風(fēng)電并網(wǎng)對電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性影響的探析

摘要：本文論述并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成與特征情況，并且分析了風(fēng)力發(fā)電機組的管控模式，在可再生能源當(dāng)中，風(fēng)能屬于一種全新的能源利用方式，借助風(fēng)力能夠達到發(fā)電的效果。經(jīng)過漫長的發(fā)展之后，現(xiàn)階段此項技術(shù)已經(jīng)非常成熟。受到風(fēng)資源開發(fā)日漸頻繁、單一風(fēng)電場裝機容量增多的影響，造成風(fēng)力發(fā)電處于電網(wǎng)當(dāng)中占據(jù)的比例逐漸變大。當(dāng)風(fēng)電接入之后，使電網(wǎng)當(dāng)中的潮流分布情況發(fā)生了變化，再加上風(fēng)速的間歇性造成風(fēng)力機輸出的功率缺少一定的穩(wěn)定性，帶給電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性很大的不良影響。鑒于此，針對并網(wǎng)風(fēng)電場帶給電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的影響情況加以分析可謂十分關(guān)鍵。本文通過論述并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成與特征情況，并且分析了風(fēng)力發(fā)電機組的管控模式，同時進行了并網(wǎng)風(fēng)電場帶給電壓穩(wěn)定性影響的仿真說明，以便帶給相關(guān)電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性影響研究工作人員一定的參考和幫助。

關(guān)鍵詞：并網(wǎng)風(fēng)電場;電力系統(tǒng);電壓穩(wěn)定性;影響情況

近些年來，科技發(fā)展的速度日益加快，讓風(fēng)力機技術(shù)獲得了定期更新，相應(yīng)的機組結(jié)構(gòu)獲得優(yōu)化，提升了相關(guān)性能。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，使得空氣動力學(xué)、航天技術(shù)等均被運用到風(fēng)力發(fā)電機組的研制工作當(dāng)中，提高了對計算機技術(shù)與復(fù)合材料的利用率，讓風(fēng)力發(fā)電發(fā)揮出來的作用不斷變大。面對此種情況，風(fēng)力發(fā)電朝著逐漸產(chǎn)業(yè)化的方向發(fā)展。加快對風(fēng)力發(fā)電的研究，有助于增強對自然環(huán)境的保護效果，降低了能源的消耗量。實際上，風(fēng)力發(fā)電機的功率十分不穩(wěn)，在風(fēng)電場并網(wǎng)的過程當(dāng)中，帶給電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定與安全性方面很大的不良影響。為此，系統(tǒng)掌握風(fēng)電場并網(wǎng)帶給電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響情況，有利于明確科學(xué)的管控對策，確保電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性。

一般而言，獨立運作的相關(guān)風(fēng)電系統(tǒng)、并網(wǎng)運行的風(fēng)電系統(tǒng)，構(gòu)成的部分均涵蓋了下述不同的功能模塊：風(fēng)輪、齒輪箱、發(fā)電機、管控系統(tǒng)。在這當(dāng)中，可以利用風(fēng)輪獲取風(fēng)能，使風(fēng)力有效轉(zhuǎn)化成機械能。而齒輪箱在運用的時候，可以加快風(fēng)力機的轉(zhuǎn)動速度，讓其滿足相關(guān)發(fā)電機的轉(zhuǎn)速要求，提升整個工作運行的效率。依靠發(fā)電機能夠?qū)L(fēng)的機械能轉(zhuǎn)化成電能。對于管控系統(tǒng)來說，則旨在使得風(fēng)能的利用率獲得提升，并且確保了該系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和安全性。因為風(fēng)力發(fā)電屬于一次性能源，風(fēng)能具有顯著的間歇性特征[1]。在此過程當(dāng)中，發(fā)電機處在頻繁的啟停狀態(tài)當(dāng)中，所以，對于發(fā)電機的類別來說，可以選擇異步發(fā)電機。受到上述不同方面因素的影響，讓風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和普通的發(fā)電系統(tǒng)之間存在著很大的差別特征，具體如下：

