大規(guī)模風(fēng)電場和光伏電站的電網(wǎng)接入影響與無功支撐研究

王劍波

（安徽送變電工程有限公司，安徽 合肥 230022）

0 引 言

電力系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展和清潔能源的廣泛應(yīng)用成為當(dāng)今社會的重要話題，其中大規(guī)模風(fēng)電場和光伏電站作為可再生能源的主要代表，是電力系統(tǒng)的重要組成部分之一。但隨著大規(guī)模風(fēng)電場和光伏電站的快速發(fā)展和接入電網(wǎng)的增多，電網(wǎng)接入影響與無功支撐問題日益凸顯，對電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性產(chǎn)生了顯著影響。電網(wǎng)接入對風(fēng)電場和光伏電站的影響涉及電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性、電流質(zhì)量以及頻率穩(wěn)定性等方面。由于風(fēng)力和太陽能等可再生能源的不確定性，大規(guī)模風(fēng)電場和光伏電站的無功功率調(diào)節(jié)成為電網(wǎng)運(yùn)行的重要問題。

本研究可以增進(jìn)對大規(guī)模風(fēng)電場和光伏電站電網(wǎng)接入影響的理解，為電力系統(tǒng)規(guī)劃和運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)，為電力系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展和清潔能源的高比例接入提供技術(shù)支持和決策參考。

1 大規(guī)模風(fēng)電場和光伏電站的電網(wǎng)接入問題

1.1 可再生能源的快速增長趨勢

隨著全球?qū)η鍧嵞茉葱枨蟮牟粩嘣黾?，大?guī)模風(fēng)電場和光伏電站作為可再生能源的主要來源，呈現(xiàn)出快速增長的趨勢。風(fēng)電和光伏發(fā)電容量的迅猛增長，歸功于政府對可再生能源發(fā)展的鼓勵(lì)和支持，使得大規(guī)模風(fēng)電場和光伏電站的接入電網(wǎng)變得日益普遍。

1.2 電網(wǎng)接入帶來的挑戰(zhàn)

1.2.1 電壓穩(wěn)定性問題

大規(guī)模風(fēng)電場和光伏電站的電網(wǎng)接入會對電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。由于可再生能源的輸出具有波動性和不確定性，可能造成電網(wǎng)電壓波動，甚至出現(xiàn)電壓異常。

1.2.2 頻率響應(yīng)問題

大規(guī)模風(fēng)電場和光伏電站的接入會對電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。由于可再生能源的輸出受風(fēng)速和日照強(qiáng)度等因素的影響，發(fā)電容量可能會發(fā)生劇烈變化，導(dǎo)致電力系統(tǒng)頻率產(chǎn)生波動。

1.2.3 電力質(zhì)量問題

大規(guī)模風(fēng)電場和光伏電站的接入還可能引發(fā)電力質(zhì)量問題，包括電網(wǎng)電壓波動、諧波擾動、電網(wǎng)電壓偏差等。由于可再生能源的非線性特性和電力電子裝置的使用，風(fēng)電場和光伏電站的接入可能對電力系統(tǒng)的電力質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。

2 電網(wǎng)無功支撐的重要性與原理

2.1 無功功率的概念與作用

無功功率與有功功率一起構(gòu)成了總功率的概念。無功功率是指在交流電路中，由于電感和電容元件的存在，電流和電壓之間存在相位差，從而產(chǎn)生無功功率的傳輸。與有功功率不同，無功功率不直接用于實(shí)際功的傳輸，但對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和電能質(zhì)量起著重要作用。無功功率的不平衡和波動性可能導(dǎo)致電力系統(tǒng)產(chǎn)生電壓波動、電壓偏差和諧波，從而影響電力設(shè)備的正常運(yùn)行和用戶用電質(zhì)量。

2.2 電力系統(tǒng)的無功支撐需求

電力系統(tǒng)中存在大量的感性負(fù)載和電容性負(fù)載，它們對無功功率的需求存在差異。感性負(fù)載需要由源無功功率來供給，而電容性負(fù)載則需要吸收無功功率。因此，為滿足電力系統(tǒng)的無功功率需求，引入無功支撐技術(shù)至關(guān)重要。

