大規(guī)模風(fēng)電集中接入對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響分析

李景東

【摘 要】大規(guī)模風(fēng)電集中接入對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了挑戰(zhàn)，其影響也越來越廣泛且復(fù)雜。本文從風(fēng)電并網(wǎng)的特點(diǎn)出發(fā)，總結(jié)近年來風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)影響的研究成果，分析了風(fēng)電接入對(duì)電力系統(tǒng)的影響，包括小干擾穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定，使得對(duì)風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)后穩(wěn)定性問題有更全面、更深入的認(rèn)識(shí)，有利于我國(guó)風(fēng)力發(fā)電快速、健康發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)電場(chǎng)；攻角穩(wěn)定；電壓穩(wěn)定；電力系統(tǒng)

【Abstract】With the penetration level increasing， the impact of wind power on power system stability become increasingly complicated and widespread.we summarized the researches in recent years about the impact of wind power on power system， analyzed the influences which include small signal stability， transient stability， voltage stability， according to the characteristic of gird-connected large scale wind farm. It will have a deeper and more comprehensive understanding of the stability issue with wind farms connected to the power grid ， which benefits the rapid and sound development of wind power.

【Key words】Wind farm； Power angle stability； Voltage stability； Power system

0 引言

在能源危機(jī)和氣候壓力不斷加大的情況下，風(fēng)力發(fā)電作為目前技術(shù)最為成熟、最具規(guī)模化開發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的清潔能源，在當(dāng)今的能源供應(yīng)中扮演了愈加重要的角色。為此，發(fā)展以風(fēng)電為代表的可再生能源，已成為各國(guó)的長(zhǎng)期策略。我國(guó)在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域發(fā)展速度較快，裝機(jī)容量已世界第一，而且還會(huì)以較快的速度繼續(xù)發(fā)展[1]。

根據(jù)我國(guó)氣象局統(tǒng)計(jì)結(jié)果，并考慮到實(shí)際可利用的土地面積等因素，初步估計(jì)：近期實(shí)際可利用的陸上風(fēng)能儲(chǔ)量約為8億千瓦，近海實(shí)際可利用的風(fēng)能儲(chǔ)量約為2億千瓦，共計(jì)10億千瓦。根據(jù)《2014我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況分析》可知，結(jié)合風(fēng)能資源和市場(chǎng)消納條件，力爭(zhēng)“十三五”（2016-2020）每年新增風(fēng)電裝機(jī)2000萬kW，確保實(shí)現(xiàn)到2020年風(fēng)電裝機(jī)2億kW、年發(fā)電量3900億kW·h的目標(biāo)?！吨袊?guó)風(fēng)電發(fā)展線路圖2050》指出了未來風(fēng)電發(fā)展布局，2020年前，以陸上風(fēng)電為主，開展海上風(fēng)電示范；2021-2030年，陸上、近海風(fēng)電并重發(fā)展，并開展遠(yuǎn)海風(fēng)電示范；2031-2050年，實(shí)現(xiàn)東中西部陸上風(fēng)電和海上風(fēng)電的全面發(fā)展。

風(fēng)電作為新能源電源在電網(wǎng)中扮演的角色越來越重要，所在比例逐年增加，而我國(guó)風(fēng)電資源與電力負(fù)荷存在較大的差異，風(fēng)力資源豐富的邊遠(yuǎn)地區(qū)負(fù)荷往往較小，需經(jīng)輸電系統(tǒng)長(zhǎng)距離輸送到負(fù)荷中心，大規(guī)模的風(fēng)電集中接入已成必然趨勢(shì)[2-3]。而大區(qū)域電網(wǎng)的互聯(lián)互通是實(shí)現(xiàn)電能在更大范圍內(nèi)經(jīng)濟(jì)高效應(yīng)用的有效手段，作為全球第一風(fēng)電大國(guó)，風(fēng)電在接入電力系統(tǒng)規(guī)模、電壓等級(jí)和所占比例不斷提高，其對(duì)電網(wǎng)的影響范圍也從局部逐漸向整個(gè)互聯(lián)電網(wǎng)擴(kuò)大[4]。

因此，本文從大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電集中接入對(duì)互聯(lián)系電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的影響方面展開剖析，從攻角穩(wěn)定性和電壓穩(wěn)定性進(jìn)行詳細(xì)論述。

