辛自立

【摘 要】風電作為一種綠色低碳的可再生能源，最近幾年時間內發(fā)展非常迅速。風電場向電網(wǎng)中提供有功功率的同時，還從電力系統(tǒng)中吸收了相當一部分的無功功率，因此大量的風電機組并網(wǎng)運行造成了電力系統(tǒng)電壓質量下降。本文簡要介紹了風力發(fā)電的現(xiàn)狀，分析了風電并網(wǎng)對電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性影響的原因，并提出了一種抑制電壓波動的方法。

【關鍵詞】電力系統(tǒng)；風力發(fā)電；電壓穩(wěn)定；風電并網(wǎng)

【Abstract】Wind power as a renewable energy source，this year has been rapid development.Wind farm active power delivered to the power system，but also a large number of reactive power absorbed from the system，which makes large-scale wind power grid run had a profound impact on the power system voltage stability.This article describes the status of wind power，analysis the reason power system voltage stability problems caused by wind power grid-connected，and gives a way that makes voltage fluctuations law.

【Key words】Power systems；Wind power；Voltage stability；Wind power grid

0 引言

環(huán)境惡化、資源短缺已經成為人類生存和發(fā)展的挑戰(zhàn)，而發(fā)展包括風能在內的可再生能源則是應對挑戰(zhàn)的重要策略[1]。目前，風力發(fā)電在全球已經得到了迅速的發(fā)展。風能資源作為一種綠色低碳的可再生能源，對改善能源結構、減少碳排放等方面具有很好的幫助作用，是以后清潔能源利用的一個方向。如圖1所示，截止到2015年，全球風力發(fā)電機組的總裝機容量達到432.9GW，年平均增速達到27.8%，風能的利用已經成為全球發(fā)展最快的清潔能源利用方式。

當前，由于資源短缺及環(huán)境污染等多方面的原因，許多國家都很重視綠色低碳資源和可再生能源的研發(fā)和使用，在此大環(huán)境下，風力發(fā)電技術取得了快速的發(fā)展。隨著風力發(fā)電機組并網(wǎng)數(shù)量的不斷增加，對電網(wǎng)的穩(wěn)定運行帶來的不利影響也逐漸顯現(xiàn)出來。

1 風力發(fā)電的發(fā)展

1.1 風電在中國的發(fā)展

2015年中國大陸地區(qū)，有30.56GW容量的風電機組并網(wǎng)運行。中國風力發(fā)電市場在歷經多年的快速增長后正步入穩(wěn)健發(fā)展期。國家能源局在2020年能源需求預測的基準計劃中提到，2020年風電裝機目標是2.1億千瓦，平均每年新增裝機預計在42GW，年均復合增速在10.9%。我國風力發(fā)電機組裝機容量繼續(xù)保持世界風力發(fā)電裝機容量第一的地位。

1.2 風電的發(fā)展趨勢

隨著風力發(fā)電的規(guī)模越來越大，我們對風力發(fā)電技術的要求也越來越高。未來風力發(fā)電技術的發(fā)展趨勢是：繼續(xù)提高風力發(fā)電機組的單機容量，提供風能的利用率；繼續(xù)增大風力發(fā)電機組的槳葉尺寸，使其具有更大的捕捉風能的能力；繼續(xù)提升塔架高度，使其在50米高度捕捉的風能要比30米高處多20%；將變漿距離調節(jié)方式迅速取代失速功率調節(jié)方式；繼續(xù)增大海上風力發(fā)電技術的研發(fā)投入。[2]

2 風電機組的并網(wǎng)運行

風力發(fā)電機組的并網(wǎng)運行，是將風力發(fā)電機組發(fā)出的電送入電網(wǎng)，通過電網(wǎng)中的輸電線路把電能輸送到千家萬戶，這就解決了風力發(fā)電的不連續(xù)、電壓和頻率不穩(wěn)定及電能的儲存等問題。

2.1 并網(wǎng)運行的方式

風力發(fā)電機組并網(wǎng)運行分為恒速恒頻并網(wǎng)運行和變速恒頻并網(wǎng)運行兩種方式。其中恒速恒頻并網(wǎng)運行方式目前已普遍采用，具有簡單、可靠的優(yōu)點，但是對風能的利用不充分[3]。目前大部分國內風力發(fā)電機組的屬于水平軸恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)，如圖2所示。這種類型的風力發(fā)電機組的轉速隨風速的變化的影響小，可看做保持恒定轉速下運行。

2.2 風電機組并網(wǎng)運行的特點

我國風能資源往往分布在偏遠地區(qū)，因此距離電廠及用電負荷中心較遠。風力發(fā)電與傳統(tǒng)能源的發(fā)電具有以下特征：風速不是穩(wěn)定不變的，因此風電機組發(fā)出的電能也是隨風速波動，電能輸出也就會不穩(wěn)定；風電機組中的發(fā)電機形式多樣，可以是異步發(fā)電機、同步發(fā)電機或是雙饋感應發(fā)電機，因此，無功功率特性復雜，產生電網(wǎng)電壓偏差；風能為不連續(xù)能源，風電場的有功功率和無功功率將隨風速變化，風電場的輸出功率波動范圍大。[4]

3 對電壓穩(wěn)定性的影響

目前，風力發(fā)電機組多采用異步發(fā)電機，發(fā)出有功功率的同時也從電網(wǎng)中吸收無功功率，其無功功率需求不是恒定不變的，這就對電網(wǎng)的穩(wěn)定運行帶來了不利影響，同時也造成了電網(wǎng)的電壓的不穩(wěn)定。由于風電場所處地區(qū)偏遠，電網(wǎng)負荷較小，風力發(fā)電機組的并網(wǎng)改變了系統(tǒng)中原來的潮流分布，隨著風電在電網(wǎng)中的比例增加，對電網(wǎng)電能質量的影響也隨之增大。[5]

