风电接入电网的研究范文

《电气时代杂志》2014年第五期

一、风电并网的主要研究问题

现代风力发电产业在20世纪80年代初始发于美国加利福尼亚州。在此之后，由于风力发电具有环境友好、技术成熟及全球可行的特点，并且具有超过20年良好运行记录，越来越被人们所认可。风力发电技术开始迅速发展，并网型风电机组逐步向大型化方向发展。随着风电场在电力系统电源所占比例不断增加，风电对电力系统的影响在不断加深。为保证电力系统安全稳定运行，国内外均制定了风电并入系统的相关技术要求，并对一些共性问题，如电能质量、潮流计算、无功电压和稳定运行等，进行了大量研究，下面就风电并入系统后的热点问题及研究成果进行综述。

1.电能质量风速变化使风电场的输出功率波动，从而引起电网电压波动。风电机组本身固有的特性（风剪切、塔影效应、叶片重力偏差和偏航误差等）也可能造成电网电压波动，进而使电网出现可察觉的闪变显现。如果短周期内变化较大，则引起的电压波动、畸变率和电压闪变可能会超出国家相关标准。某文献结合并网风电机组电能质量的国际电工标准IEC61400—21，介绍了风电机组在持续不间断运行与切换操作运行期间引起的闪变值与相对电压变动的计算公式，考虑有功电流和无功电流分别在线等效电阻和等效电抗上的压降。某文献根据IEC和其他相关标准计算了新疆电网达坂城地区风电场系统连续运行情况下的电压波动、闪变、谐波和传递至电网负荷节点后的闪变值；并分析了风电场因故切除后的系统频率偏差，同时指出，为提高电能质量，制定了风电发展规划时需对电网传输能力、无功功率、电压控制方式和机组组合方式等方面进行分析的策略。某文献提出了改善电网电压波动和闪变的措施：①合适的线路电抗与电阻比可以使有功功率和无功功率引起的电压波动相互抵消掉，风电场接入系统的线路参数要经过合理计算。②在风电场并入电网时，选择相适应的短路容量并网点很重要，尤其是接入薄弱电网时。风电给系统带来谐波的途径主要有两种：一种是风电机组的电力电子装置。对于恒速恒频的风机软并网装置在并网过程中会产生一定的谐波，但由于时间很短，发生次数也不多，对电网电能质量的影响不大。但是对于变速恒频的风机的变流器，在风电机组运行过程中一直处于工作状态，因此需要考虑谐波干扰问题，如果电力电子装置的切换频率刚好在产生谐波的范围内，则会产生严重的谐波问题，随着电力电子器件和技术的不断进步，这个问题也在逐步得到解决。另一种是风机的并联补偿电容器可能和线路电抗发生谐振，在实际运行中，曾出现过风电场出口变压器的低压侧产生大量谐波的现象。某文献采用简单的物理模型（变压器用短路电抗表示，发电机和负荷用阻抗支路表示），就得到了和实测相当接近的结果。与闪变问题相比，风电并网带来的谐波问题不是很严重，相关的研究文献也不多。由于风电场的接入对电能质量有一定的影响，当风电场并入电网时有必要对风电场接入电网后的电能质量进行评估，以保证其电能质量符合IEC和国家有关标准。

2.潮流计算风电并入系统后的潮流计算热点问题是风电场的模型。目前主要有两种模型，一是P－Q模型，另一种是R－X模型。在精度要求不高的情况下，风力发电机一般等值为传统的PQ节点。某文献将风电机组等效为PQ节点，根据给定的风速和功率因数计算风电机组的有功功率和无功功率。某文献考虑了风电场无功功率受节点电压的影响，进一步完善了P－Q模型。由于P－Q模型在反映风力发电本质上存在一定的局限性，某文献提出了R－X模型，该模型充分考虑了异步发电机本身的特性，但在模型求解过程中需将迭代过程分两步，求解效率有待提高。某文献在传统R－X模型的基础上进一步简化，避免了传统R－X模型的两步迭代，提高了迭代收敛速度。某文献在简化的异步发电机组稳态等效电路的基础上，得出异步发电机组无功功率与有功功率之间的关系，通过常规潮流迭代和风电机组机端电压迭代两个过程，完成含有风电场的电力系统潮流计算。某文献根据风电机组机端电压、有功功率、无功功率以及滑差之间的耦合关系，通过修正雅克比矩阵，实现了含风电场的电力系统潮流的联合迭代方法。