無功支撐技術(shù)的目標(biāo)是通過控制和調(diào)節(jié)無功功率的產(chǎn)生、傳輸和消耗，使電力系統(tǒng)能滿足不同負(fù)載的無功功率需求，維持電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，保障電能質(zhì)量。無功支撐技術(shù)對于大規(guī)模風(fēng)電場和光伏電站的電網(wǎng)接入尤為重要，其輸出受天氣和環(huán)境等條件的影響，具有波動性和不確定性，對電網(wǎng)的無功功率平衡提出了更高的要求。

2.3 無功支撐的常見方法

為了實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的無功支撐，常采用靜態(tài)無功補(bǔ)償裝置和動態(tài)無功補(bǔ)償裝置（Static Var Generator，SVG）。

2.3.1 靜態(tài)無功補(bǔ)償裝置

靜態(tài)無功補(bǔ)償裝置是通過電力電子器件進(jìn)行無功功率的補(bǔ)償和控制。常見的靜態(tài)無功補(bǔ)償裝置包括靜態(tài)無功補(bǔ)償器（Static Var Compensator，SVC）和靜態(tài)同步補(bǔ)償器（Static Synchronous Compensator，STATCOM），可以根據(jù)電力系統(tǒng)的無功需求，通過控制電流和電壓的相位、幅值、頻率等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)無功功率的傳輸和消耗，從而實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的無功支撐。

2.3.2 動態(tài)無功補(bǔ)償裝置

SVG利用旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備（如發(fā)電機(jī)）或可控電力電子器件來實(shí)現(xiàn)無功功率的補(bǔ)償和控制。常見的動態(tài)無功補(bǔ)償裝置包括靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償裝置（Static Series Synchronous Compensator，SSSC）、STATCOM、柔性交流輸電系統(tǒng)（Flexible Alternative Current Transmission Systems，F(xiàn)ACTS）[1-3]。

3 大規(guī)模風(fēng)電場和光伏電站的無功支撐技術(shù)研究

3.1 電壓和頻率響應(yīng)能力分析

在大規(guī)模風(fēng)電場和光伏電站的電網(wǎng)接入中，電壓和頻率響應(yīng)能力是評估其無功支撐技術(shù)的重要指標(biāo)。通過分析電壓和頻率響應(yīng)能力，可以確定電站對電力系統(tǒng)電壓和頻率波動的抑制能力。電壓響應(yīng)能力分析主要是對電站無功功率變化的響應(yīng)時(shí)間、響應(yīng)準(zhǔn)確度和穩(wěn)態(tài)誤差等指標(biāo)的評估，頻率響應(yīng)能力分析則關(guān)注電站對電力系統(tǒng)頻率變化的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。分析結(jié)果可以幫助優(yōu)化無功支撐技術(shù)的設(shè)計(jì)和控制策略，提高電站對電力系統(tǒng)無功需求的滿意度。

3.2 電流注入控制策略

電流注入控制策略是通過控制電站逆變器的輸出電流，使電站能夠主動注入或吸收適當(dāng)?shù)臒o功功率，以滿足電力系統(tǒng)的無功需求。

3.2.1 無功功率調(diào)節(jié)

電流注入控制策略允許電站根據(jù)電力系統(tǒng)的無功需求情況動態(tài)調(diào)整逆變器的無功功率輸出，使逆變器可以主動注入或吸收無功功率，維持電力系統(tǒng)的無功平衡。通過監(jiān)測電力系統(tǒng)的電壓和頻率變化情況，以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)逆變器的工作狀態(tài)，控制無功功率的注入或吸收，從而維持電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2.2 電壓和頻率響應(yīng)

電流注入控制策略能夠根據(jù)電力系統(tǒng)的電壓和頻率變化情況，實(shí)時(shí)調(diào)整逆變器的工作模式。例如，電力系統(tǒng)的電壓或頻率偏離額定值時(shí)，逆變器可以相應(yīng)地注入或吸收無功功率，以保持電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。這種電壓和頻率響應(yīng)能力，對于處理電力系統(tǒng)的瞬態(tài)擾動和持續(xù)性擾動非常重要，有助于維持電力系統(tǒng)電壓和頻率的穩(wěn)定。

