并网风电机组对电网稳定性的影响

陈凯阳

（佛山供电局，广东 佛山 510600）

0 引 言

风力发电作为可再生能源的主要利用方式，近年来得到了快速发展。过去10年，世界范围内风力发电年均增长28%。中国不断加大对风电场的投资建设，到2020年力争使风力装机容量达到30 GW[1]。随着大型风电场在电网中并网比例的增多，风电场给电网的安全运行带来了巨大挑战。

目前，电网运行通常采用自动发电控制（AGC）进行管理。经验表明，在风电穿透率高的电网中，若仍采用以往的管理方式，将影响电网的安全与经济运行。由于风电场具有一定的特殊性，与常规调峰调频电厂相比，能做出的有功调整十分有限。风电场只能在发电功率小于风电机组最大发电容量的情况下才能参与调峰调频，这显然违反了最优发电原则。

此外，风电场的并入导致电网的转动惯量降低，使系统的频率特性恶化。在电网正常运行中，系统的转动惯量越大，频率调节特性越好。当电网频率大幅度下降时，系统惯量对频率稳定起决定作用，惯量越低系统频率下降变快[2]。在严重频率事故中，系统惯量的下降不利于维持系统频率的稳定。由于风电机组缺乏针对电网频率变化的有功调节，使得风电场并网后电网的稳定性下降。

1 风力发电运行的特点

随着大型风电场接入电网实际运行，并入电网的风电容量急剧增加，大型风电场已然成为电力系统电源的重要组成部分。风力发电与常规能源发电有所不同，现代大型风电场发电具有以下几方面特点[3]：（1）无污染，可再生，投产快，运行管理自动化程度高；（2）大型风电场多建于风能充足的“三北”地区，远离沿海负荷中心，具有大规模、集中化及远距离的特点；（3）风电出力无规律且大小变化快，具有很强的随机性与间歇性，波动幅度大，波动频率无规律，部分时段与电网负荷呈现明显的反调节特性；（4）异步风力发电机组的大量使用，会导致实际运行过程中风电机组发出的有功功率大量吸收电网的无功功率，造成机端电压波动大；（5）风电功率的调节能力较差，若不采用弃风运行方式，只能进行有限的功率调节，而由于机组的运行特性和风能的不确定性，风力发电不具备常规火电机组的功率调节能力。

2 风电机组的概念

并网运行的风电机组可分为恒速恒频风力发电机组和变速恒频风力发电机组两大类。由于恒速恒频风力发电机组要求风力转速恒定，使得转速不能跟随风速变化而变化，造成风能利用系数偏低。但是，该类机组出现较早且控制技术较成熟，在风电发展初期进行了大量的研究和投产使用。随着现代大容量电力电子技术的成熟，变速恒频风电机组逐渐取代了恒速恒频风电机组，成为风力发电的主流。

变速恒频发电机组依照风速的变动而改变转速，关键技术在于变频装置的使用。目前，大型风电场使用的变速恒频机组主要有两种。一种是装有多级齿轮箱的双馈感应风力发电机组，其叶片采用变浆距调节，发电机定子直接馈入电网，转子则通过变频器与电网连接，实现了功率的双向流动。通过变频器实现有功和无功功率的解耦控制，使得这类变速风电机组能够实现最大风能捕获，并减少部分机械部件的应力。另一种是多极永磁直驱式风力发电机组，省去了齿轮箱，减少了二次传动导致的效率降低及故障问题，但变频器的控制较复杂。对比恒速恒频机组，变速恒频发电系统能提高风能利用效率，应用灵活，能提高系统的稳定性。

风电机组对电网的注入功率是由风速决定的。如何解决风电产生的电网波动，是学术界的重要研究课题。随着并网的风电容量越来越大，功率波动带来的问题日益明显，其中风力发电对系统电压的影响问题尤为突出。

3 风电对电力系统电压稳定性的影响

电压稳定性是指电力系统在正常运行中受到扰动，维持系统所有母线电压保持允许范围内的能力。当电力系统节点负荷增加或改变系统条件时，电压可能会连续或失控地衰减，导致系统电压不稳定。根本原因在于无法满足电力系统无功功率要求，通常是因负荷变化或是联络线传输功率过大造成无功损耗过大而引起的。

