蘇慶（國(guó)網(wǎng)四川省電力公司廣元供電公司，四川廣元628000）

解析風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性及優(yōu)化

蘇慶（國(guó)網(wǎng)四川省電力公司廣元供電公司，四川廣元628000）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，電能的需求量日益增加。出于環(huán)保的目的，發(fā)展新能源已經(jīng)成為了重要的途徑。風(fēng)力發(fā)電是電力新能源發(fā)展的重要部分，風(fēng)電場(chǎng)發(fā)展已經(jīng)占有電網(wǎng)重大的百分比。這就需要充分研究大規(guī)模的風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)來(lái)確保電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。本文主要研究風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性以及優(yōu)化問(wèn)題，希望能給相關(guān)人士有所幫助。

風(fēng)電場(chǎng)；并網(wǎng)運(yùn)行；穩(wěn)定性

引言

隨著能源需求量的不斷增加以及人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，全新發(fā)電方式受到了人們重點(diǎn)的關(guān)注。風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為了環(huán)保、可再生能源中非常重要的發(fā)電方式之一。從世界范圍來(lái)看，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)在風(fēng)力發(fā)電方面都投入了較大的力量，并在持續(xù)快速增加。我國(guó)具有較大的風(fēng)力資源，也進(jìn)行了大量的風(fēng)電開(kāi)發(fā)，但是由于風(fēng)電場(chǎng)大多處在偏遠(yuǎn)地區(qū)，接入電網(wǎng)的部位相對(duì)比較脆弱，所以就造成了電網(wǎng)支撐能力較差，嚴(yán)重影響了電能的質(zhì)量。為了確保較大規(guī)模的風(fēng)電接入到電網(wǎng)后能夠安全穩(wěn)定的運(yùn)行，風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)之后的穩(wěn)定控制技術(shù)和電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制技術(shù)已經(jīng)成為了風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)技術(shù)中最為關(guān)鍵的內(nèi)容。所以，充分研究風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性以及優(yōu)化運(yùn)行是非常有意義的。

1 風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性分析

由于風(fēng)速和風(fēng)力是會(huì)隨機(jī)進(jìn)行變化的，因此風(fēng)電場(chǎng)的輸出也具有隨機(jī)的特點(diǎn)，這就造成了電網(wǎng)的有功和無(wú)功調(diào)度是非常困難的。在極端天氣等嚴(yán)重的情況下，為了確保風(fēng)電機(jī)組相關(guān)設(shè)備的安全可能會(huì)出現(xiàn)切記等問(wèn)題，這些都是對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的重大傷害。

1.1 穩(wěn)定性方面的影響

1.1.1 靜態(tài)穩(wěn)定性的影響

所謂的靜態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)就是指在系統(tǒng)受到一定程度干擾后還可以自行恢復(fù)到受到干擾之前狀態(tài)的系統(tǒng)。風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)對(duì)于電網(wǎng)靜態(tài)穩(wěn)定性的影響主要幾個(gè)方面，分別為：功角問(wèn)題、風(fēng)電場(chǎng)的屬于能否同步于電力系統(tǒng)。從目前情況來(lái)看，風(fēng)電場(chǎng)采用的都是變速恒頻發(fā)電機(jī)組，因?yàn)榇朔N機(jī)組能夠最大程度上利用風(fēng)能，具有非常高的風(fēng)力利用系數(shù)。這其中的雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)在發(fā)電的初始階段就會(huì)帶動(dòng)同軸發(fā)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)速較為接近的情況下變速器就對(duì)發(fā)電機(jī)的輸出電壓以及系統(tǒng)電壓進(jìn)行采集，并進(jìn)行比對(duì)求出偏差，通過(guò)變流器控制發(fā)電機(jī)的相位以及幅值等，確保其和電力系統(tǒng)的相同來(lái)實(shí)現(xiàn)靜態(tài)穩(wěn)定的目的。

1.1.2 暫態(tài)穩(wěn)定性的影響

若是電網(wǎng)系統(tǒng)中風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)容量比重較大，那么就會(huì)改變?cè)芯€路的傳輸功率、系統(tǒng)慣量、潮流分布等等，所以在風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)時(shí)就會(huì)造成暫態(tài)穩(wěn)定性的變化。在區(qū)域性電網(wǎng)相對(duì)比較弱的情況下，風(fēng)電機(jī)組在電力系統(tǒng)故障清除之后還是不能恢復(fù)到原有狀態(tài)，這就造成區(qū)域性電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性較低。那么為了確保電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性就要將風(fēng)電場(chǎng)從電網(wǎng)中切除掉，這其中需要采用動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)妊b置，這些裝置能夠確保在故障恢復(fù)之后以及暫態(tài)過(guò)程中電網(wǎng)電壓不會(huì)產(chǎn)生比較大的波動(dòng)，確保暫態(tài)電壓的穩(wěn)定性。

