风电/光伏发电接入电网的电压稳定及控制研究

中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司 孙浩然

国家电网在我国生产和建设中承担着不可或缺的责任，不只是国民经济稳定运行的基石，也同群众的日常生活有着密不可分的联系。我国每年都会在电力建设方面投放大量的资金，为保证国家电网电压的平稳运行。同时，我国相关单位在近年来的发展工作中，也对其所涉及的技术方法和管理方法都进行了更新改造，并以此来保障国家电网的稳定运行。为减少对不可再生资源的开采和利用，增加电网系统运行的安全性，近年来我国进一步增加了对风能利用和光伏发电的关注，并且成立了大量的技术队伍探讨其运行机理，并由此来寻找更加合理的把控举措，为我国电网系统稳定运行，电力的稳定输送创造了有利条件。

1 风电/光伏发电接入电网的电压稳定分析

稳定电压电流运行稳定分析能力从广义上来看，指能源控制系统电网在出现电压异常之后，国家电网在不会出现稳态电压系统崩溃的条件情形下，保持并及时恢复电压，使其回到正常运作状态的处理能力。目前，传统民用电力中对电压稳定的理论分析，主要有电压灵敏度分析法和V/PV电压变化曲线解析法。

随着我国风电和太阳能的不断深入开发，风能/光伏的发电项目将被视为发展我国新能源的关键突破口。在对现代传统光伏电网线路电压稳定性能的分析基础上，我国相关研究人员就太阳、风电与光伏风能机组并网的网络电压波稳定性能方面，开展了较深入性的研究探讨[1]。华北大规模风能电站和光伏共混发电站，由于使用离散式的充电管理枢纽方式较远，汇聚在我国西北和华北等地区，采取弱供电连接方式和强启动系统的新型远传充电方法，为大规模风能发电系统和光伏混合发电系统，增加了较大的供电不确定性，也严重影响了系统的负载电压性和稳定性。

目前，对含风电和光伏电站电力系统电压稳定性分析方式，多使用确定性分析方法，应用特性结构分析法，研究了风电场并网后对电网电压平衡稳定性的影响意义，应用PV曲线分析研究了风电场连接体系的电压变化规律、静电平衡范围和负荷裕度，并利用分叉理论研究，对光伏电站连接体系的电压平衡稳定性作出了理论研究剖析[2]。但是，风电场和光伏电站出力有较大的随机性。因此，一些想换学者开始研究能够深刻全面反映随机因子对系统静态电压稳定性影响的概率分析方式，一般有蒙特卡洛模拟法和解析法。

利用随机响应面分析法和连续潮流法，构建了风电场接入网络的静态电压安全性概率评价模式，并利用连续潮流方法得到了负荷裕度的概率分布情况。又利用点估计方法和柯尼-费歇尔级数，对含分布式电源的配电网实现了静态电压安全稳定性概率评价。由于同一区域的新能源技术发电存在一定的关联性，如果忽略相关性的电压稳定性概率评价模型，则会和实际状况背道而驰，评价结果也可能存在相应偏差。因此，应用正交变换方法研究风电场间的出力关系，并通过随机响应面法和非线性规划模型计算负荷裕度的概率分布数值[3]。

在我国风能电力机组的开发初期，因为部分大中型风能电力机组在正常工作时需要一直耗费巨大的无功功率，风电站相应的设备一直处于不满足实际需求的状态，这致使主流电力系统的电压运行稳定性出现大幅度下降。这一情形下，风电驱动系统基本可把其当成一个有功接收功率和间接吸收无功功率的驱动接收端风电系统，故而目前困扰着我国风能系统，在接入其他供电系统时的电压驱动稳定性能的最重要制约问题之一，就是其对电压的直接承载牵引还存在缺陷。

