風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)電壓的影響及對策

鄒松佐

摘 要：當(dāng)前，伴隨著風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，在政府和電力企業(yè)的共同努力下，風(fēng)力發(fā)電取得了顯著的進(jìn)展。然而，由于風(fēng)力發(fā)電具有不確定性和不可控性，大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)將會對電網(wǎng)的電能質(zhì)量和電力系統(tǒng)的安全性等很多方面造成負(fù)面影響，其中，電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的問題是最棘手和最困難的問題之一。因此，研究風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)電壓影響對于大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)具有很重要的意義?；诖?，本文就風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)電壓的影響及對策進(jìn)行簡要的分析。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電并網(wǎng)；電網(wǎng)電壓；影響；對策

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.21.195

1 風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的影響

1.1 不同風(fēng)機(jī)的影響

當(dāng)前的風(fēng)力渦輪機(jī)大多數(shù)都是恒定速度和頻率的感應(yīng)發(fā)電機(jī)（IG）或者變速恒頻的雙饋異步發(fā)電機(jī)（DFIG）。因為不同的風(fēng)力渦輪機(jī)有不同的無功特性，所以對系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性也不同。

1.2 不同的控制模型的影響

對于雙饋式異步風(fēng)電機(jī)組有兩個控制模型，一個是恒功率因數(shù)控制模型，另外一個是恒壓控制模型。在恒功率因數(shù)控制模型中，雙饋式異步風(fēng)電機(jī)組的功率因數(shù)通常被控制為1，那是因為雙饋式異步風(fēng)電機(jī)組不與系統(tǒng)交換無功功率。相對于恒功率因數(shù)的控制模型，因為恒壓控制模型的目標(biāo)是發(fā)電機(jī)的端電壓，所以在恒壓控制模型中雙饋式異步風(fēng)電機(jī)組輸出功率的改變將對系統(tǒng)造成更小的電壓波動。

1.3 不同的FACTS的影響

在柔性交流輸電系統(tǒng)的大家庭中，靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）和靜止無功補(bǔ)償器（SVC）是FACTS中最流行的設(shè)備。然而，與SVC比較而言，STATCOM有更快的響應(yīng)速度，更好的穩(wěn)定性，更寬的操作范圍和更多的連續(xù)無功輸出等優(yōu)點。此外，對于穩(wěn)態(tài)無功供應(yīng)，STATCOM與SVC相比較而言支持更高的負(fù)載。

2 改善風(fēng)電并網(wǎng)后電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的措施

2.1 在風(fēng)電送出線路上安裝串聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備

影響電壓穩(wěn)定性的主要因素包括輸電線路上串聯(lián)的感性電抗。為了提高電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性，可以減少輸電網(wǎng)絡(luò)中各元件的電抗，從而增加了故障后的傳輸功率。為了達(dá)成上述目標(biāo)，最簡單的方法就是減少輸電線路的電抗，額定電壓的大小、線路結(jié)構(gòu)以及并行回路數(shù)決定著這個電抗的大小。在風(fēng)電送出線路上安裝串聯(lián)電容器補(bǔ)償裝置是降低降低輸電線路電抗的一種重要方法。

2.2 可控高壓電抗器

風(fēng)電出力的隨機(jī)性對電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性產(chǎn)生了很大的影響，不能夠?qū)崟r調(diào)節(jié)500kV和750kV等級的高壓電抗器的大小，只能補(bǔ)償高壓輸電線路上的充電功率。在風(fēng)電裝機(jī)容量很大的地方，因為風(fēng)電場的電壓控制能力有限，所以相鄰500kV母線和750kV母線電壓會降低，這個時候變壓器低壓側(cè)的電抗器基本控制不了高壓側(cè)母線電壓的大小，如果高壓側(cè)電抗器此時實時可調(diào)，這將大大地提高電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性。

2.3 在風(fēng)電場安裝SVC或STATCOM

電網(wǎng)電壓的大小會隨著風(fēng)電場出力變化而變化，一般情況下，風(fēng)電場位于電網(wǎng)的末端，若在風(fēng)電廠安裝電容器組用于無功補(bǔ)償，那么在風(fēng)電大出力時，投切電容器時會造成母線電壓波動。

