對(duì)風(fēng)力發(fā)電接入電網(wǎng)中的電壓無功控制問題研究

李凱

【摘 要】風(fēng)力發(fā)電具有節(jié)約能源、清潔和高效等優(yōu)點(diǎn)，因此受到了較多人的關(guān)注，其發(fā)展也十分的迅速，當(dāng)前我國(guó)許多地區(qū)都開始嘗試通過風(fēng)力發(fā)電滿足人們的用電需求。然而大規(guī)模的風(fēng)電接入也會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行產(chǎn)生影響，容易造成電壓不穩(wěn)或者是無功控制的問題。因此，對(duì)風(fēng)力發(fā)電接入電網(wǎng)中的電壓無功控制問題進(jìn)行研究就極有必要了。文章將從風(fēng)力發(fā)電接入電網(wǎng)中電壓無功控制穩(wěn)定性影響因素進(jìn)行分析，探討做好相關(guān)工作的方法和策略。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)力發(fā)電；電壓無功控制；問題研究

近些年來，隨著科技的不斷發(fā)展和進(jìn)步，我國(guó)對(duì)再生資源的重視程度不斷加大，政府投入了大筆的資金用于對(duì)再生資源的研究，風(fēng)能作為重要的再生能源，其具有環(huán)保節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展規(guī)模和速度不斷的加快。而隨著大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電站的建設(shè)，電壓的穩(wěn)定性問題也受到了越來越多人的關(guān)注。電網(wǎng)末端通常是風(fēng)電機(jī)組接入的地方，其被稱為受端電力系統(tǒng)。一定量的風(fēng)電接入之后，地區(qū)內(nèi)部負(fù)荷可能會(huì)被消除，其有助優(yōu)化局部電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，降低電網(wǎng)損失的目的，有利于改善當(dāng)?shù)氐碾妷核健５窃陲L(fēng)電場(chǎng)無功需求增大時(shí)，輸電線路的無功損耗也將會(huì)增大，這樣可能就會(huì)使得電網(wǎng)因?yàn)闊o功不足造成電壓降低，電壓的穩(wěn)定性變差。

一、風(fēng)力發(fā)電接入電網(wǎng)中電壓無功控制出現(xiàn)問題的原因

一般來說，風(fēng)電機(jī)組對(duì)于電壓的變化是非常靈敏的，基本上所有的風(fēng)機(jī)都安裝有低電壓保護(hù)器，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組的端電壓低于正常要求時(shí)，風(fēng)機(jī)將會(huì)自動(dòng)停止運(yùn)行。因此，當(dāng)系統(tǒng)受到外界干擾時(shí)，風(fēng)電機(jī)組將處于低電壓保護(hù)狀態(tài)，系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性變差，最終可能會(huì)使得系統(tǒng)電壓崩潰，影響風(fēng)力發(fā)電的正常運(yùn)行，而其導(dǎo)致無功控制出現(xiàn)問題主要是由以下幾方面因素造成的。

1、負(fù)荷特性

在電力系統(tǒng)中，負(fù)荷類型繁多，其特性也各不相同。通常電力系統(tǒng)在運(yùn)行靜態(tài)仿真時(shí)，負(fù)荷可以分為恒電流負(fù)荷、恒阻抗負(fù)荷和恒功率負(fù)荷等不同狀態(tài)。而這幾種狀態(tài)中，對(duì)電壓穩(wěn)定性影響最為明顯的負(fù)荷就是恒功率負(fù)荷，其次則為恒電流負(fù)荷，恒阻抗負(fù)荷影響最小。在對(duì)電壓穩(wěn)定性和無功控制問題進(jìn)行研究時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)負(fù)荷的特性對(duì)于相關(guān)問題的分析顯得十分的重要，如果以上幾種分類無法滿足需求時(shí)，在風(fēng)力發(fā)電接入電網(wǎng)時(shí)，就需要對(duì)負(fù)荷特性進(jìn)行建模，以控制電壓的穩(wěn)定性，做好電壓無功控制問題。