2 风电/光伏发电接入电网的电压控制策略

2.1 风电接入电网的电压控制

由于风电机组大多数情形下都具备动态无功补偿功能，但是要想发挥这一功能的效用，则需要有诸多无功设备的支持，要将这些设备依照详细情况进行安置，如此一来，才能有效实现电压协调控制的目标，但是其面临着一个问题，那便是电压滞后控制情况出现的频次会偏高。为此，在接下来的阐述中，将借助分层预测模型展开相关阐述，以此来实现对无功电压的管理把控，在预测电压以及无功变化的基础上，高效达到自适应调节的目的。

2.1.1 控制架构

首先明确分层架构，这样可以有效降低时段预测过程中出现的偏差。如图1所示，是风电入网电压控制架构，其中涵盖多个层级。依照上一层级控制中心下放的命令UrefPCC，以UPCC为参照，在自适应调节层级中设定有功预测功能，然后还要输出Ppre，以此来完成自适应调节目标。无功协调分配层将对母线实际电压UCB、风电输出最大有功功率Pmax等参数进行汇集，输出有功参考指令Qrefwi和无功参考指令Qrefwi。通过跟踪控制并网点电压，能够输出静态无功补偿Qs，最终得到实际的有功输出P和无功输出Q的数值。

图1 风电入网电压分层预测控制架构

2.1.2 策略实现

风电、光伏等发电计划运行体系中电压模型的计算方面属非线性规划的一类，关注这方面内容的深入研究，对于建立科学合理的电力控制措施具有很重要的帮助。在一般情况下，相关工作团队都会选择二类方法对模型难题加以解决，一类是常规的算法，另一类则是高度人工智能的计算方法。尽管第一类算法的范围相当宽泛，对线性规划内容和非线性规划内容均有涵盖，同时也可以对具体的模型难题做出适当的处理。但是，由于传统求解方法的计算精确度较低，同时在计算过程中所耗费的时间也相当漫长，从而对一些传统电力模型的计算内容也具有一定的约束。但智能算法却可以有效地避免上述现象，并且有着很明显的精准特性与高效率的优势，是近年来风能、光伏发电电网控制系统中，电压模型求解问题时常使用的方法。所以重视对智能算法的深入研究，可以促进电压控制策略的制定。

电压控制操作中，需要明确一点，风电机组输出电压水平若偏低，则电阻以及电抗比会偏大。一个节点电流，若其数值水平并不为零，在这一情形下，可以将节点电压以及其功率视为依照根据，由此获得有功和无功电压灵敏度系数。由此看来，在并网节点上，因为功率变化而导致的机组与系统电压偏差和有功、无功之间的关联可以从下文公式中了解。

因此，在并网节点，由功率波动引发的机组和系统的电压偏差ΔU与有功和无功的关系满足式。

式中：UPCC代表的含义时并网点电压的实际数值水平，ΔP代表的是有功变化程度，ΔQ代表的是无功变化程度。

如图2所示，在追踪最大功率曲线时，需要明确t时刻这一节点是否处于周期T中，若不在这一周期内，则需要再次下发新指令，从而实现对下一周期的预测把控，若处于这一周期内，则需要在t+1时刻时执行指令。参考指令若并未处于调节区域内，评估机组无功调节不理想，因而应确保调节后电压和节点指令偏差数值水平处于最小状态，继而在预测有功达到最大值时进行输出功率调整。

图2 风电入网电压分层预测自适应调节

处于预测有功最大值位置的电压偏差值ΔUpre可以利用公式（2）计算。

式中：minF1代表的含义是最小偏差目标函数。

在k时刻，根据并网节点电压和参考指令偏差，能够确定母线电压和参考电压偏差，如公式（3）所示。

式中：UCB代表的是母线实际电压；ΔP（k）和ΔQ（k）分别为k时刻的有功和无功变化。

对电压的分层模拟研究，也对制定风能、光伏发电接入电压系统的控制策略,具有至关重要的意义。电压分层模型的管理把控在一定意义上和调控设备的特点存在联系，所以专业研发队伍在针对调控设备的特点研究电压分层的同时，针对风能和光伏发电预测数据的落实提出恰当的分级控制办法。通常的电网控制系统电压分级可以从两个角度进行考察。