3.2.3 無功支撐功能

電流注入控制策略使風(fēng)電場和光伏電站具有無功支撐功能，即電站能夠主動注入或吸收適當(dāng)?shù)臒o功功率，以避免電力系統(tǒng)存在無功功率缺陷或過剩。通過控制逆變器的工作狀態(tài)，電站可以在需要時(shí)提供無功功率支撐，以維持電力系統(tǒng)電壓和頻率的穩(wěn)定。

電流注入控制策略在大規(guī)模風(fēng)電場和光伏電站中起著重要作用。該策略能夠?qū)崿F(xiàn)無功功率的調(diào)節(jié)和無功支撐功能，有助于提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性；同時(shí)使可再生能源發(fā)電系統(tǒng)能更好地與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行，促進(jìn)清潔能源的可持續(xù)利用。

3.3 電壓源和電流源無功控制策略

電壓源和電流源無功控制策略是另一種常用的大規(guī)模風(fēng)電場和光伏電站的無功支撐技術(shù)。通過控制逆變器的電壓或電流源特性，實(shí)現(xiàn)無功功率的主動注入或吸收。在電壓源無功控制策略中，逆變器的輸出電壓被控制在特定的參考范圍，通過調(diào)節(jié)逆變器的無功功率輸出實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)無功功率的補(bǔ)償。而在電流源無功控制策略中，逆變器的輸出電流被控制在特定的參考范圍，以實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)無功功率的調(diào)節(jié)。

3.4 模擬與仿真研究方法

為了研究和評估大規(guī)模風(fēng)電場和光伏電站的無功支撐技術(shù)，在實(shí)際建設(shè)之前，常采用模擬與仿真研究的方法驗(yàn)證技術(shù)的可行性。通過在計(jì)算機(jī)軟件平臺上建立電力系統(tǒng)和電站的數(shù)學(xué)模型，模擬不同工況下的運(yùn)行情況，以評估無功支撐技術(shù)的性能和效果。通過調(diào)整模型參數(shù)和運(yùn)行條件，快速分析和比較不同無功支撐技術(shù)的影響，預(yù)測電站在實(shí)際運(yùn)行中的響應(yīng)能力，并優(yōu)化控制策略。常用的電力系統(tǒng)仿真軟件包括PSCAD、PowerFactory、MATLAB/Simulink等。

3.5 實(shí)際案例研究與測試結(jié)果

為了驗(yàn)證和評估大規(guī)模風(fēng)電場和光伏電站的無功支撐技術(shù)，在實(shí)際運(yùn)行中需要進(jìn)行案例研究和測試。通過在不同地理位置和電力系統(tǒng)條件下的大規(guī)模電站上進(jìn)行測試，可以獲取實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，并評估無功支撐技術(shù)的有效性和可行性。實(shí)際案例研究與測試結(jié)果可以用于判斷電站無功支撐技術(shù)在實(shí)際場景中的表現(xiàn)情況，包括無功功率響應(yīng)時(shí)間、穩(wěn)定性、控制精度等指標(biāo)的評估（見表1）。同時(shí)，可以探索不同電力系統(tǒng)條件下的無功支撐策略的適用性和局限性，為進(jìn)一步優(yōu)化無功支撐技術(shù)提供參考。

表1 不同電站無功支撐技術(shù)測試指標(biāo)與測試結(jié)果

通過案例研究和測試數(shù)據(jù)，可以更好地了解無功支撐技術(shù)在實(shí)際場景中的表現(xiàn)，為未來的電力系統(tǒng)優(yōu)化和改進(jìn)提供參考。

4 電網(wǎng)無功支撐與穩(wěn)定性仿真分析

4.1 電力系統(tǒng)模型建立

在進(jìn)行電網(wǎng)無功支撐與穩(wěn)定性仿真分析之前，需要建立電力系統(tǒng)模型。該模型應(yīng)包括電力系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)、傳輸線路、負(fù)荷以及其他電力設(shè)備，同時(shí)要充分考慮電力系統(tǒng)的復(fù)雜性和多樣性，以準(zhǔn)確反映電力系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況。電力系統(tǒng)模型的建立可以基于現(xiàn)有的電力系統(tǒng)仿真軟件平臺，如PSCAD、PowerFactory或MATLAB/Simulink等。通過選擇合適的模型元件和參數(shù)設(shè)置，可以準(zhǔn)確地描述電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特性，為后續(xù)的仿真分析奠定基礎(chǔ)[4]。