3.无功补偿与电压稳定电压稳定问题是风电并网运行中普遍存在的问题。对含风电场的电力系统的静态电压稳定性的研究方法有P－V曲线法和V－Q曲线法两种。对风电并网暂态电压稳定性分析主要采用时域仿真法。基于普通异步机的恒速风电机组是目前世界上广泛使用的风电机组，该类型风电机组并入电网后在发出有功的同时也吸收无功。随着风速的不断变化，感应电动机吸收或消耗的无功也会不断变化。由于风机对端电压暂时性的降落很敏感，由电网电压波动而引起的风力发电机端电压降落很容易导致切机，反复切机将会缩短风机寿命。因此，合理配置风电场的无功补偿是解决风电场并入电网电压稳定问题的关键。某文献研究了基于普通异步发电机的恒速风电机组接入电网电压稳定的影响，研究表明，恒速风电机组在运行中发出有功功率的同时需吸收无功功率，整个风电场的无功需求较大，导致接入风电的地区电网电压稳定性降低；并指出电压稳定问题还与并网点的短路容量、送出线路的R/X，风电场的无功补偿措施有一定的关系。某文献提出了涉及风速和负荷变化对风电场输出有功功率和无功功率影响的电容器总容量计算方法，并提出应用遗传算法确定风电场并网点处电容器的分组容量及其控制规则。某文献提出基于随机模拟技术和Beta分布的粒子群优化解算方法，其计算方法具有较好的效果。然而，随着风电机组技术的发展及风电在电网中比例的迅速提高，在电网发生故障期间，风电场被要求在一定时间范围内能够连续运行而不脱离电网，甚至被要求风电场在电网故障发生后发出无功功率参与电网控制。因此，有必要进一步研究改善并网风电场暂态电压稳定性的措施。某文献提出了一种电网对称故障下保持双馈感应风力发电机组不脱网运行的新型励磁控制策略，以实现电网故障期间风电机组的不间断运行。研究表明，提高无功控制能力并采用适当的控制策略是提高风电并网后电压稳定性的重要措施，但这种方法对阻止电压恶性下降的能力有限，在风电场并网点安装低压减载装置将会是一种有效措施，如何针对异步风机特点进行低压减载的配置和整定将是一个重要的研究问题。

4.暂态稳定问题大量风电容量并入电网原有的潮流分布、线路传输功率和系统惯量，电网故障期间或电网故障切除后风电场的动态特性将会影响电网的暂态稳定性，不同风电机组组成的风电场对电网暂态稳定性的影响也不同。某文献给出了异步风力发电机组的动态仿真数学模型和含风电场的电力系统暂态稳定分析方法，分析了风电场接入后电网的暂态稳定性，并使用控制负荷侧功率因数，采用动态无功补偿装置等措施改善电网暂态稳定水平。某文献探讨了大规模双馈型风电并网后对电力系统暂态稳定性的影响。研究比较了在电网同一点接入双馈型风电场合同步发电机的系统暂态稳定特性，在某些故障条件下，双馈型风电场并网后对系统暂态稳定性会产生不好的影响。对于大规模双馈风电并网后对电网暂态稳定性还需要进一步深入研究。某文献对含风电场的内蒙古电网进行了大扰动稳定分析，分析了大量风电集中接入后电力系统的功角稳定，提出了利用风电机组的低电压保护和系统安全自动控制装置互相配合提高系统大扰动稳定水平的控制措施。