3.1 電壓穩(wěn)定

電力系統(tǒng)的電壓水平是系統(tǒng)無功功率供需平衡情況的具體表現(xiàn)。無功功率的傳輸不但產生很大的有功損耗而且延傳輸途徑有很大的電壓降落。由于無功功率的供需分布關系各異，同一時刻中不同點的電壓高低各異，系統(tǒng)中各點的電壓調節(jié)主要是依靠無功功率的就地供需調節(jié)實現(xiàn)。

《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導則》中將電壓穩(wěn)定定義為：電力系統(tǒng)受到一定程度的擾動后，系統(tǒng)電壓能保持或恢復到容許的范圍內，不發(fā)生電壓崩潰的能力。與此相反，如果擾動后平衡狀態(tài)下負荷鄰近的節(jié)點電壓低于可接受的極限值，那么就稱系統(tǒng)電壓崩潰。

3.2 電壓偏差原因的分析

電力系統(tǒng)中的負荷以及發(fā)電機組的出力隨時發(fā)生變化，網(wǎng)絡結構隨著運行方式的改變而發(fā)生改變，系統(tǒng)故障等因素都將引起電力系統(tǒng)功率的不平衡。風電并網(wǎng)引起系統(tǒng)無功功率不平衡是系統(tǒng)電壓偏差的根本原因。

在110kV及以上電壓等級的輸電線路中，X遠大于R，所以無功功率Q對電壓損失的影響遠大于有功功率P對電壓損失的影響[7]。

風電場的異步電機運行時需要充電網(wǎng)吸收感性無功來建立磁場，所需要感性無功功率對電網(wǎng)來說是一個相當大的負擔，會引起較大的功率損耗和電壓損耗。[8]

4 抑制電壓波動的方法

用于改善和提高電能質量的大部分無功補償裝置都具有抑制電壓波動和閃變的功能，如靜止同步補償器（STATCOM）、靜止無功補償器 （SVC）、統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）和有源電力濾波器等。本文主要分析了靜止無功補償器 （SVC）對風電并網(wǎng)之后電力系統(tǒng)電壓波動的抑制方法。[9]

4.1 靜止無功補償器（SVC）

靜止無功補償器（SVC）將電力電子相關技術引入到傳統(tǒng)的靜止并聯(lián)無功補償裝置中，應用電子模擬器件和電子快速計算器件DSP具有對電壓、電流、阻抗和相位快速邏輯運算能力，可以快速跟蹤和快速調整控制角來控制晶閘管電流，最終控制SVC的綜合無功功率輸出。

VC的動態(tài)調節(jié)響應時間非常迅速，可控制在10ms以內，調節(jié)范圍廣，可在0-100%容量范圍內進行調節(jié)，調節(jié)精度高，調節(jié)步長可控制在1%以內，可以實現(xiàn)快速補償和連續(xù)平滑調節(jié)，提供動態(tài)電壓支撐，改善系統(tǒng)的運行性能。

理論上的SVC能夠使所補償節(jié)點得電壓接近一個固定值，提高風力發(fā)電機組接入電網(wǎng)后的電壓質量，增加電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。

4.2 SVC接入系統(tǒng)方式

在風電場升壓站的低壓側母線上安裝SVC作為無功補償裝置，補償風電機組的無功需求，從而風力發(fā)電機組并網(wǎng)運行時引起的電壓波動降低。

將SVC裝置接入風電場升壓站低壓側母線，如 圖4所示。其工作原理為：電壓互感器TV檢測到風電場升壓站高壓側母線電壓，與參考電壓比較，若電壓偏差超過允許值，則得到控制系統(tǒng)的輸入信號，根據(jù)電壓偏差信號控制SVC調整無功補償量，從而改變風電場升壓站低壓側電壓，進一步改變風電場升壓站高壓側電壓，使其與參考電壓之間的差值最小。

5 結語

隨著世界范圍內的能源危機和環(huán)境污染問題的日益嚴峻，利用風能發(fā)電已經成為當前綠色低碳能源中技術最成熟，開發(fā)利用價值最大的發(fā)電方式。隨著利用風能的不斷發(fā)展，單臺風力發(fā)電機組容量的提高，裝機容量較大的風電場接入地區(qū)電網(wǎng)對電網(wǎng)的影響也逐漸擴大，研究大規(guī)模風電場對電網(wǎng)的影響，特別是對電壓穩(wěn)定性的影響是目前迫切需要解決的問題。在風電場升壓站低壓側母線上安裝SVC作為無功補償裝置，補償風電機組的無功需求，減小風電場并網(wǎng)運行時引起的電壓波動。

【參考文獻】

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[4]朱雪凌，劉林飛，周倫燕.風力發(fā)電并網(wǎng)對電網(wǎng)的影響[J].鄭州：華北水利水電學院學報，2010，31（6）.

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[6]程浩忠，吳浩.電力系統(tǒng)無功與電壓穩(wěn)定性[M].北京：中國電力出版社，2004.

[7]肖湘寧.電能質量分析與控制[M].北京：中國電力出版社，2004.

[8]張彥凱.風力發(fā)電機組并網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性分析研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2011.

[9]馬昕霞，宋明中，李永光.風力發(fā)電并網(wǎng)技術及其對電能質量的影響[J].上海：上海電力學院學報，2006，22（3）.

[責任編輯：田吉捷]