风电并网对电网电压的影响及对策

邹松佐

摘 要：当前，伴随着风电产业的快速发展，在政府和电力企业的共同努力下，风力发电取得了显著的进展。然而，由于风力发电具有不确定性和不可控性，大规模风电并网将会对电网的电能质量和电力系统的安全性等很多方面造成负面影响，其中，电网电压稳定性的问题是最棘手和最困难的问题之一。因此，研究风电并网对电网电压影响对于大规模风电并网具有很重要的意义。基于此，本文就风电并网对电网电压的影响及对策进行简要的分析。

关键词：风电并网；电网电压；影响；对策

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.21.195

1 风电并网对电网电压稳定性的影响

1.1 不同风机的影响

当前的风力涡轮机大多数都是恒定速度和频率的感应发电机（IG）或者变速恒频的双馈异步发电机（DFIG）。因为不同的风力涡轮机有不同的无功特性，所以对系统电压的稳定性也不同。

1.2 不同的控制模型的影响

对于双馈式异步风电机组有两个控制模型，一个是恒功率因数控制模型，另外一个是恒压控制模型。在恒功率因数控制模型中，双馈式异步风电机组的功率因数通常被控制为1，那是因为双馈式异步风电机组不与系统交换无功功率。相对于恒功率因数的控制模型，因为恒压控制模型的目标是发电机的端电压，所以在恒压控制模型中双馈式异步风电机组输出功率的改变将对系统造成更小的电压波动。

1.3 不同的FACTS的影响

在柔性交流输电系统的大家庭中，静止同步补偿器（STATCOM）和静止无功补偿器（SVC）是FACTS中最流行的设备。然而，与SVC比较而言，STATCOM有更快的响应速度，更好的稳定性，更宽的操作范围和更多的连续无功输出等优点。此外，对于稳态无功供应，STATCOM与SVC相比较而言支持更高的负载。

2 改善风电并网后电网电压稳定性的措施

2.1 在风电送出线路上安装串联补偿设备

影响电压稳定性的主要因素包括输电线路上串联的感性电抗。为了提高电网电压的稳定性，可以减少输电网络中各元件的电抗，从而增加了故障后的传输功率。为了达成上述目标，最简单的方法就是减少输电线路的电抗，额定电压的大小、线路结构以及并行回路数决定着这个电抗的大小。在风电送出线路上安装串联电容器补偿装置是降低降低输电线路电抗的一种重要方法。

2.2 可控高压电抗器

风电出力的随机性对电网电压的稳定性产生了很大的影响，不能够实时调节500kV和750kV等级的高压电抗器的大小，只能补偿高压输电线路上的充电功率。在风电装机容量很大的地方，因为风电场的电压控制能力有限，所以相邻500kV母线和750kV母线电压会降低，这个时候变压器低压侧的电抗器基本控制不了高压侧母线电压的大小，如果高压侧电抗器此时实时可调，这将大大地提高电网电压的稳定性。

2.3 在风电场安装SVC或STATCOM

电网电压的大小会随着风电场出力变化而变化，一般情况下，风电场位于电网的末端，若在风电厂安装电容器组用于无功补偿，那么在风电大出力时，投切电容器时会造成母线电压波动。

为了加强动态无功补偿和改善电网末端电压稳定性，STATCOM和SVC被引入到大规模的输电网中。SVC从本质上来讲仍然是并联的电容器组和电抗器组，但是基于晶闸管的控制能够提高其动态响应的速度，从而在一定程度上满足故障条件下的动态无功支持要求；由于其吸收或发出的无功功率仍然是其端电压的二次方成正比，当其无功功率达到自身无功极限值时，就会表现出与电抗器组或电容器组相同的无功电压特性，低电压水平下无法提供其额定的无功容量。

一般把STATCOM装置看成一个电压大小可控制的电压源，当电压源提供电压的最大值大于交流系统接入点的电压时，STATCOM吸收的无功功率小于0，这个时候STATCOM相当于一个电容；如果电压源提供电压的最大值小于交流系统接入点的电压，STATCOM吸收的无功功率大于0，这个时候STATCOM相当于电感。电压差与两点之间阻抗的比值决定电流的大小，可以实时控制STATCOM装置产生的电压幅值大小，所以可以实时控制吸收的无功功率大小。

2.4 桨距角控制

桨距角控制是通过控制风力机上桨叶的角度大小来改变桨叶相对于风速的攻角，最后风力机从风中捕获的风能也随着发生了变化。桨距角控制有着两种不同的控制策略：一种是风电机组的功率输出优化。另一种是风电机组的功率输出限制。

风电机组的桨距角控制可以分为以下两种：

（1）桨距角控制，随着桨距角β增大，风电机组机械功率PM降低。（2）主动失速控制，随着桨距角β增大，风电机组机械功率PM降低。

因为桨距角控制可以在较短的时间内调节风電机机械功率，所以桨距角控制能够提高电网电压的稳定性。

2.5 采用双馈感应发电机

与传统的异步发电机相比，双馈感应发电机由于采用了变频器控制，具有以下一些优点：

（1）为发电机提供励磁。（2）具有控制无功与电压的能力。（3）能够实现对功率的解耦控制。

双馈感应发电机通过改变转子励磁电流的频率来改变发电机转子转速，当电网侧发生故障时，可以降低转子励磁电流频率来使发电机保持在同步转速。所以当发生故障时，电磁功率不会发生剧烈的振荡。

2.6 切除风电机组

当发生严重的输电系统故障时，有选择性地切除一些风电机组能够有效地解决问题。在地方切除风电机组，能够减少在已达到输电极限的线路上的传输功率。

目前，对于传统电源，采用切机方案已是常见措施。因为风电机组一般在电网末端，所以快速切除并不会引发太大的危险。

3 连接SVC与STATCOM的母线电压变化曲线仿真

建立3台0.75MW和2台0.6MW的风电机组，风电机组输出的电压大小是690V，变压器将电压变成了10kV，在经过升压变压器电压变为了110kV，最后并入电网。风电场的接线图如下所示：

在matlab上分别建立SVC控制器模型和STATCOM控制器模型，得出风电并网后10kV母线上的电压、有功、无功的曲线：

对比图明显发现，安装STATCOM比安装SVC后母线电压恢复得更快，即STATCOM的补偿效果好于SVC。

4 结语

风能并网是一个解决能源问题的重要措施，风电并网遇到的最大的问题是电网电压稳定性的问题。只有提供高质量、稳定的电能，人类才能更好地发展工业化。

参考文献：

[1]王虹，蒋福佑.中国风电并网现状、问题及管理策略研究[J].经济研究参考，2013（51）.

[2]田芳.风电场并网对电网电压的影响[J].河南科技，2013（02）：80.endprint