中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司 孫浩然

國家電網在我國生產和建設中承擔著不可或缺的責任，不只是國民經濟穩(wěn)定運行的基石，也同群眾的日常生活有著密不可分的聯(lián)系。我國每年都會在電力建設方面投放大量的資金，為保證國家電網電壓的平穩(wěn)運行。同時，我國相關單位在近年來的發(fā)展工作中，也對其所涉及的技術方法和管理方法都進行了更新改造，并以此來保障國家電網的穩(wěn)定運行。為減少對不可再生資源的開采和利用，增加電網系統(tǒng)運行的安全性，近年來我國進一步增加了對風能利用和光伏發(fā)電的關注，并且成立了大量的技術隊伍探討其運行機理，并由此來尋找更加合理的把控舉措，為我國電網系統(tǒng)穩(wěn)定運行，電力的穩(wěn)定輸送創(chuàng)造了有利條件。

1 風電/光伏發(fā)電接入電網的電壓穩(wěn)定分析

穩(wěn)定電壓電流運行穩(wěn)定分析能力從廣義上來看，指能源控制系統(tǒng)電網在出現(xiàn)電壓異常之后，國家電網在不會出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)電壓系統(tǒng)崩潰的條件情形下，保持并及時恢復電壓，使其回到正常運作狀態(tài)的處理能力。目前，傳統(tǒng)民用電力中對電壓穩(wěn)定的理論分析，主要有電壓靈敏度分析法和V/PV電壓變化曲線解析法。

隨著我國風電和太陽能的不斷深入開發(fā)，風能/光伏的發(fā)電項目將被視為發(fā)展我國新能源的關鍵突破口。在對現(xiàn)代傳統(tǒng)光伏電網線路電壓穩(wěn)定性能的分析基礎上，我國相關研究人員就太陽、風電與光伏風能機組并網的網絡電壓波穩(wěn)定性能方面，開展了較深入性的研究探討[1]。華北大規(guī)模風能電站和光伏共混發(fā)電站，由于使用離散式的充電管理樞紐方式較遠，匯聚在我國西北和華北等地區(qū)，采取弱供電連接方式和強啟動系統(tǒng)的新型遠傳充電方法，為大規(guī)模風能發(fā)電系統(tǒng)和光伏混合發(fā)電系統(tǒng)，增加了較大的供電不確定性，也嚴重影響了系統(tǒng)的負載電壓性和穩(wěn)定性。

目前，對含風電和光伏電站電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性分析方式，多使用確定性分析方法，應用特性結構分析法，研究了風電場并網后對電網電壓平衡穩(wěn)定性的影響意義，應用PV曲線分析研究了風電場連接體系的電壓變化規(guī)律、靜電平衡范圍和負荷裕度，并利用分叉理論研究，對光伏電站連接體系的電壓平衡穩(wěn)定性作出了理論研究剖析[2]。但是，風電場和光伏電站出力有較大的隨機性。因此，一些想換學者開始研究能夠深刻全面反映隨機因子對系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性影響的概率分析方式，一般有蒙特卡洛模擬法和解析法。

利用隨機響應面分析法和連續(xù)潮流法，構建了風電場接入網絡的靜態(tài)電壓安全性概率評價模式，并利用連續(xù)潮流方法得到了負荷裕度的概率分布情況。又利用點估計方法和柯尼-費歇爾級數(shù)，對含分布式電源的配電網實現(xiàn)了靜態(tài)電壓安全穩(wěn)定性概率評價。由于同一區(qū)域的新能源技術發(fā)電存在一定的關聯(lián)性，如果忽略相關性的電壓穩(wěn)定性概率評價模型，則會和實際狀況背道而馳，評價結果也可能存在相應偏差。因此，應用正交變換方法研究風電場間的出力關系，并通過隨機響應面法和非線性規(guī)劃模型計算負荷裕度的概率分布數(shù)值[3]。

在我國風能電力機組的開發(fā)初期，因為部分大中型風能電力機組在正常工作時需要一直耗費巨大的無功功率，風電站相應的設備一直處于不滿足實際需求的狀態(tài)，這致使主流電力系統(tǒng)的電壓運行穩(wěn)定性出現(xiàn)大幅度下降。這一情形下，風電驅動系統(tǒng)基本可把其當成一個有功接收功率和間接吸收無功功率的驅動接收端風電系統(tǒng)，故而目前困擾著我國風能系統(tǒng)，在接入其他供電系統(tǒng)時的電壓驅動穩(wěn)定性能的最重要制約問題之一，就是其對電壓的直接承載牽引還存在缺陷。