（3）?異步發(fā)電機不具備相應(yīng)的電壓管控能力，使得電壓發(fā)生變化，易于超過相應(yīng)的區(qū)間。

上述不同方面的特征讓針對風(fēng)電系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性影響情況分析變得尤為關(guān)鍵[2]。

通常情況下，風(fēng)力機組的管控涵蓋了功率與速度的管控方面內(nèi)容。其中，功率主要運用到風(fēng)輪當(dāng)中，借助對葉片槳距角的科學(xué)管控，能夠得到最大的風(fēng)能，?規(guī)避出現(xiàn)轉(zhuǎn)軸和發(fā)電機過載的情況，達到了對機械保護的效果。速度則被運用到發(fā)電機當(dāng)中，借助對轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)子電流的管控方式，達到減小輸出功率變化的目的，?避免機械出現(xiàn)振蕩的現(xiàn)象。對于風(fēng)力機組的管控模式來說，受到機組類別不一樣的影響，存在著很大的差別。不過主要的規(guī)定均應(yīng)該保證良好的風(fēng)況、天氣與電網(wǎng)條件，提高了運行的安全性，同時也降低了年發(fā)電量與發(fā)電的經(jīng)濟成本[3]。由此可見，風(fēng)力機組的管控宗旨涵蓋了下述幾個方面的內(nèi)容：

（1）?處于既定的運行風(fēng)速區(qū)間當(dāng)中，確保風(fēng)力發(fā)電機組運行的穩(wěn)定性;

（2）?處于額定的風(fēng)速環(huán)境當(dāng)中，需要盡量獲得更多的風(fēng)能，使得風(fēng)能的利用率得以提升;

處于高風(fēng)速的環(huán)境當(dāng)中，應(yīng)該對機組的功率輸出加以有效限制，維持在相應(yīng)的額定值區(qū)間當(dāng)中，謹(jǐn)防出現(xiàn)風(fēng)機轉(zhuǎn)軸、發(fā)電機和電力電子設(shè)備過載的現(xiàn)象：

（4）?實現(xiàn)對相關(guān)風(fēng)力機組機械的有效保護。

一些負(fù)荷在運行的過程當(dāng)中，可以采用下述兩類管控模式：恒定葉尖速比方式、最大功率追蹤方式。在這當(dāng)中，前者的管控理念為在風(fēng)力機組處于最佳的葉尖速比情況下，所輸出的功率是最大的。進行實際管控的過程當(dāng)中，需要把風(fēng)力機的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率系數(shù)和葉尖速比間的特性有效儲存到相應(yīng)的管控系統(tǒng)之內(nèi)，并且借助相關(guān)測定設(shè)備，能夠得到現(xiàn)階段環(huán)境當(dāng)中的風(fēng)速、轉(zhuǎn)速，然后對比依靠計算獲取的葉尖速比參考數(shù)值，把所形成的誤差輸入到管控系統(tǒng)當(dāng)中，有利于縮小偏差[4]。實際上，此類管控方式在風(fēng)速、轉(zhuǎn)速的測定準(zhǔn)確度方面擁有很高的要求，?由此能夠看出其存在的弊端。而后者的管控方式則主要借助對轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的控制方法，能夠獲得最大的風(fēng)能。依靠此種模式，在風(fēng)速測定的精準(zhǔn)度、葉片的動態(tài)性方面敏感度不夠，可以被運用到很多大型的風(fēng)力發(fā)電機組當(dāng)中。