1.2 提升風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性的相關(guān)對(duì)策

1.2.1 有效改善電能質(zhì)量

從現(xiàn)階段來(lái)看，可以通過(guò)補(bǔ)償裝置等進(jìn)行電能質(zhì)量的改善和提升，這些補(bǔ)償裝置主要包括：靜止無(wú)功補(bǔ)償器、有源濾波器、動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器等等，相對(duì)來(lái)說(shuō)靜止無(wú)功補(bǔ)償器的技術(shù)比較成熟，。這些裝置能夠有效控制電網(wǎng)內(nèi)無(wú)功負(fù)荷的劇烈波動(dòng)，從而抑制電壓的波動(dòng)以及閃變。除了采用補(bǔ)償裝置進(jìn)行電能質(zhì)量的改善之外，通過(guò)儲(chǔ)能裝置也能夠很好的提升電能質(zhì)量。利用超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)以及超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)都能夠有效改善電網(wǎng)的電壓波動(dòng)和閃變、電壓暫降等方面的問(wèn)題。

1.2.2 有效優(yōu)化低電壓穿越問(wèn)題

主要可以通過(guò)兩種方式來(lái)優(yōu)化電網(wǎng)低電壓穿越問(wèn)題，分別為：增加硬件電路、優(yōu)化控制方式等。利用增加硬件電路的方式能夠從根本上處理電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)出現(xiàn)的電壓以及電流過(guò)剩問(wèn)題，例如在電網(wǎng)中增加儲(chǔ)能裝置后，電網(wǎng)再發(fā)生故障時(shí)就可通過(guò)儲(chǔ)能裝置將過(guò)剩電壓以及電流吸收掉，能夠?qū)︼L(fēng)電機(jī)組進(jìn)行保護(hù)。而優(yōu)化控制方式只是對(duì)電網(wǎng)故障中的過(guò)剩電壓和電流進(jìn)行降低，并不能將其消耗掉，不能從根本上解決問(wèn)題。

1.2.3 有效改善電網(wǎng)穩(wěn)定性

可以通過(guò)分組快速投切電容器來(lái)改善電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由于分組快速投切電容器的價(jià)格相對(duì)較低，所以其得到了非常廣泛的應(yīng)用。但問(wèn)題是此種電容器不能連續(xù)性調(diào)節(jié)電壓，并且會(huì)受到投切次數(shù)等方面的限制，所以若是風(fēng)速的變化較為頻繁、速度變換較快的情況下是不能采用此種設(shè)備的。而靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置能夠?qū)崿F(xiàn)快速的無(wú)功補(bǔ)償，主要包括動(dòng)態(tài)電壓和改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在風(fēng)電場(chǎng)設(shè)置靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置，能夠進(jìn)行電廠電壓和電網(wǎng)電壓的采集，通過(guò)求取偏差的方式進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，通過(guò)此種方式能夠穩(wěn)定節(jié)點(diǎn)電壓并且降低電網(wǎng)電壓波動(dòng)，從而改善電網(wǎng)的穩(wěn)定性。另外，在風(fēng)電場(chǎng)安設(shè)儲(chǔ)能裝置也能夠在一定程度上穩(wěn)定電網(wǎng)，超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置也能夠起到靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置的作用，通過(guò)偏差進(jìn)行無(wú)功調(diào)節(jié)能夠確保電網(wǎng)的穩(wěn)定。但是超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置屬于有源補(bǔ)償裝置，相比于靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置來(lái)說(shuō)，對(duì)于接入點(diǎn)電壓沒(méi)有那么大的依賴性，特別是在電網(wǎng)處在低電壓情況時(shí)會(huì)起到很好的作用。

2 風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行

2.1 最優(yōu)潮流的研究?jī)?nèi)容

最優(yōu)潮流主要是將電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度和潮流計(jì)算進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，通過(guò)潮流方程的方式實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和安全、有功和無(wú)功的優(yōu)化。最優(yōu)潮流的問(wèn)題就是指在符合潮流方程以及安全方面的基礎(chǔ)上，進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化，使其目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最優(yōu)。最為常用的目標(biāo)函數(shù)就是系統(tǒng)的發(fā)電費(fèi)用最小、有功網(wǎng)損最小。因?yàn)樽顑?yōu)潮流會(huì)涉及到整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性以及安全性，所以其可以應(yīng)用在電力系統(tǒng)運(yùn)行各個(gè)方面，包括：電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行、電力系統(tǒng)的可靠性分析、經(jīng)濟(jì)調(diào)度、電網(wǎng)規(guī)劃等等。