2、風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)的強(qiáng)弱程度

大規(guī)模風(fēng)電接入電力系統(tǒng)時(shí)，并網(wǎng)點(diǎn)的強(qiáng)度與并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)的容量是成正比關(guān)系的，并網(wǎng)點(diǎn)電氣強(qiáng)度會(huì)隨著并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)容量的增大而逐漸增大。通常情況下，短路容量百分比可以用來表示并網(wǎng)點(diǎn)接入風(fēng)電的程度，即風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量占并網(wǎng)點(diǎn)短路容量的比例，如果電網(wǎng)結(jié)構(gòu)不同，那么其無功控制要求也存在有一定的差異，短路容量和百分比的控制也會(huì)不同，一般情況下，短路百分比可能會(huì)比較高。

3、風(fēng)電機(jī)組的特性

當(dāng)前，隨著科技的發(fā)展和進(jìn)步，風(fēng)電機(jī)組的類型越來越繁多，根據(jù)劃分標(biāo)準(zhǔn)差異，可以將其分為定漿距和變槳距風(fēng)機(jī)、恒速風(fēng)機(jī)和變速風(fēng)機(jī)、異步風(fēng)機(jī)和同步風(fēng)機(jī)等。理想的風(fēng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)一般很少出現(xiàn)問題，因此，維修也比較少。在風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)根據(jù)風(fēng)速大小、速度變化等，可以進(jìn)行有功功率和無功功率控制。風(fēng)機(jī)的一個(gè)重要特性時(shí)具有較強(qiáng)的低電壓穿越能力，大規(guī)模的風(fēng)電接入以后，這種穿越能力將對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定和無功控制帶來極大的影響。

二、風(fēng)電接入電網(wǎng)中的電壓無功控制對(duì)電力系統(tǒng)的影響

當(dāng)前并入電網(wǎng)大部分都是大規(guī)模分布式發(fā)電狀況，當(dāng)注入電網(wǎng)的功率比接入電網(wǎng)的整體負(fù)荷功率小時(shí)，由于線路上的電阻而損失的功率就會(huì)減小，這樣電壓就會(huì)升高，總的來說風(fēng)力發(fā)電接入電網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)電壓分布狀態(tài)具有一定的改善作用。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的類型差異、接入電網(wǎng)位置不同、風(fēng)電場(chǎng)的容量不同因此其對(duì)于電壓分布狀態(tài)的改善作用也存在有一定的影響，如果在操作過程中操作不當(dāng)可能就會(huì)對(duì)無功控制效果產(chǎn)生影響。據(jù)相關(guān)學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，負(fù)荷特性極限功率隨著風(fēng)電場(chǎng)的有功出力增大而增大，靜態(tài)電壓穩(wěn)定性也因此而變強(qiáng)，但是負(fù)荷特性的極限功率也會(huì)隨著風(fēng)電場(chǎng)的無功需求減少而減小，這樣電力系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性也會(huì)因此受到影響。此外，風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力問題也與電壓無功控制存在有一定的關(guān)聯(lián)，其也會(huì)影響風(fēng)力發(fā)電的正常運(yùn)行。

三、風(fēng)力發(fā)電接入電網(wǎng)中的電壓無功控制策略

在風(fēng)力發(fā)電接入電網(wǎng)中的電壓無功控制問題分析過程中發(fā)現(xiàn)，大規(guī)模風(fēng)電接入對(duì)電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性的影響比較大，風(fēng)電接入電網(wǎng)必然會(huì)對(duì)電壓穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響，其運(yùn)行的安全性也難以得到有效的保證。因此，在接入電網(wǎng)之后必須要做好無功控制策略，其具體措施如下：