1 功角穩(wěn)定性分析

由于風(fēng)能存在間歇性、隨機(jī)性、不可人為調(diào)度的特點(diǎn)，風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率同樣存在波動(dòng)性問題，隨著大規(guī)模并網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)電場(chǎng)的不斷增多，風(fēng)電在電網(wǎng)中的比例逐漸提高，對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行造成嚴(yán)重影響；同時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)，改變了原有電力系統(tǒng)的潮流分布并對(duì)電力系統(tǒng)傳統(tǒng)分析方法提出挑戰(zhàn)。

大規(guī)模、高集中、高電壓、遠(yuǎn)距離輸送是我國(guó)風(fēng)電發(fā)展的必然趨勢(shì)，也是我國(guó)風(fēng)電發(fā)展有別于歐洲國(guó)家的特點(diǎn)。大規(guī)模強(qiáng)隨機(jī)波動(dòng)性風(fēng)機(jī)機(jī)組集中接入輸電系統(tǒng)，必然會(huì)造成電力系統(tǒng)功角穩(wěn)定的復(fù)雜性。

1.1 小干擾穩(wěn)定

隨著風(fēng)電并網(wǎng)容量在電力系統(tǒng)中所占比例的逐漸增加，對(duì)電力系統(tǒng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響成為了近幾年的研究熱點(diǎn)，特別是小干擾穩(wěn)定。文獻(xiàn)[5]較早地研究了風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定的影響，重點(diǎn)集中在特征根分析法和時(shí)域仿真法研究風(fēng)電接入對(duì)電力系統(tǒng)振蕩模式和阻尼特性的影響。由于我國(guó)大規(guī)模集中接入輸電網(wǎng)的特點(diǎn)，隨著風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，風(fēng)電接入電網(wǎng)的小干擾穩(wěn)定性成為了國(guó)內(nèi)學(xué)者們近年來研究的熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[6-7]的研究結(jié)果表明了雙饋風(fēng)電場(chǎng)可以為電力系統(tǒng)提供正阻尼，而文獻(xiàn)[8]則指出雙饋風(fēng)電場(chǎng)會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)阻尼產(chǎn)生負(fù)面影響，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。為此，風(fēng)電場(chǎng)接入對(duì)電力系統(tǒng)阻尼特性的影響存在著分歧，其對(duì)電力系統(tǒng)阻尼的影響有待進(jìn)一步深入研究，真正揭示大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)接入對(duì)電力系統(tǒng)阻尼影響的機(jī)理。隨著我國(guó)風(fēng)電接入輸電網(wǎng)容量的逐漸增加，研究含風(fēng)電互聯(lián)電網(wǎng)的阻尼特性意義重大，迫切需要深入研究。

文獻(xiàn)[9]從雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)輸送距離、并網(wǎng)容量、互聯(lián)系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線傳送功率以及是否加裝PSS等多個(gè)方面分析了風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)對(duì)互聯(lián)系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定及低頻振蕩特性的影響。文獻(xiàn)[10]指出，含雙饋風(fēng)電場(chǎng)的低頻振蕩特性不僅受風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行控制及其容量大小的影響，而且與接入系統(tǒng)潮流變化情況密切相關(guān)。含大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)的互聯(lián)電力系統(tǒng)低頻振蕩模式研究是近幾年國(guó)內(nèi)的熱點(diǎn)，現(xiàn)有大量文獻(xiàn)研究振蕩機(jī)理以及對(duì)互聯(lián)電力系統(tǒng)的影響，然而大部分的文獻(xiàn)采用的方法是集中于單一運(yùn)行方式或選取幾個(gè)代表性的運(yùn)行方式得出結(jié)論，這樣的結(jié)論不具備全局性，不能真正揭示振蕩機(jī)理。風(fēng)電的接入，導(dǎo)致了電力系統(tǒng)的運(yùn)行方式更加復(fù)雜，單純的幾個(gè)運(yùn)行方式不能說明問題。文獻(xiàn)[11]采用概率的方法對(duì)風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性的影響展開了研究，這是該領(lǐng)域研究的創(chuàng)新，從概率的角度出發(fā)，研究風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性影響的分布情況，研究結(jié)果表明，系統(tǒng)本地振蕩模態(tài)穩(wěn)定概率大幅度下降，區(qū)間穩(wěn)定模態(tài)穩(wěn)定概率略有上升。