5.小干扰稳定问题风电并网初期，由于并网容量较小，没有表现出对系统动态稳定性的明显负面作用。但是，随着接入规模的增长，风电机组出力的随机性和间歇性是否会影响原有系统的阻尼情况已成为风电研究中不可缺少的问题。大区域电网互联已成当今电力系统发展的趋势，但大电网区域间和区域间弱阻尼或负阻尼问题也变得更加突出。风电的接入，是否会加剧原本的动态稳定问题也是个很值得研究的热点问题。某文献建立了可用于小干扰稳定分析的异步风力发电机组数学模型，并通过2个算例研究了影响包含风电场的电力系统的小干扰稳定性因素，算例分析表明，与风电机组强相关的振荡模式有着很好的阻尼，对大系统中其他同步发电机强相关的振荡模式影响很小。某文献分析了大容量风电场接入电力系统后对电力系统小干扰稳定性的影响，讨论了不同运行方式下风电场对系统阻尼的影响。某文献建立了双馈变速风电机组的小干扰稳定模型，分析了双馈变速风电机组对电力系统小干扰稳定性的影响，通过控制系统改善系统阻尼特性，提高系统动态稳定性。某文献提出了一种改进的桨距角控制方案，对改善系统阻尼具有较好的效果。某文献推导了双馈机组用于小干扰稳定分析的数学模型，针对通辽实际电网大规模风电接入，分析了风电接入后对系统振荡模式及阻尼特性对比等，系统研究了大规模风电外送对电力系统小干扰稳定的影响。研究表明了风电场的不同运行状态及出力水平会对系统的振荡及阻尼特性产生影响。然而，大电网区域间或区域内部的振荡特性和阻尼情况与电网结构、电网特性等因素有关。因此，风电场并入不同性质电网后需根据实际电网进行小干扰稳定分析。

二、云南电网需要重点研究的风电问题

目前，云南已投运了部分风力发电，根据云南电网结构特点，云南电网对风电的研究应重点考虑以下几个方面。（1）风电并网后动态稳定分析云南西北地区水电资源丰富，但是因为大量小水电距离主网电气距离较远（水电汇集的终端220kV变电站距离大理500kV变电站距离很远），有250～360km左右，容易出现弱阻尼振荡，已经影响到整个云南电网的动态稳定水平，而且一些线路的送电能力也因为动态稳定问题而形成限制。风电并入西北电网后，将可能影响地区间的动态阻尼特性。因此，风电并网后有必要对云南电网动态稳定问题进行研究，以帮助提高云南电网动态稳定性。（2）风电并网后的局部电压问题云南西北地区当地负荷较少，地区电网外送电力占本地负荷比例偏高，当地消纳能力不强。富裕电力受到外送通道限制，造成大量中小水电送出受限，导致当地电压过高，过电压的情况时有发生。风电接入后，由于风电具有间歇性和随机性，使得风电接入电网后电压调整变得更加困难，当风能基地对电网的电力送出波动较大时，会引起全网特别是送电通道的相关节点电压大幅度波动。（3）风电调度运营管理风速随机性的特点导致控制风电场的出力具有较大的困难，不同的风电场其规模、风机类型和并入电网性质等均不同。目前，云南电网对已投运的风电基本没有统一管理和控制方法，如何进行风电调度及运营管理将是电网运行不可忽视的问题，加强风电场风速预测及风电场并网对电力系统影响的研究对电网运行具有重要意义。

三、结束语

风力发电与常规能源发电具有不同的特点，这势必会对电力系统造成负面的影响，大规模的风电场并入系统将对电网电能质量、电网稳定等方面造成影响。虽然云南电网的风电建设规模相对较小，但由于云南电网具有动态稳定、电压问题突出等特点，因此有必要对风电并网后的动态稳定问题、局部电压问题和风电调度运营管理等方面进行研究。

作者：程俊王艾萌胡雪峰杨强朱涛 单位：华北电力大学云南电力调度控制中心