許成哲，辛業(yè)春

（1.長春供電局，吉林長春130031；2.東北電力大學電氣工程學院，吉林吉林132012）

隨著能源問題和環(huán)境問題的日益凸現(xiàn)，世界各國都重新調(diào)整各自的能源策略，大力開發(fā)新能源。風能是一種取之不盡、用之不竭的可再生能源，風力發(fā)電因為技術(shù)比較成熟，可形成規(guī)模開發(fā)，近年來得到迅速發(fā)展。

目前，我國風電發(fā)展進入一個快速發(fā)展時期，2006年是我國實施《可再生能源法》的第一年，風電建設(shè)步伐明顯加快，到2006年底，裝機總?cè)萘窟_到約230萬kW[1]。由于風力發(fā)電機組常采用不同于傳統(tǒng)同步發(fā)電機組的發(fā)電技術(shù)，其穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)特性都與傳統(tǒng)同步發(fā)電機組不同；大規(guī)模風電并網(wǎng)后，電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性、暫態(tài)穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性都會發(fā)生變化[2]。

不同類型的風電機組，由于其結(jié)構(gòu)不同，對電網(wǎng)的影響也不一樣。恒速恒頻風電機組主要采用風力機驅(qū)動異步感應電機發(fā)電，然后直接接入電網(wǎng)；由于異步感應電機在發(fā)出有功功率的同時，需要從電網(wǎng)吸收無功功率，因此，其電壓穩(wěn)定性較低。變速恒頻風電機組由于可實現(xiàn)最大風能捕獲、減少風輪機組機械應力等優(yōu)點，成為主要的發(fā)展方向；其中基于雙饋感應電機的風電機組由于降低了電力電子裝置的容量，近年來，得到了廣泛的發(fā)展；但由于變速恒頻風電機組采用了電力電子裝置，使得電磁功率與機械功率解耦，無法向電網(wǎng)提供慣性響應，對電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

本文就大規(guī)模風電場接入電網(wǎng)對電網(wǎng)穩(wěn)定性帶來的問題進行研究，力圖反映風電場對電網(wǎng)的影響和解決這些不利影響的最新方法。

1 當前風電機組技術(shù)

一般地，風力發(fā)電機組可以根據(jù)其速度控制能力和所采取的功率控制類型來進行分類；按照速度控制，主要有以下4種不同類型的風電機組，如圖1所示。

圖1 典型風電機組結(jié)構(gòu)

其中，基于鼠籠式異步感應發(fā)電機的恒速風電機組[3]，因為其結(jié)構(gòu)簡單、效率高和需要很少的維護，一直以來廣泛應用。但是，異步感應電機在發(fā)出有功功率的同時吸收無功功率，需要加裝無功補償；另外，感應電機啟動時電流涌流較大，需要安裝軟啟動裝置?；陔p饋感應發(fā)電機的變速風電機組[4]，其優(yōu)點是：淤風力機可以最大限度地捕獲風能；于減少了風電機組機械部件上的應力；盂較寬的轉(zhuǎn)速運行范圍，以適應因風速變化引起的風力機轉(zhuǎn)速變化；榆實現(xiàn)了有功功率和無功功率解耦控制，采用靈活的控制策略可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有功、無功功率；虞只需要25%～30%的發(fā)電機功率通過電力電子裝置轉(zhuǎn)化接入電網(wǎng)，得到越來越多的推廣。

以上2類風電機組將是目前和將來主要應用的風力發(fā)電機組類型，下面主要針對這2類風電機組對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響進行分析。

2 電壓穩(wěn)定性

2.1 基于異步感應電機風電場靜態(tài)電壓穩(wěn)定性

電網(wǎng)運行必須考慮大片區(qū)域風電機組切機帶來的電壓穩(wěn)定問題。常規(guī)的大容量發(fā)電廠退出運行時系統(tǒng)由于突然失去大量無功注入可能存在電壓崩潰的危險。如果被切的風電場機組屬于感應發(fā)電機類型，其切機后果恰恰相反，可能造成相當數(shù)量的無功富余。

對于異步感應電機風電機組的風電場，當其輸出有功功率增長時，其吸收的無功功率也增長，同時由于線路送出有功功率的增長還會導致線路電抗消耗的無功增長，且與線路的電流平方成正比，因此，包括風電場及其等值線路在內(nèi)的總無功負荷在風電出力較大時其數(shù)量也是很可觀的。當機端并聯(lián)電容器提供的無功功率與線路充電無功功率之和大于風電場等值線路消耗的無功時，風電場機端電壓水平能夠得到改善；當風電場出力增加帶來風電場消耗的無功及線路消耗的無功大于機端并聯(lián)電容器提供的無功功率與線路充電無功功率時，風電場機端電壓水平降低。由于風電場無功源都是并聯(lián)電容器性質(zhì)的無功源，輸出無功與電壓平方成正比，因此，電壓降低時其提供的無功也減少，不能夠提供足夠的無功支持，其電壓穩(wěn)定水平降低。