目前的研究方法均是采用線性化的模型進(jìn)行分析，即負(fù)阻尼機(jī)理。而線性化是一種近似的方法，運(yùn)行參數(shù)只有在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)附近發(fā)生較小變化進(jìn)行線性化才有意義，若參數(shù)波動(dòng)較大時(shí)仍采用線性化的方法必然會(huì)造成較大誤差。但是最近國(guó)內(nèi)發(fā)生的機(jī)理不明的低頻振蕩引起了普遍關(guān)注，已無法通過負(fù)阻尼的機(jī)理來解釋低頻振蕩現(xiàn)象，而且在事故后仿真振蕩的過程中，也出現(xiàn)了無法用仿真再現(xiàn)振蕩過程的困惑，而隨著風(fēng)電規(guī)模的不斷擴(kuò)大，采用傳統(tǒng)的線性化分析方法是否適用，有待進(jìn)一步的研究，我們也期待有更好的方法在該研究領(lǐng)域出現(xiàn)。

1.2 暫態(tài)穩(wěn)定

電力系統(tǒng)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)受到大的擾動(dòng)后經(jīng)過一個(gè)暫態(tài)過程，同步發(fā)電機(jī)功角或異步發(fā)電機(jī)滑差可穩(wěn)定在某一穩(wěn)態(tài)值，則稱為暫態(tài)穩(wěn)定，否則暫態(tài)不穩(wěn)定。與小干擾穩(wěn)定的最大區(qū)別就是受擾后運(yùn)行參數(shù)偏離平衡點(diǎn)較大，在分析方法上有著很大的差別。異步發(fā)電機(jī)是沒有功角穩(wěn)定問題，但其滑差可反映轉(zhuǎn)子角度的穩(wěn)定性，因此異步發(fā)電機(jī)是存在暫態(tài)穩(wěn)定性問題的。風(fēng)電接入對(duì)電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響取決于電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及電網(wǎng)運(yùn)行方式，既可能改善電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性，也可能降低電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性。風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用感應(yīng)發(fā)電機(jī)，不同于常規(guī)同步發(fā)電機(jī)，在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)其暫態(tài)特性與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)有很大的不同。大容量的風(fēng)電接入改變了系統(tǒng)潮流分布及慣量。風(fēng)電接入電網(wǎng)后，系統(tǒng)的暫態(tài)特性發(fā)生了變化。

大規(guī)模風(fēng)電集中接入電力系統(tǒng)，會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定產(chǎn)生一定的影響。文獻(xiàn)[12]基于EEAC理論，定量分析了定速異步風(fēng)機(jī)和雙饋式異步風(fēng)機(jī)對(duì)電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響。當(dāng)風(fēng)電滲透率更大、接入電壓等級(jí)更高時(shí)，風(fēng)電對(duì)電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定的影響才會(huì)明顯。文獻(xiàn)[13]通過分析了大容量風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)后電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定特性，提出了保證風(fēng)電場(chǎng)和電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的風(fēng)電場(chǎng)安全容量的概念，并且探討了一些改善電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定水平的措施；文獻(xiàn)[14]通過在同一接入點(diǎn)分別接入雙饋風(fēng)電機(jī)組與接入同步發(fā)電機(jī)組對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，研究證明了基于雙饋風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的影響要好于在同一接入點(diǎn)接入相同容量的同步發(fā)電機(jī)組。文獻(xiàn)[15]結(jié)合風(fēng)電機(jī)組自身的暫態(tài)特性，較為全面地研究了風(fēng)電場(chǎng)外電網(wǎng)發(fā)生三相短路故障時(shí)對(duì)電力系統(tǒng)和風(fēng)電機(jī)組本身的影響，為確保風(fēng)電場(chǎng)最佳接入電網(wǎng)容量提供了依據(jù)。

風(fēng)電接入容量的逐步增加，電力市場(chǎng)的逐漸深入，使得電力系統(tǒng)的運(yùn)行日益復(fù)雜，這樣導(dǎo)致暫態(tài)穩(wěn)定問題日趨嚴(yán)重。電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的分析方法目前主要有三種：時(shí)域仿真法、直接法和人工智能法。時(shí)域仿真法是分析暫態(tài)穩(wěn)定最成熟的有效方法，但計(jì)算量大、不適合實(shí)時(shí)控制；直接法是暫態(tài)穩(wěn)定在線分析最具前景的分析方法，但截至目前，直接法在模型的詳細(xì)程度、準(zhǔn)確度和可靠性方法仍存在不足，無法實(shí)現(xiàn)在線分析；人工智能法是近些年來興起的一種新方法，在不需要準(zhǔn)確模型的情況下，能較好地解決問題，但在電力系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用還有待進(jìn)一步研究。以上三種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，因而多種方法相結(jié)合將是暫態(tài)穩(wěn)定分析的一個(gè)方向，同時(shí)廣域測(cè)量系統(tǒng)也可為暫態(tài)穩(wěn)定在線分析提供新的契機(jī)。