2.2 風(fēng)電場(chǎng)的最優(yōu)潮流

（1）網(wǎng)損最小。網(wǎng)損最小為電力系統(tǒng)標(biāo)志經(jīng)濟(jì)性能最主要的指標(biāo)，并且也是傳統(tǒng)最優(yōu)潮流的目標(biāo)函數(shù)?？梢酝ㄟ^(guò)下式來(lái)表示線損的情況：

其中F1表示的是總的有功損耗；Gij表示的是分支導(dǎo)納的實(shí)部；Ui和Uj表示的是節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j的電壓值；θij表示的是節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j之間的相角差。

（2）降低環(huán)境方面的影響

相對(duì)于傳統(tǒng)發(fā)電方式來(lái)說(shuō)，風(fēng)力發(fā)電的過(guò)程更加的清潔環(huán)保，對(duì)于環(huán)境保護(hù)來(lái)說(shuō)是非常有意義的。在進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)優(yōu)化過(guò)程中，首先要滿足負(fù)荷方面的需求以及發(fā)電方面的限制，在此基礎(chǔ)上要最大程度來(lái)降低常規(guī)發(fā)電方式所造成的污染物排放，可以通過(guò)如下公式來(lái)表示：

其中ρEli表示的是第i種污染物所具有的權(quán)重因子；N0表示的是污染物的總數(shù)；GEBli表示的是第i種污染物所具有的排放量。

2.3 對(duì)于電壓穩(wěn)定性的改善

在電力系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中最為重要的問(wèn)題之一就是確保電壓的穩(wěn)定性。電壓的穩(wěn)定問(wèn)題屬于動(dòng)態(tài)方面的問(wèn)題，但是可以利用靜態(tài)的方式來(lái)進(jìn)行穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)與電壓崩潰點(diǎn)間電壓差值的估算，這樣就能夠估算出系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的電壓范圍。通過(guò)靜態(tài)方法能夠利用對(duì)穩(wěn)定指數(shù)的計(jì)算進(jìn)行評(píng)估系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行的狀態(tài)?？赏ㄟ^(guò)相應(yīng)的計(jì)算使得穩(wěn)定參數(shù)達(dá)到最小，這樣就能夠提升電壓的穩(wěn)定性。其指數(shù)方程可以表達(dá)為：

式中LVSI表示的是穩(wěn)定指標(biāo)，此指標(biāo)能夠反映出傳輸線的運(yùn)行情況，并且能夠表示出穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)和電壓崩潰極限點(diǎn)之間的距離。如果是LVSI＞1表示的是此系統(tǒng)值不夠穩(wěn)定，若是網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷超過(guò)了此約束條件就會(huì)出現(xiàn)電壓崩潰的情況。通過(guò)綜合考慮網(wǎng)損、污染物排放以及電壓穩(wěn)定系數(shù)方面的內(nèi)容后，最優(yōu)潮流目標(biāo)函數(shù)就形成了多目標(biāo)的優(yōu)化調(diào)度。

2.4 約束方面的問(wèn)題

為了確保在風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)之后整個(gè)電力系統(tǒng)都能夠安全穩(wěn)定的運(yùn)行，整個(gè)電力系統(tǒng)一定要受到相應(yīng)的約束，就是指將風(fēng)力發(fā)電控制在總發(fā)電容量的相應(yīng)比例范圍內(nèi)。只有符合此方面的約束條件才能確保在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)之后不會(huì)對(duì)電力線路電壓的波形造成較大的影響。風(fēng)電的接入比例要符合如下公式：

式中PWTGi表示的是單個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所具有的容量；PLD表示的是整個(gè)系統(tǒng)所具有的負(fù)荷；δ表示的是風(fēng)電的穿透系數(shù)。所以，對(duì)于那些具有大型風(fēng)力發(fā)電廠的多目標(biāo)最優(yōu)潮流方程來(lái)說(shuō)，需要考慮到各個(gè)方面的等式條件以及不等式條件。

3 結(jié)束語(yǔ)

風(fēng)力發(fā)電是區(qū)別于傳統(tǒng)電力發(fā)電的全新發(fā)電形式，由于其具有環(huán)保、可再生等優(yōu)勢(shì)得到了全世界廣泛的認(rèn)可。但是由于風(fēng)電場(chǎng)大多處在偏遠(yuǎn)地區(qū)，接入電網(wǎng)的部位相對(duì)比較脆弱，所以就造成了電網(wǎng)支撐能力較差，嚴(yán)重影響了電能的質(zhì)量。所以通過(guò)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)穩(wěn)定性以及優(yōu)化內(nèi)容研究，能夠穩(wěn)定電力系統(tǒng)的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)更大的經(jīng)濟(jì)效益，從而進(jìn)一步促進(jìn)我國(guó)風(fēng)電的建設(shè)。

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TM614

A

2095-2066（2016）30-0058-02

2016-10-11

蘇慶（1970-），男，工程師，碩士，主要從事電力工程規(guī)劃建設(shè)及施工管理工作。