為了加強(qiáng)動態(tài)無功補(bǔ)償和改善電網(wǎng)末端電壓穩(wěn)定性，STATCOM和SVC被引入到大規(guī)模的輸電網(wǎng)中。SVC從本質(zhì)上來講仍然是并聯(lián)的電容器組和電抗器組，但是基于晶閘管的控制能夠提高其動態(tài)響應(yīng)的速度，從而在一定程度上滿足故障條件下的動態(tài)無功支持要求；由于其吸收或發(fā)出的無功功率仍然是其端電壓的二次方成正比，當(dāng)其無功功率達(dá)到自身無功極限值時，就會表現(xiàn)出與電抗器組或電容器組相同的無功電壓特性，低電壓水平下無法提供其額定的無功容量。

一般把STATCOM裝置看成一個電壓大小可控制的電壓源，當(dāng)電壓源提供電壓的最大值大于交流系統(tǒng)接入點的電壓時，STATCOM吸收的無功功率小于0，這個時候STATCOM相當(dāng)于一個電容；如果電壓源提供電壓的最大值小于交流系統(tǒng)接入點的電壓，STATCOM吸收的無功功率大于0，這個時候STATCOM相當(dāng)于電感。電壓差與兩點之間阻抗的比值決定電流的大小，可以實時控制STATCOM裝置產(chǎn)生的電壓幅值大小，所以可以實時控制吸收的無功功率大小。

2.4 槳距角控制

槳距角控制是通過控制風(fēng)力機(jī)上槳葉的角度大小來改變槳葉相對于風(fēng)速的攻角，最后風(fēng)力機(jī)從風(fēng)中捕獲的風(fēng)能也隨著發(fā)生了變化。槳距角控制有著兩種不同的控制策略：一種是風(fēng)電機(jī)組的功率輸出優(yōu)化。另一種是風(fēng)電機(jī)組的功率輸出限制。

風(fēng)電機(jī)組的槳距角控制可以分為以下兩種：

（1）槳距角控制，隨著槳距角β增大，風(fēng)電機(jī)組機(jī)械功率PM降低。（2）主動失速控制，隨著槳距角β增大，風(fēng)電機(jī)組機(jī)械功率PM降低。

因為槳距角控制可以在較短的時間內(nèi)調(diào)節(jié)風(fēng)電機(jī)機(jī)械功率，所以槳距角控制能夠提高電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性。

2.5 采用雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)

與傳統(tǒng)的異步發(fā)電機(jī)相比，雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)由于采用了變頻器控制，具有以下一些優(yōu)點：

（1）為發(fā)電機(jī)提供勵磁。（2）具有控制無功與電壓的能力。（3）能夠?qū)崿F(xiàn)對功率的解耦控制。

雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)通過改變轉(zhuǎn)子勵磁電流的頻率來改變發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，當(dāng)電網(wǎng)側(cè)發(fā)生故障時，可以降低轉(zhuǎn)子勵磁電流頻率來使發(fā)電機(jī)保持在同步轉(zhuǎn)速。所以當(dāng)發(fā)生故障時，電磁功率不會發(fā)生劇烈的振蕩。

2.6 切除風(fēng)電機(jī)組

當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重的輸電系統(tǒng)故障時，有選擇性地切除一些風(fēng)電機(jī)組能夠有效地解決問題。在地方切除風(fēng)電機(jī)組，能夠減少在已達(dá)到輸電極限的線路上的傳輸功率。

目前，對于傳統(tǒng)電源，采用切機(jī)方案已是常見措施。因為風(fēng)電機(jī)組一般在電網(wǎng)末端，所以快速切除并不會引發(fā)太大的危險。

3 連接SVC與STATCOM的母線電壓變化曲線仿真

建立3臺0.75MW和2臺0.6MW的風(fēng)電機(jī)組，風(fēng)電機(jī)組輸出的電壓大小是690V，變壓器將電壓變成了10kV，在經(jīng)過升壓變壓器電壓變?yōu)榱?10kV，最后并入電網(wǎng)。風(fēng)電場的接線圖如下所示：

在matlab上分別建立SVC控制器模型和STATCOM控制器模型，得出風(fēng)電并網(wǎng)后10kV母線上的電壓、有功、無功的曲線：

對比圖明顯發(fā)現(xiàn)，安裝STATCOM比安裝SVC后母線電壓恢復(fù)得更快，即STATCOM的補(bǔ)償效果好于SVC。

4 結(jié)語

風(fēng)能并網(wǎng)是一個解決能源問題的重要措施，風(fēng)電并網(wǎng)遇到的最大的問題是電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的問題。只有提供高質(zhì)量、穩(wěn)定的電能，人類才能更好地發(fā)展工業(yè)化。

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