2 電壓穩(wěn)定性分析

電壓穩(wěn)定性是指電力系統(tǒng)正常情況下或遭受干擾后系統(tǒng)維持所有母線電壓在可以接受的穩(wěn)定值的能力，電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定可分為靜態(tài)電壓穩(wěn)定和暫態(tài)電壓穩(wěn)定。隨著大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)集中接入超高壓輸電網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃建設(shè)，電力系統(tǒng)的暫電壓穩(wěn)定問題日益突出。

文獻(xiàn)[16]指出，風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓變壓器、風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)集電線路以及風(fēng)電場(chǎng)升壓變壓器等都存在無功損耗，因此在風(fēng)電場(chǎng)正常運(yùn)行時(shí)需要從電網(wǎng)中吸收大量的無功功率，即使是雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模較大且無功儲(chǔ)備不足的情況下，很可能導(dǎo)致電壓失穩(wěn)問題。常用的無功補(bǔ)償設(shè)備有并聯(lián)電容器組、靜止無功補(bǔ)償器（SVC）和靜止無功發(fā)生器（SVG），其中并聯(lián)電容器組不具備低電壓穿越能力，實(shí)用性不高，而SVG的造價(jià)較高，目前的市場(chǎng)份額不大，為此，SVC應(yīng)用較大，而且市場(chǎng)份額逐漸增加。低電壓穿越能力會(huì)直接影響電網(wǎng)電壓穩(wěn)定的重要因素，也是維持電壓穩(wěn)定的重要保障。低電壓穿越是指在風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)，風(fēng)力機(jī)能夠保持不脫網(wǎng)運(yùn)行，甚至可以向電網(wǎng)提供一定無功功率，支持電網(wǎng)電壓使得系統(tǒng)在故障后能夠迅速回到正常運(yùn)行狀態(tài)。若風(fēng)電場(chǎng)不具備低電壓穿越能力，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)裝置會(huì)將風(fēng)電機(jī)組從電網(wǎng)中解列，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)在系統(tǒng)中容量較小時(shí)可以接受。然而，當(dāng)大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)集中接入系統(tǒng)且容量較大時(shí)，從電網(wǎng)中切除將會(huì)增加系統(tǒng)的恢復(fù)難度，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致電壓失穩(wěn)，甚至?xí)?dǎo)致電壓崩潰，造成大面積停電事故發(fā)生。

暫態(tài)電壓穩(wěn)定的分析方法主要有時(shí)域仿真法和直接法。時(shí)域仿真法需要建立包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)在內(nèi)的各種動(dòng)態(tài)原件的微分代數(shù)方程組模型，采用數(shù)值分析法求解。由于時(shí)域仿真計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，只能用于離線分析計(jì)算。直接法能夠建立計(jì)及負(fù)荷動(dòng)態(tài)特定的電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)保留模型，并在此構(gòu)建Lyapunov暫態(tài)能量函數(shù)，計(jì)算速度較快，可用于在線分析。然而，直接法最大的難點(diǎn)就是暫態(tài)能量函數(shù)的構(gòu)造，即使能夠找到一個(gè)能量函數(shù)，但是判斷是否為L(zhǎng)yapunov函數(shù)是非常困難的，為此，不可能直接用于暫態(tài)穩(wěn)定的在線評(píng)估。

電壓穩(wěn)定性與攻角穩(wěn)定性相比，其研究難度較大，電壓穩(wěn)定性的研究必須結(jié)合負(fù)荷的動(dòng)態(tài)模型，而負(fù)荷建模至今仍是難題。雖然近些年來，研究人員對(duì)電壓穩(wěn)定性展開了深入的研究，也取得了一定的成果，但是截止目前，電壓失穩(wěn)機(jī)理仍沒有真正揭示，也沒有給出公認(rèn)的本質(zhì)的定義。而風(fēng)電強(qiáng)隨機(jī)波動(dòng)性的特點(diǎn)，造成了大規(guī)模風(fēng)電接入使得電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的更加復(fù)雜，仍需要進(jìn)一步研究。美加8.14大停電事故至今值得我們深思。

3 結(jié)論

本文就大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)集中接入對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定的影響展開了剖析，包括電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定以及電壓穩(wěn)定。在總結(jié)了目前該領(lǐng)域的研究成果，同時(shí)也指出了該領(lǐng)域今后的研究方向，有利于促進(jìn)風(fēng)電的健康、有序發(fā)展，保證含風(fēng)電場(chǎng)的大規(guī)模混合互聯(lián)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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