1、集中優(yōu)化控制

這種方式主要是根據(jù)全網(wǎng)的狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，進(jìn)而得出全網(wǎng)的電壓無功的最優(yōu)解，通過調(diào)度中心進(jìn)行安全性分析并按照最優(yōu)解實(shí)施電壓無功集中控制。在這個(gè)過程中比較常用的算法有線性規(guī)劃、遺傳算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。線性規(guī)劃的特點(diǎn)就在于其速度快，但其不容易收斂。遺傳算法的收斂性比較好，但是速度相對(duì)比較慢，目前無法用于實(shí)時(shí)優(yōu)化計(jì)算。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前最為先進(jìn)的算法，但是，該方法仍處于探索階段。從理論上來講，通過電網(wǎng)調(diào)度中心實(shí)施整個(gè)系統(tǒng)的電壓無功集中優(yōu)化控制是最為合理的一種方法。

2、就地分散控制

這種控制方式基本上是以變電站為單位實(shí)施的本地分散控制調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)電壓和無功功率就地平衡。這種控制方式的優(yōu)點(diǎn)就在于其使用原理比較簡(jiǎn)單，實(shí)施操作可靠。其有效的避免了無功功率經(jīng)過長(zhǎng)途輸送流經(jīng)各級(jí)輸變電設(shè)備所造成的功率損耗和電壓降落，但是由于其僅僅只能得到本站的數(shù)據(jù)，所以其特點(diǎn)是僅能夠?qū)崿F(xiàn)局部最優(yōu)，無法實(shí)現(xiàn)全局最優(yōu)，因此其控制范圍有限。

3、關(guān)聯(lián)分散控制

所謂的關(guān)聯(lián)分散控制方式是以發(fā)電站為中心，結(jié)合事先規(guī)定的母線電壓允許數(shù)值和該發(fā)電站與系統(tǒng)交換無功功率的允許范圍，由安裝于該站的高壓無功綜合控制裝置根據(jù)該站的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況，對(duì)有載調(diào)壓變壓器的分接頭位置和并聯(lián)電容器進(jìn)行優(yōu)化自動(dòng)調(diào)節(jié)，在有需要時(shí)也可由調(diào)度直接下達(dá)命令進(jìn)行調(diào)節(jié)。這種調(diào)節(jié)方式穩(wěn)定性、安全性和經(jīng)濟(jì)性都比較好，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

4、做好環(huán)境監(jiān)測(cè)工作

針對(duì)風(fēng)力發(fā)電接入電網(wǎng)中的電壓無功控制問題，除了以上兩種措施以外，還需要做好環(huán)境監(jiān)測(cè)工作，風(fēng)力發(fā)電雖然優(yōu)勢(shì)眾多，但是其也是最容易被外界因素干擾的一種發(fā)電方式，而且不同地區(qū)由于環(huán)境、地形等因素的影響，風(fēng)力發(fā)電接入電網(wǎng)的影響也存在有較大的差異。因此，筆者認(rèn)為在進(jìn)行電壓無功控制時(shí)，還需要做好環(huán)境監(jiān)測(cè)工作，在風(fēng)力發(fā)電接入電網(wǎng)時(shí)一旦發(fā)現(xiàn)外部環(huán)境出現(xiàn)異常時(shí)，要立即停止相關(guān)工作，采取有效的防范措施進(jìn)行防范，降低無功功率對(duì)電壓穩(wěn)定性帶來的影響。

總之，大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)必然會(huì)對(duì)電壓的無功控制帶來影響，進(jìn)而可能會(huì)影響電壓的穩(wěn)定性。因此，對(duì)風(fēng)電發(fā)電接入電網(wǎng)中的電壓進(jìn)行無功控制就極為有必要了，做好這方面的工作，能夠更好的滿足人們的用電需求，發(fā)揮風(fēng)力發(fā)電的作用和價(jià)值，能夠有效的節(jié)約能源和資源，其對(duì)于我國(guó)電力事業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步也有一定的促進(jìn)作用。

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