在有關(guān)風(fēng)電機組處于額定風(fēng)速、全負(fù)荷的運行狀態(tài)之下，應(yīng)該對風(fēng)輪、轉(zhuǎn)軸、發(fā)電機的容量加以科學(xué)限制，基于減小葉片的負(fù)載、機組所受沖擊影響的目的，?可以借助對該系統(tǒng)的管控方式，使風(fēng)力機組的輸出功率得到一定的限制。通常情況之下，處于全負(fù)荷運行狀態(tài)下的管控模式包含了三類，依次為定槳距管控、變槳距管控、主動失速管控。

我國某某區(qū)域電網(wǎng)運用了恒速恒頻異步發(fā)電機裝置，共計數(shù)量為?12?臺，各臺發(fā)電機功率是1.5MW?，相應(yīng)的額定電壓為0.69kV?，上述發(fā)電機終端均能夠滿足電容器補償機組無功方面的規(guī)定，?使電容器裝置容量處于某個范圍當(dāng)中

從對電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性影響方面的因素來說，主要涵蓋了下述幾個不同的方面，現(xiàn)加以展開分析與說明。

由于風(fēng)速處于持續(xù)的動態(tài)變化當(dāng)中，其中涵蓋了隨機的波動、機組有功、無功的變化等現(xiàn)象。假如風(fēng)電場所接入的為弱電網(wǎng)，這種電壓波動的情況會導(dǎo)致電壓出現(xiàn)閃變的情況。在相關(guān)風(fēng)速模型在噪音風(fēng)的情形之下，有功功率將根據(jù)風(fēng)速的波動方向出現(xiàn)一定的變化，機端電壓與其呈現(xiàn)出一定的差異性，受到變化的影響，使其與風(fēng)速變化的方向是相反的[5]。

從電網(wǎng)的角度來說，短路的容量、功率即為該點三相短路電流與額定電壓的乘積。如果短路電流?I?以kA?進行表示，相電電壓U?以kV?進行表示，能夠運用以

下公式對短路的容量進行準(zhǔn)確計算：?Sc?=?3?×U?×?IMVA?，此處的短路容量比?K?，?針對的為：在并入風(fēng)電場裝機容量明確的基礎(chǔ)上，通常需要科學(xué)利用耦合點的電路容量，并把風(fēng)機裝機容量?Pw?與連接點短路容量Sc?二者的比值當(dāng)成短路容量比;

具體實施的時候，短路容量比?K?將成為判斷接入風(fēng)電場裝機容量的主要參考指標(biāo)，一般來說，應(yīng)該小于某個數(shù)值[6]。

假如短路的容量比產(chǎn)生了變化之后，由?5%提高至?30%，面對此種狀況，機端電壓值隨之產(chǎn)生了振蕩的情況，同時隨之不斷下降，當(dāng)接近?30%的時候，完全失去了穩(wěn)定性。由此說明，短路容量比與風(fēng)電場的電壓變化呈現(xiàn)出密切的聯(lián)系。為了確保機端電壓的質(zhì)量達到相關(guān)規(guī)定，應(yīng)該使風(fēng)電場的裝機容量處于耦合點短路容量的特定百分值范圍當(dāng)中，對于我國來說，短路容量比一般應(yīng)該被管控在?9%?的范圍當(dāng)中。由此可見，經(jīng)過上文的論述與分析之后，從中不難看出，強化風(fēng)機端電壓受短路容量改變形成的影響分析可謂十分關(guān)鍵，具有很大的實施價值。

可以運用下述相關(guān)公式進行傳輸線路上電壓降DU?近似值的準(zhǔn)確計算：

對于以上的計算公式來說，不同的參數(shù)所代表的意思依次為：

P?代表的是風(fēng)電場輸出的有功;?Q?代表的是風(fēng)電場輸出的無功;P?>?0，Q?<?0?;R?代表的是傳輸線路的電阻;X?代表的是傳輸線路的電抗;VIG?代表的是風(fēng)電機組的機端電壓。