4.2 風(fēng)電場和光伏電站模型集成

將風(fēng)電場和光伏電站的模型集成到電力系統(tǒng)模型中。其中，風(fēng)電場模型要考慮風(fēng)速的變化對風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率的影響，光伏電站模型要考慮光照強(qiáng)度的變化對光伏組件輸出功率的影響。風(fēng)電場和光伏電站模型的集成可以采用標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型和光伏組件模型，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整參數(shù)。同時(shí)，將風(fēng)電場和光伏電站的逆變器模型與電力系統(tǒng)模型進(jìn)行連接，以實(shí)現(xiàn)與電力系統(tǒng)的交互。

4.3 仿真參數(shù)與場景設(shè)定

在進(jìn)行仿真分析之前，需要設(shè)定仿真參數(shù)和場景。仿真參數(shù)包括仿真時(shí)間、時(shí)間步長、仿真算法等，根據(jù)具體需求進(jìn)行選擇。場景設(shè)定包括電力系統(tǒng)初始狀態(tài)、風(fēng)速或光照強(qiáng)度的變化規(guī)律等。仿真參數(shù)和場景的設(shè)定要充分考慮電力系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況，需要有一定的代表性。例如，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)或?qū)崪y數(shù)據(jù)來確定風(fēng)速或光照強(qiáng)度的變化規(guī)律，以驗(yàn)證無功支撐策略在不同工況下的性能。

4.4 無功支撐策略效果評估

利用建立的電力系統(tǒng)模型和集成的風(fēng)電場和光伏電站模型進(jìn)行無功支撐策略的仿真分析。根據(jù)設(shè)定的場景和仿真參數(shù)，模擬風(fēng)電場和光伏電站對電力系統(tǒng)的無功需求響應(yīng)，并評估無功支撐策略的效果。評估指標(biāo)包括無功功率響應(yīng)時(shí)間、穩(wěn)態(tài)誤差、控制精度等[5]。通過對不同無功支撐策略的比較分析，以確定最佳的無功支撐方案，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

4.5 穩(wěn)定性分析與對比

在仿真分析的基礎(chǔ)上，對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行評估和對比，包括電壓穩(wěn)定性、頻率穩(wěn)定性等內(nèi)容。第一，電壓穩(wěn)定性。評估系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)的電壓波動情況，對比不同無功支撐策略的電壓穩(wěn)定性指標(biāo)，分析風(fēng)電場和光伏電站對電力系統(tǒng)電壓的影響。第二，頻率穩(wěn)定性。評估系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性，對比不同無功支撐策略的頻率穩(wěn)定性指標(biāo)，分析風(fēng)電場和光伏電站對電力系統(tǒng)頻率的影響。

5 結(jié) 論

大規(guī)模風(fēng)電場和光伏電站的電網(wǎng)接入對電力系統(tǒng)的無功需求產(chǎn)生了顯著影響，導(dǎo)致電力系統(tǒng)的無功功率產(chǎn)生波動和變化，并影響電力系統(tǒng)的無功平衡。通過合理設(shè)計(jì)無功支撐策略可以提高大規(guī)模風(fēng)電場和光伏電站的無功支撐能力，增強(qiáng)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。采用適當(dāng)?shù)臒o功補(bǔ)償設(shè)備、控制策略和調(diào)度方法，有效避免無功功率波動，并提供電力系統(tǒng)所需的無功支撐。為了推動大規(guī)模風(fēng)電場和光伏電站的電網(wǎng)接入，一方面，政府可以制定可再生能源配額制度、提供經(jīng)濟(jì)激勵(lì)和稅收優(yōu)惠，簡化接入程序和審批流程；另一方面，電力公司應(yīng)該在電力系統(tǒng)規(guī)劃和運(yùn)營中充分考慮大規(guī)模風(fēng)電場和光伏電站的接入，確保其接入容量和位置合理，保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。