2 風電/光伏發(fā)電接入電網的電壓控制策略

2.1 風電接入電網的電壓控制

由于風電機組大多數(shù)情形下都具備動態(tài)無功補償功能，但是要想發(fā)揮這一功能的效用，則需要有諸多無功設備的支持，要將這些設備依照詳細情況進行安置，如此一來，才能有效實現(xiàn)電壓協(xié)調控制的目標，但是其面臨著一個問題，那便是電壓滯后控制情況出現(xiàn)的頻次會偏高。為此，在接下來的闡述中，將借助分層預測模型展開相關闡述，以此來實現(xiàn)對無功電壓的管理把控，在預測電壓以及無功變化的基礎上，高效達到自適應調節(jié)的目的。

2.1.1 控制架構

首先明確分層架構，這樣可以有效降低時段預測過程中出現(xiàn)的偏差。如圖1所示，是風電入網電壓控制架構，其中涵蓋多個層級。依照上一層級控制中心下放的命令UrefPCC，以UPCC為參照，在自適應調節(jié)層級中設定有功預測功能，然后還要輸出Ppre，以此來完成自適應調節(jié)目標。無功協(xié)調分配層將對母線實際電壓UCB、風電輸出最大有功功率Pmax等參數(shù)進行匯集，輸出有功參考指令Qrefwi和無功參考指令Qrefwi。通過跟蹤控制并網點電壓，能夠輸出靜態(tài)無功補償Qs，最終得到實際的有功輸出P和無功輸出Q的數(shù)值。

圖1 風電入網電壓分層預測控制架構

2.1.2 策略實現(xiàn)

風電、光伏等發(fā)電計劃運行體系中電壓模型的計算方面屬非線性規(guī)劃的一類，關注這方面內容的深入研究，對于建立科學合理的電力控制措施具有很重要的幫助。在一般情況下，相關工作團隊都會選擇二類方法對模型難題加以解決，一類是常規(guī)的算法，另一類則是高度人工智能的計算方法。盡管第一類算法的范圍相當寬泛，對線性規(guī)劃內容和非線性規(guī)劃內容均有涵蓋，同時也可以對具體的模型難題做出適當?shù)奶幚?。但是，由于傳統(tǒng)求解方法的計算精確度較低，同時在計算過程中所耗費的時間也相當漫長，從而對一些傳統(tǒng)電力模型的計算內容也具有一定的約束。但智能算法卻可以有效地避免上述現(xiàn)象，并且有著很明顯的精準特性與高效率的優(yōu)勢，是近年來風能、光伏發(fā)電電網控制系統(tǒng)中，電壓模型求解問題時常使用的方法。所以重視對智能算法的深入研究，可以促進電壓控制策略的制定。

電壓控制操作中，需要明確一點，風電機組輸出電壓水平若偏低，則電阻以及電抗比會偏大。一個節(jié)點電流，若其數(shù)值水平并不為零，在這一情形下，可以將節(jié)點電壓以及其功率視為依照根據(jù)，由此獲得有功和無功電壓靈敏度系數(shù)。由此看來，在并網節(jié)點上，因為功率變化而導致的機組與系統(tǒng)電壓偏差和有功、無功之間的關聯(lián)可以從下文公式中了解。

因此，在并網節(jié)點，由功率波動引發(fā)的機組和系統(tǒng)的電壓偏差ΔU與有功和無功的關系滿足式。

式中：UPCC代表的含義時并網點電壓的實際數(shù)值水平，ΔP代表的是有功變化程度，ΔQ代表的是無功變化程度。

如圖2所示，在追蹤最大功率曲線時，需要明確t時刻這一節(jié)點是否處于周期T中，若不在這一周期內，則需要再次下發(fā)新指令，從而實現(xiàn)對下一周期的預測把控，若處于這一周期內，則需要在t+1時刻時執(zhí)行指令。參考指令若并未處于調節(jié)區(qū)域內，評估機組無功調節(jié)不理想，因而應確保調節(jié)后電壓和節(jié)點指令偏差數(shù)值水平處于最小狀態(tài)，繼而在預測有功達到最大值時進行輸出功率調整。

圖2 風電入網電壓分層預測自適應調節(jié)

處于預測有功最大值位置的電壓偏差值ΔUpre可以利用公式（2）計算。

式中：minF1代表的含義是最小偏差目標函數(shù)。

在k時刻，根據(jù)并網節(jié)點電壓和參考指令偏差，能夠確定母線電壓和參考電壓偏差，如公式（3）所示。

式中：UCB代表的是母線實際電壓；ΔP（k）和ΔQ（k）分別為k時刻的有功和無功變化。

對電壓的分層模擬研究，也對制定風能、光伏發(fā)電接入電壓系統(tǒng)的控制策略,具有至關重要的意義。電壓分層模型的管理把控在一定意義上和調控設備的特點存在聯(lián)系，所以專業(yè)研發(fā)隊伍在針對調控設備的特點研究電壓分層的同時，針對風能和光伏發(fā)電預測數(shù)據(jù)的落實提出恰當?shù)姆旨壙刂妻k法。通常的電網控制系統(tǒng)電壓分級可以從兩個角度進行考察。