依靠有關(guān)電力系統(tǒng)對風(fēng)電場傳遞相應(yīng)的無功功率Q?，并且在電抗?X?方向之

上形成電壓降落縱分量;由風(fēng)電場供應(yīng)電網(wǎng)相應(yīng)的有功功率，同時在電阻?R?上形成分量，造成端電壓得以提升。當(dāng)風(fēng)電場的接入點如果處于電網(wǎng)的末端時候，這個時候此配電網(wǎng)傳輸線的阻抗比?X?/?R?的數(shù)值將處于某個范圍當(dāng)中，一般為?3～11，?結(jié)合最后的仿真結(jié)果，從中不難看出，受到?X?/?R?數(shù)值變大的作用影響，此時的風(fēng)電場電壓出現(xiàn)不斷下降的情況，相應(yīng)的電壓值則無法確保一定的穩(wěn)定性。

假設(shè)風(fēng)電場的功率輸出與禍合點二者之間的短路容量比選用12%?，當(dāng)受到阻抗比?X?/?R?提高的影響之后，此時的電壓會難以確保穩(wěn)定性。在此過程當(dāng)中，不難看出，應(yīng)該合理選取傳輸線路具體的阻抗比?X?/?R?參數(shù)，受此影響，有助于保證風(fēng)電場的穩(wěn)定性與安全性。

受到機端電壓跌落的影響，此時轉(zhuǎn)子的運轉(zhuǎn)速度開始加快，直至產(chǎn)生飛車的情況，所以，可以從中獲悉，通過對轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速加以科學(xué)管控，可以進一步增強風(fēng)電場的動態(tài)電壓性能。如果產(chǎn)生了三相短路的故障問題，在這個時候，無論是機端電壓，還是功率，均受到時間的變化隨之形成很大的改變。在此過程當(dāng)中，

電壓會處于一瞬間產(chǎn)生跌落的現(xiàn)象，然會回至0.8?pu?，有功功率則出現(xiàn)震蕩的情

況，無法保證穩(wěn)定性。面對轉(zhuǎn)速反饋控制的狀況時，電壓和有功功率可以處于很短的時間當(dāng)中，產(chǎn)生的震蕩現(xiàn)象將得以恢復(fù)正常，擁有良好的穩(wěn)定性。一般情況下，借助此種管控措施，目的在于讓風(fēng)力機組的輸出變得更加穩(wěn)定，當(dāng)機組的轉(zhuǎn)速逐漸加快以后，此系統(tǒng)依然處于短路的時候能夠獲得良好的穩(wěn)定性。

綜上所述，鑒于風(fēng)能的隨機性、間歇性特征十分顯著，與風(fēng)電場運用異步發(fā)

電機的部分特性，受到風(fēng)電裝機容量日益增大的影響，使其在配電網(wǎng)中的作用逐漸變大，應(yīng)該確保風(fēng)電并網(wǎng)運行的安全性與穩(wěn)定性。面對此過程當(dāng)中經(jīng)常出現(xiàn)的風(fēng)電系統(tǒng)電能質(zhì)量降低、電壓失穩(wěn)等問題，有必要積極開展針對并網(wǎng)風(fēng)電場帶給電壓穩(wěn)定性影響情況的探究工作。為此，筆者經(jīng)過查閱大量相關(guān)研究文獻之后，?基于三相短路故障之下，對兩種機組的風(fēng)電系統(tǒng)仿真情況加以分析和說明，把相應(yīng)的控制器裝置應(yīng)用到常規(guī)的異步機組風(fēng)電場當(dāng)中，能夠確保電壓的穩(wěn)定性，并且把相關(guān)轉(zhuǎn)子短路保護裝置應(yīng)用到雙饋異步機組風(fēng)電場當(dāng)中，可以讓電壓的穩(wěn)定性得以提高，從而真正發(fā)揮出其應(yīng)有的功效和作用。

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作者簡介：林躍（1994—??），男，山東鄒城人，碩士，助理工程師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護及安全自動裝置檢修維護工作。