从各国风电场运行现状看，电压稳定性问题仍然存在，这是由风电场的无功特性决定的。在高出力阶段，并网风电场风电机组由本来的受端系统转为送端系统，对电网输出功率。风电场引起的电压稳定性降低、电压崩溃及常规电力系统失稳的机理一致[4]。

风电并网对电压稳定性的影响是多方面的。恒速异步机组在运行中同时进行有功与无功的出力，无功需求量较多，导致风电在并入电网时电压不稳定。此外，并网地区的短路容量、输出线路的R/X比以及风电场采取的无功补偿方式也会影响电压的稳定。风电场的主力机型仍是恒速风电机组。因无功需求量较高所引发的电压不稳定问题尤为突出，所以恒速机组并网电压稳定问题是一项值得研究的课题。具体地，可以考虑发挥SVC、STATCOM等电气设备的无功补偿优势，增强电网电压的暂态稳定性。

双馈风力发电机组相比于恒速风电机组，具有风能利用最大化、无功需求少等优点。双馈风力发电机组的并网电压不稳导致电网故障，会使风力机组大面积脱网运行，致使电网电压崩溃[5]。因此，要提高故障期间风力风电机组的低电压穿越能力，需关注以下两个方面：（1）优化控制策略，提高风电机组对转子励磁磁链的同步跟踪准确性，保证机组在电网发生短路故障时不脱网运行；（2）在电网发生故障时，适时启用Crowbar电路，减少风电机组对电网无功功率的吸收，同时利用STATCOM装置进行无功补偿，避免电网电压进一步降低。

4 风电对电力系统频率稳定性的影响

电网频率的稳定与有功功率的平衡紧密相连。在电网有功功率与负荷不平衡时，如短路、断线故障及解列机组等问题，均会导致系统频率出现波动。由于风电发电功率难以预测，风电机组发电量与负荷量间的平衡需要其他发电机组来调节，如传统的火电、水电。随着风电在电网中的比例逐渐增大，风电系统对电网频率的影响不容忽视。

当电网因功率不平衡引起电网频率下降时，系统惯量大小对系统频率的稳定性将起到关键作用。惯量降低会导致系统频率进一步降低，扩大频率事故的不良影响范围。当电网频率不正常时，恒速风电机组与双馈风电机组的频率响应特性截然不同。恒速异步机组由于系统频率与转子的转速耦合程度较高，系统频率降低，对应的转子转速也随之降低，部分动能被释放，提高了机组的惯量响应能力，有利于电网频率故障的恢复。双馈风电机组因其转速与电网频率能实现完全解耦，所以当电网频率故障时机组难以提供惯量，需要通过增加功率裕度、增设储能装置及混合型风电场等手段，提高风电并网频率的稳定性[6]。

5 其他相关稳定性问题

大规模风电并网不仅影响系统的电压稳定性和频率稳定性，还在原有系统中注入了风电功率，改变了系统原有的潮流分布。因此，风电机组代替部分同步机组改变了系统惯量，传统的同步机组功角稳定性分析也因此发生变化。研究风电并网对电网暂态稳定性的影响，针对不同的机组，利用DigSilent/Powerfactory建立风电场的动态模型并进行对比分析。结果表明，恒速异步风电机组的稳定性较差，双馈风电机组和直驱式交流永磁利于电网稳定。此外，将小干扰稳定和储能技术应用于风电并网，改善稳定性是目前国内外的研究热点。建立双馈风电机组的聚合风电场模型，在不同风速下对机组进行小信号稳定性的动态分析，实现对主振荡模式变化的跟踪。研究超导储能、超级电容及传统储能装置对风电机组低电压穿越极限与功率稳定的影响，结果表明，储能系统能有效改善风电场输出的可控性，提升风电并网的稳定性。

6 结 论

风电场接入对电网的稳定性影响主要包括电压失稳和频率波动两个方面，但二者产生机理有所不同。电压失稳主要是由于风电机组并网运行过程中吸收大量的无功功率，导致系统无功缺额，进而造成电压的不稳定，使得机组脱网运行。频率失恒主要是因为风电场并网使系统惯量减少，在风电出力波动的共同作用下，系统频率快速降落，最终导致系统崩溃。为系统装设SVC、STATCOM等无功补偿装置，能对系统提供无功支撑，改善风电系统电压稳定性。此外，需加大储能系统的研究力度，以期减少系统频率波动，减少风电场对系统的负面影响。