2.2 基于雙饋感應電機風電場靜態(tài)電壓穩(wěn)定性

由于雙饋感應電機能夠?qū)崿F(xiàn)有功、無功的解耦控制[5-8]，因此基于雙饋感應電機的變速風電場的無功特性取決于雙饋風電機組的控制。一般而言，雙饋風電機組構(gòu)成的風電場能夠控制其風電場出口與電網(wǎng)之間不交換無功功率，即整個風電場不發(fā)出也不消耗無功；因此，風電場與等值線路中的無功損耗是此系統(tǒng)的無功負荷，相比于異步感應電機風電場，由于其無功消耗變小，其電壓穩(wěn)定性要明顯好于異步感應電機風電場。

3 頻率穩(wěn)定性

整個電力系統(tǒng)在一個同步的頻率下運行[8]，對于電力系統(tǒng)來說，產(chǎn)生的電能和消耗的電能必須平衡，頻率反映了整個系統(tǒng)中能量的產(chǎn)生和消耗是否平衡。如果電力系統(tǒng)中發(fā)出的電能過剩，同步發(fā)電機將加速，系統(tǒng)頻率增加；反之，發(fā)電機將減速，系統(tǒng)頻率下降。

在電網(wǎng)發(fā)生頻率大幅度降低事故時，系統(tǒng)的慣量對于頻率降低的變化率起到了決定性作用——慣量越低，系統(tǒng)頻率降低得越快。當電網(wǎng)中增加同步發(fā)電機時，電網(wǎng)的慣性自然增加；然而，由于電氣特性的不同，風力發(fā)電機組無法表現(xiàn)出這種自然特性；對于嚴重的頻率事故，任何慣量響應的降低都是危險的。隨著風電裝機容量在系統(tǒng)中所占比重的不斷增加，風電并網(wǎng)后對電力系統(tǒng)的頻率安全性和頻率穩(wěn)定性的影響是值得研究的。

在確定增長的風力發(fā)電對電力系統(tǒng)的影響時，風電機組慣量響應是一個關(guān)鍵因素。大規(guī)模的風力發(fā)電機組接入電網(wǎng)時，風力發(fā)電機組會替代系統(tǒng)中的一部分常規(guī)發(fā)電機組；如果風電機組無法表現(xiàn)出其慣量的作用，整個系統(tǒng)的有效慣量會降低，當風電在電網(wǎng)中所占比例增大時對電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的不利影響也會不斷增大。

不同類型的風力發(fā)電機組，由于結(jié)構(gòu)的不同，接入電網(wǎng)后對電網(wǎng)頻率穩(wěn)定產(chǎn)生的影響也不盡相同。恒速風力發(fā)電機組采用感應發(fā)電機將風輪機轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)化為電能，此類型的發(fā)電機組頻率控制和電壓調(diào)節(jié)比較困難；然而，由于轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)頻率之間通過變速箱的耦合關(guān)系，當系統(tǒng)頻率下降時，能夠向電網(wǎng)提供慣性響應，響應的大小由儲存在轉(zhuǎn)子上能量和頻率的變化率來決定。變速風力發(fā)電機組中，直驅(qū)式同步發(fā)電機風電機組將風能轉(zhuǎn)化為電能，然后通過電力電子裝置并入電網(wǎng)；基于雙饋感應發(fā)電機（DFIG）風電機組，其定子側(cè)直接接入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子側(cè)通過電力電子裝置接入電網(wǎng)。大量電力電子裝置的使用，使得變速風電機組的機械功率和電磁功率解耦，當電網(wǎng)頻率發(fā)生變化時無法向系統(tǒng)提供任何慣性響應。

然而與傳統(tǒng)發(fā)電機相似，風輪機也有巨大的動力學能量存儲在旋轉(zhuǎn)的葉輪上。研究表明，采用合適的控制策略[10]，通過增加輔助控制能夠讓雙饋感應發(fā)電機風電機組向電網(wǎng)提供慣性響應，使其“隱含慣性”對電網(wǎng)可用。

4 結(jié)語

1）基于普通異步感應電機的恒速恒頻風電機組，由于在發(fā)送有功功率時，需要從系統(tǒng)吸收無功功率，降低了電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性；因此，有必要在這類風電場的接入點選擇性地安裝快速無功補償設(shè)備，如SVC(靜止無功補償器)、STATCOM(靜止無功發(fā)生器)等,以提供必要的無功和電壓控制。

2）基于雙饋感應電機的變速恒頻風電機組，由于其機械功率與電磁功率解耦，當電網(wǎng)發(fā)生頻率事件時，無法向電網(wǎng)提供慣性響應，對電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響；研究表明，通過增加輔助的頻率控制環(huán)節(jié)，使得電網(wǎng)頻率降低時，雙饋感應電機風力發(fā)電機組降低轉(zhuǎn)速，釋放其轉(zhuǎn)子和風輪機上的能量，提高電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性。

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