第一层面研究的重点为电容器组与变压器等。由于电网处于工作状态时，上述提及的这两类设备作业时间都会较长，并且工作人员无法对其进行持续性的调节。因而，在有关办法制定时，电容器以及变压器电网设备都会被视为基准控制量，从而为工作人员提供参照标准。此外，控制团队会通过有关功率信息的展示来操控电压偏差较小的对象，以此保证电网的工作状态保持良好。

第二层次分析的研究对象则以风电场、光伏电站以及动态调整装置为主。由于电网控制系统在日常运营的过程中，这三个组成部分都会更多地反映出微调设备的功能，从而可以对无功电压系统发挥相应的调节功能。在传输电压的过程中，三者间的平稳运转将会有效提升其平衡稳定程度，同时还可以对动态无功调整装置做出适当的限制，从而提高其无功出力的效能与品质。而一旦相关工作人员在将某些更优秀的控制举措与此结合时，则不但将会为分层模型的监控工作创造了有利条件，而且还可提高风能、光伏发电电网的运营管理水平。

2.2 调节设备的控制

要想有效提升风能、光伏发电接入电网稳定运行能力，必须要求专业项目队伍能够注重对控制装置的管理。无功电压控制装置是输配电设备中关键的装置，其是保障输配电安全运行的基础。无功电压调控装置是由许多元器件所构成的大功率控制装置，当中包含了无功补偿器、调压变压器和电容器组等。这些元器件并不仅仅是电压控制装置中的主要部分，而且还和整个输配电系统的安全工作有着密切的关系。

在风电电网系统中的电压调节领域，有关工程技术队伍必须重视对双馈风力发电机的运用，由于双馈风力发电机能够按照相关调速装置的指示，给电网系统中供给适当的无功功率，不但能够合理地适应供电体系中电压需求，还能够在一定程度上改善供电系统的运营效果，从而便于有效电压控制策略的实现。在光伏开发领域，相关队伍对于并网逆变器的实际利用情况较为关注，由于该设备在一定程度上关系着无功出力效率、质量和数量，所以若其在电网工作中发生异常故障，则除了会干扰到光伏发电系统工作安全系数之外，还会致使系统电压控制成效大大下降，因而需要就这一问题展开深度探析。

但是，由于风能与光伏发电装置在实际运行中，对所需要到的并联电容器组没有进行良好的控制。因此，虽然电容器组可以在一定程度上减少经济成本，并可以为整个电网的养护创造有利环境，可是一旦处理不当便会导致电容器组无法呈现出理想的补偿状态，并且也会降低并联电容器的正常运行。而且，当并联电容器的分组量较少时，补偿容量梯度也将随之增大，会对整个供电系统产生很大的干扰；当并联电容器的分组量过多时，也将增加经济损耗。所以，相关项目的技术人员必须针对现场状况，对电容器设计做出相应的调整，特别是在风能或光伏发电出力变化明显偏大的地方，更应对电容器设计方案加以适当调整。而采用这样的方法，不但可以合理地确定了电网对电压的调节要求，而且还可以对无功补偿装置的连续调节发挥推动作用。

3 总结

综上所述，要想使风能和光伏发电系统发挥出真正的利用价值，从而实现电网电压平衡稳定，不仅仅需要全方位的理解和认识风能、光伏发电和电网系统之间的相互关联关系，还必须建立科学的控制措施，并对其涉及的数据、模型和信号等方面做出更深层次的剖析和探究。如此，可以为管理策略的建立，以及供电体系的稳定运营提供可借鉴的基础和保证。

但是，有些地方在进行风能、光伏发电电网运营的时候，还是会因为有关技术措施使用不到位，或是环境条件的因素影响而产生问题，进而干扰到电网中电压的稳定性能。所以，各地区在进行风电、光伏发电电网运作之前，必须事先对地区的环境特征和工程团队技术情况进行全面剖析，以选取最合理的方法开展风电、光伏发电电网的建设。此外，有关工程团队，则需要进一步增强对清洁能源的认识与理解，以提升相关科技的运用水平，如此才可保障电网电压平稳运营。