摘要：风电场出力的随机性使其容量可信度低，给电网有功、无功平衡调度带来困难。在风电容量比例高的电网中，可能产生电能质量问题，如电压波动和闪变、频率偏差、谐波问题。
通过分析风电并网的控制方式以及对电网的影响，利用PSCAD建立电网模型和风电场模型，进行仿真分析。
关键词：风电机组；电力系统；变桨距；仿真；无功电压
引言
随着风电装机容量的不断增长，风电并网对电网所带来的经济、技术影响越来越大，对于风电并网对电网影响研究无论是对风电发电商，还是对电网公司都愈显其战略重要性。本文在分析风电机组在各类不同条件下运行时对电网的影响的区别，模拟仿真软件（PSCAD）建立电网模型和风电场模型，进行仿真分析。1 风电场并网
1.1 交流并网发电机的并网控制方式
在风力发电中，发电机组与电网并网时，要求风电的频率与电网的频率保持一致。要得到恒定的频率就要让发电机的转速不变，由于风能和风速的三次方成正比，当风速在一定范围变化时，如果允许风车做变速运动，则能达到更好地利用风能的目的。由于恒频机组的风车转速保持不变，而风速又经常变化，所以输出功率不可能保持最佳值。目前，在风力发电系统中采用最多的异步发电机属于恒速恒频发电机组。为了适应大、小风速的要求，一般采用2台不同容量、不同极数的异步发电机，风速低时用小容量发电机发电，风速高时则用大容量发电机发电，同时一般通过变桨距系统改变桨叶的攻角以调整输出功率。但这也只能使异步发电机在两个风速下具有较佳的输出系数，而无法有效地利用不同风速时的风能。
1.2 双馈发电机系统的并网
随着风力发电技术的发展，变速恒频发电机组已成为大型并网风力发电机组的主流机型。相对于恒速恒频发电机组，变速恒频发电机组最为重要的一个优势就是能在很宽的风速范围内保持最佳叶尖速比，从而使风能利用系数Cp保持最大值不变，以捕获最大风能，提高发电机组的效率。
交流励磁双馈发电机变速恒频发电方案是通过在双馈电机转子侧施加三相交流电进行励磁，调节励磁电流幅值，频率和相位，以实现定子侧恒频恒压输出。在双馈风电系统中，发电机与网侧是柔性连接关系，可通过调节转子励磁电流实现软并网，避免并网时发生的电流冲击和过大的电压波动。目前，变速恒频风力发电机组的并网方式主要有空载并网，带独立负载并网，孤岛并网。
空载并网方式并网前发电机不带负载，不参与能量和转速的控制。为了防止在并网前发电机的能量失衡而引起的转速失控，应由原动机来控制发电机组的转速。带独立负载并网方式并网前接有负载，发电机参与原动机的能量控制，表现在一方面改变发电机的负载、调节发电机的能量输出，另一方面在负载一定的情况下，改变发电机转速的同时，改变能量在电机内部的分配关系。前一种作用实现了发电机能量的粗调，后一种实现了发电机能量的细调。带独立负载并网方式，发电机具有一定的能量调节作用，可与原动机配合实现转速的控制，降低了对原动机调速能力的要求，需要进行电压补偿和检测更多的电压、电流量。
1.3风电并网对电网的影响
风资源的不确定性和风电机组本身的运行特性使风电机组的输出功率是波动的，会影响电网的电能质量，如电压波动和闪变，谐波污染等问题。并网风电机组在启动、停止、和发电机切换过程中也产生电压波动和闪变。谐波会造成供电质量变差，使得电网功率因数降低。风电系统中谐波的影响主要有:增加发电机的铜损和铁损，引起电容器组和变压器的发热故障，控制电路受影响，传感器测不准等。
风力发电系统通常接入电网的末端，改变了配电网功率单向流动的特点，使潮流流向和分布发生改变，这在原有电网的规划和设计时是没有预先考虑的。当风电注入功率增大时，风电场附近局部电网的电压和联络线功率可能会超出安全范围，严重时会导致电压崩溃。在异步发电机并网系统中，风电系统在向电网注入功率的同时需要从电网吸收大量的无功功率。随着风电场规模的不断扩大，风电场在系统中所占的比例不断增加，风电输出的不稳定性对电网的功率冲击效应也不断增大，对系统稳定性的影响就更加显著，严重情况下，将会使系统失去动态稳定性，导致整个系统的瓦解。
由于风速变化是随机的，因此风电场出力也是随机的。风电本身这种特点使其容量可信度低，给电网有功、无功平衡调度带来困难。
2风力发电机组并网运行仿真分析
2.1 仿真平台模型
对电网在某一瞬时发生不同持续时间故障的情况进行了仿真分析，利用PSCAD/EMTDC平台搭建仿真模型如图1所示。
2.2 仿真结果及分析
当不施加故障时电网的运行状况，电网电压、电网频率、电网无功功率均维持在稳定状态；风速维持在12m/s不变,设定故障为线路在10 s时发生的三相接地短路短路,故障持续时间为1s或者2s时，相应的故障波动时间也会随之变化。
从仿真结果中可以得出以下结论：在故障期间线路故障相电压跌落80%,电网无功功率下降,风力发电机组发出的有功功率短暂波动。故障切除后,风力发电机组能很快的稳定下来,持续并网运行。可见变速风力发电机组能够承受短时的电压降低而不退出运行,能够增大向系统输出的无功功率，对系统电压的恢复提供一定的帮助。在故障切除后，电网无功功率与电网频率基本上也恢复到故障前的状态。说明了风电场具有一定的低电压穿越能力，这对于电网的安全运行是十分必要的。
3 结论
1）通过分析各类风力发电机的特点，可以得出变桨距调节方法的主要优点是可大范围调节转速,使功率系数保持在最佳值,从而最大限度地吸收风能，效率高；能吸收和存储阵风能量,可减少阵风冲击对风力发电机产生的疲劳损坏、机械应力和转矩脉动,延长机组寿命，减小噪声；而且还可控制有功功率和无功功率，改善电能质量。可以看出变速恒频双馈风力发电系统的优越性，具有很好的输出特性，实际应用中完全可行，所以目前运行使用的主流机型还是双馈变速机组。
2）PSCAD/EMTDC是电力系统电磁暂态计算方面最具权威的仿真计算平台之一，采用该平台作为风电机组的仿真平台能够为研究工作提供便利，同时也能保证仿真结果的有效性。对电网故障情况下并网运行的风力发电机组进行了仿真分析。从所得到的仿真结果来看，在电网发生故障时，变速风力发电机组具有低电压穿越功能，风电机组持续并网运行，能够有效控制机端电压，有利于电网故障的恢复。
参考文献
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论文作者:林志彦,吴碧川
论文发表刊物:《电力设备》2018年第14期
论文发表时间:2018/9/18
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