机容量第一的地位。

1.2 风电的发展趋势

随着风力发电的规模越来越大，我们对风力发电技术的要求也越来越高。未来风力发电技术的发展趋势是：继续提高风力发电机组的单机容量，提供风能的利用率；继续增大风力发电机组的桨叶尺寸，使其具有更大的捕捉风能的能力；继续提升塔架高度，使其在50米高度捕捉的风能要比30米高处多20%；将变浆距离调节方式迅速取代失速功率调节方式；继续增大海上风力发电技术的研发投入。[2]

2 风电机组的并网运行

风力发电机组的并网运行，是将风力发电机组发出的电送入电网，通过电网中的输电线路把电能输送到千家万户，这就解决了风力发电的不连续、电压和频率不稳定及电能的储存等问题。

2.1 并网运行的方式

风力发电机组并网运行分为恒速恒频并网运行和变速恒频并网运行两种方式。其中恒速恒频并网运行方式目前已普遍采用，具有简单、可靠的优点，但是对风能的利用不充分[3]。目前大部分国内风力发电机组的属于水平轴恒速恒频发电系统，如图2所示。这种类型的风力发电机组的转速随风速的变化的影响小，可看做保持恒定转速下运行。

2.2 风电机组并网运行的特点

我国风能资源往往分布在偏远地区，因此距离电厂及用电负荷中心较远。风力发电与传统能源的发电具有以下特征：风速不是稳定不变的，因此风电机组发出的电能也是随风速波动，电能输出也就会不稳定；风电机组中的发电机形式多样，可以是异步发电机、同步发电机或是双馈感应发电机，因此，无功功率特性复杂，产生电网电压偏差；风能为不连续能源，风电场的有功功率和无功功率将随风速变化，风电场的输出功率波动范围大。[4]

3 对电压稳定性的影响

目前，风力发电机组多采用异步发电机，发出有功功率的同时也从电网中吸收无功功率，其无功功率需求不是恒定不变的，这就对电网的稳定运行带来了不利影响，同时也造成了电网的电压的不稳定。由于风电场所处地区偏远，电网负荷较小，风力发电机组的并网改变了系统中原来的潮流分布，随着风电在电网中的比例增加，对电网电能质量的影响也随之增大。[5]

3.1 电压稳定

电力系统的电压水平是系统无功功率供需平衡情况的具体表现。无功功率的传输不但产生很大的有功损耗而且延传输途径有很大的电压降落。由于无功功率的供需分布关系各异，同一时刻中不同点的电压高低各异，系统中各点的电压调节主要是依靠无功功率的就地供需调节实现。

《电力系统安全稳定导则》中将电压稳定定义为：电力系统受到一定程度的扰动后，系统电压能保持或恢复到容许的范围内，不发生电压崩溃的能力。与此相反，如果扰动后平衡状态下负荷邻近的节点电压低于可接受的极限值，那么就称系统电压崩溃。

3.2 电压偏差原因的分析

电力系统中的负荷以及发电机组的出力随时发生变化，网络结构随着运行方式的改变而发生改变，系统故障等因素都将引起电力系统功率的不平衡。风电并网引起系统无功功率不平衡是系统电压偏差的根本原因。

在110kV及以上电压等级的输电线路中，X远大于R，所以无功功率Q对电压损失的影响远大于有功功率P对电压损失的影响[7]。

风电场的异步电机运行时需要充电网吸收感性无功来建立磁场，所需要感性无功功率对电网来说是一个相当大的负担，会引起较大的功率损耗和电压损耗。[8]

4 抑制电压波动的方法

用于改善和提高電能质量的大部分无功补偿装置都具有抑制电压波动和闪变的功能，如静止同步补偿器（STATCOM）、静止无功补偿器 （SVC）、统一潮流控制器（UPFC）和有源电力滤波器等。本文主要分析了静止无功补偿器 （SVC）对风电并网之后电力系统电压波动的抑制方法。[9]

4.1 静止无功补偿器（SVC）

静止无功补偿器（SVC）将电力电子相关技术引入到传统的静止并联无功补偿装置中，应用电子模拟器件和电子快速计算器件DSP具有对电压、电流、阻抗和相位快速逻辑运算能力，可以快速跟踪和快速调整控制角来控制晶闸管电流，最终控制SVC的综合无功功率输出。

VC的动态调节响应时间非常迅速，可控制在10ms以内，调节范围广，可在0-100%容量范围内进行调节，调节精度高，调节步长可控制在1%以内，可以实现快速补偿和连续平滑调节，提供动态电压支撑，改善系统的运行性能。

理论上的SVC能够使所补偿节点得电压接近一个固定值，提高风力发电机组接入电网后的电压质量，增加电力系统稳定性。

4.2 SVC接入系统方式

在风电场升压站的低压侧母线上安装SVC作为无功补偿装置，补偿风电机组的无功需求，从而风力发电机组并网运行时引起的电压波动降低。

将SVC装置接入风电场升压站低压侧母线，如 图4所示。其工作原理为：电压互感器TV检测到风电场升压站高压侧母线电压，与参考电压比较，若电压偏差超过允许值，则得到控制系统的输入信号，根据电压偏差信号控制SVC调整无功补偿量，从而改变风电场升压站低压侧电压，进一步改变风电场升压站高压侧电压，使其与参考电压之间的差值最小。

5 结语

随着世界范围内的能源危机和环境污染问题的日益严峻，利用风能发电已经成为当前绿色低碳能源中技术最成熟，开发利用价值最大的发电方式。随着利用风能的不断发展，单台风力发电机组容量的提高，装机容量较大的风电场接入地区电网对电网的影响也逐渐扩大，研究大规模风电场对电网的影响，特别是对电压稳定性的影响是目前迫切需要解决的问题。在风电场升压站低压侧母线上安装SVC作为无功补偿装置，补偿风电机组的无功需求，减小风电场并网运行时引起的电压波动。

【参考文献】

[1]廖明夫，R.Gasch，J.Twele.风力发电技术[M].西安：西北工业大学出版社，2009.

[2]李俊峰.风力12在中国[M].北京：化学工业出版社，2005.

[3]宋海辉.风力发电技术及工程[M].北京：中国水利水电出版社，2009.

[4]朱雪凌，刘林飞，周伦燕.风力发电并网对电网的影响[J].郑州：华北水利水电学院学报，2010，31（6）.

[5]姜代鹏.并网风电场对电力系统电压稳定性影响的研究[D].镇江：江苏大学，2010.

[6]程浩忠，吴浩.电力系统无功与电压稳定性[M].北京：中国电力出版社，2004.

[7]肖湘宁.电能质量分析与控制[M].北京：中国电力出版社，2004.

[8]张彦凯.风力发电机组并网的电压稳定性分析研究[D].兰州：兰州理工大学，2011.

[9]马昕霞，宋明中，李永光.风力发电并网技术及其对电能质量的影响[J].上海：上海电力学院学报，2006，22（3）.

[责任编辑：田吉捷]