第一層面研究的重點為電容器組與變壓器等。由于電網處于工作狀態(tài)時，上述提及的這兩類設備作業(yè)時間都會較長，并且工作人員無法對其進行持續(xù)性的調節(jié)。因而，在有關辦法制定時，電容器以及變壓器電網設備都會被視為基準控制量，從而為工作人員提供參照標準。此外，控制團隊會通過有關功率信息的展示來操控電壓偏差較小的對象，以此保證電網的工作狀態(tài)保持良好。

第二層次分析的研究對象則以風電場、光伏電站以及動態(tài)調整裝置為主。由于電網控制系統(tǒng)在日常運營的過程中，這三個組成部分都會更多地反映出微調設備的功能，從而可以對無功電壓系統(tǒng)發(fā)揮相應的調節(jié)功能。在傳輸電壓的過程中，三者間的平穩(wěn)運轉將會有效提升其平衡穩(wěn)定程度，同時還可以對動態(tài)無功調整裝置做出適當?shù)南拗?，從而提高其無功出力的效能與品質。而一旦相關工作人員在將某些更優(yōu)秀的控制舉措與此結合時，則不但將會為分層模型的監(jiān)控工作創(chuàng)造了有利條件，而且還可提高風能、光伏發(fā)電電網的運營管理水平。

2.2 調節(jié)設備的控制

要想有效提升風能、光伏發(fā)電接入電網穩(wěn)定運行能力，必須要求專業(yè)項目隊伍能夠注重對控制裝置的管理。無功電壓控制裝置是輸配電設備中關鍵的裝置，其是保障輸配電安全運行的基礎。無功電壓調控裝置是由許多元器件所構成的大功率控制裝置，當中包含了無功補償器、調壓變壓器和電容器組等。這些元器件并不僅僅是電壓控制裝置中的主要部分，而且還和整個輸配電系統(tǒng)的安全工作有著密切的關系。

在風電電網系統(tǒng)中的電壓調節(jié)領域，有關工程技術隊伍必須重視對雙饋風力發(fā)電機的運用，由于雙饋風力發(fā)電機能夠按照相關調速裝置的指示，給電網系統(tǒng)中供給適當?shù)臒o功功率，不但能夠合理地適應供電體系中電壓需求，還能夠在一定程度上改善供電系統(tǒng)的運營效果，從而便于有效電壓控制策略的實現(xiàn)。在光伏開發(fā)領域，相關隊伍對于并網逆變器的實際利用情況較為關注，由于該設備在一定程度上關系著無功出力效率、質量和數(shù)量，所以若其在電網工作中發(fā)生異常故障，則除了會干擾到光伏發(fā)電系統(tǒng)工作安全系數(shù)之外，還會致使系統(tǒng)電壓控制成效大大下降，因而需要就這一問題展開深度探析。

但是，由于風能與光伏發(fā)電裝置在實際運行中，對所需要到的并聯(lián)電容器組沒有進行良好的控制。因此，雖然電容器組可以在一定程度上減少經濟成本，并可以為整個電網的養(yǎng)護創(chuàng)造有利環(huán)境，可是一旦處理不當便會導致電容器組無法呈現(xiàn)出理想的補償狀態(tài)，并且也會降低并聯(lián)電容器的正常運行。而且，當并聯(lián)電容器的分組量較少時，補償容量梯度也將隨之增大，會對整個供電系統(tǒng)產生很大的干擾；當并聯(lián)電容器的分組量過多時，也將增加經濟損耗。所以，相關項目的技術人員必須針對現(xiàn)場狀況，對電容器設計做出相應的調整，特別是在風能或光伏發(fā)電出力變化明顯偏大的地方，更應對電容器設計方案加以適當調整。而采用這樣的方法，不但可以合理地確定了電網對電壓的調節(jié)要求，而且還可以對無功補償裝置的連續(xù)調節(jié)發(fā)揮推動作用。

3 總結

綜上所述，要想使風能和光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)揮出真正的利用價值，從而實現(xiàn)電網電壓平衡穩(wěn)定，不僅僅需要全方位的理解和認識風能、光伏發(fā)電和電網系統(tǒng)之間的相互關聯(lián)關系，還必須建立科學的控制措施，并對其涉及的數(shù)據(jù)、模型和信號等方面做出更深層次的剖析和探究。如此，可以為管理策略的建立，以及供電體系的穩(wěn)定運營提供可借鑒的基礎和保證。

但是，有些地方在進行風能、光伏發(fā)電電網運營的時候，還是會因為有關技術措施使用不到位，或是環(huán)境條件的因素影響而產生問題，進而干擾到電網中電壓的穩(wěn)定性能。所以，各地區(qū)在進行風電、光伏發(fā)電電網運作之前，必須事先對地區(qū)的環(huán)境特征和工程團隊技術情況進行全面剖析，以選取最合理的方法開展風電、光伏發(fā)電電網的建設。此外，有關工程團隊，則需要進一步增強對清潔能源的認識與理解，以提升相關科技的運用水平，如此才可保障電網電壓平穩(wěn)運營。