摘要：随着电力技术的发展，风电机组运行问题越来越多。风电并网对电力系统的影响范围逐渐扩大，对电力系统稳定运行带来的影响越来越值得关注。风电自身的特殊性不同于常规能源发电系统，并网型风力发电系统对电网的稳定性影响也与常规电力系统有所不同。因此，从风电机组自身特点出发，分析了风电并网对电网系统电压和频率的影响。
关键词：并网风电；风力发电；稳定性
引言
风能作为一种清洁、可再生的能源，得到迅速发展。随着大规模风电机组并网接入电力系统，会给电网的电能质量、稳定运行带来影响，研究风电机组接入电力系统的稳定性问题迫在眉睫。电压稳定性是电力系统在正常情况下或遭受扰动之后所有节点维持可接受电压的能力。当系统受到扰动而进入电压不稳定状态时，负荷需求的增加或系统状态的变化将引起电压不可控的连续下降。引起电压失稳的主要因素是电力系统无功功率的严重不足。
1风电机组的概念
并网运行的风电机组可分为恒速恒频风力发电机组和变速恒频风力发电机组两大类。由于恒速恒频风力发电机组要求风力转速恒定，使得转速不能跟随风速变化而变化，造成风能利用系数偏低。但是，该类机组出现较早且控制技术较成熟，在风电发展初期进行了大量的研究和投产使用。随着现代大容量电力电子技术的成熟，变速恒频风电机组逐渐取代了恒速恒频风电机组，成为风力发电的主流。变速恒频发电机组依照风速的变动而改变转速，关键技术在于变频装置的使用。目前，大型风电场使用的变速恒频机组主要有两种。一种是装有多级齿轮箱的双馈感应风力发电机组，其叶片采用变浆距调节，发电机定子直接馈入电网，转子则通过变频器与电网连接，实现了功率的双向流动。通过变频器实现有功和无功功率的解耦控制，使得这类变速风电机组能够实现最大风能捕获，并减少部分机械部件的应力。另一种是多极永磁直驱式风力发电机组，省去了齿轮箱，减少了二次传动导致的效率降低及故障问题，但变频器的控制较复杂。对比恒速恒频机组，变速恒频发电系统能提高风能利用效率，应用灵活，能提高系统的稳定性。风电机组对电网的注入功率是由风速决定的。如何解决风电产生的电网波动，是学术界的重要研究课题。随着并网的风电容量越来越大，功率波动带来的问题日益明显，其中风力发电对系统电压的影响问题尤为突出。
2风电机组的稳定性分析
2.1动态稳定性分析
风电机组控制方式有恒功率因数控制和恒电压控制两种。当按恒功率控制时，即风电机组的电导和电纳随端电压变化而变化；当按恒电压控制时，风电机组的电导和电纳随功率因数的变化而变化。对于风电机组的动态仿真，需要研究风电机组的特性。例如，变速恒频风电机组通过变频器与电网相连，电力电子元件对过电流非常敏感，当电网故障时，变频器的控制器会立即发现，为了保护变频器，变速风机会与电网分裂，从而引起大范围的电压降落，甚至会影响到整个系统。为此，根据《国家电网公司风电场接入电网技术规定》，风电场低电压穿越要求为：“风电场内的风电机组具有在并网点电压跌落至20%额定电压时能够保持并网运行625ms的低电压穿越能力”。
2.2风电对电力系统电压稳定性的影响
电压稳定性是指电力系统在正常运行中受到扰动，维持系统所有母线电压保持允许范围内的能力。当电力系统节点负荷增加或改变系统条件时，电压可能会连续或失控地衰减，导致系统电压不稳定。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆根本原因在于无法满足电力系统无功功率要求，通常是因负荷变化或是联络线传输功率过大造成无功损耗过大而引起的。从各国风电场运行现状看，电压稳定性问题仍然存在，这是由风电场的无功特性决定的。在高出力阶段，并网风电场风电机组由本来的受端系统转为送端系统，对电网输出功率。风电场引起的电压稳定性降低、电压崩溃及常规电力系统失稳的机理一致。风电并网对电压稳定性的影响是多方面的。恒速异步机组在运行中同时进行有功与无功的出力，无功需求量较多，导致风电在并入电网时电压不稳定。此外，并网地区的短路容量、输出线路的R/X比以及风电场采取的无功补偿方式也会影响电压的稳定。风电场的主力机型仍是恒速风电机组。因无功需求量较高所引发的电压不稳定问题尤为突出，所以恒速机组并网电压稳定问题是一项值得研究的课题。具体地，可以考虑发挥SVC、STATCOM等电气设备的无功补偿优势，增强电网电压的暂态稳定性。双馈风力发电机组相比于恒速风电机组，具有风能利用最大化、无功需求少等优点。双馈风力发电机组的并网电压不稳导致电网故障，会使风力机组大面积脱网运行，致使电网电压崩溃。因此，要提高故障期间风力风电机组的低电压穿越能力，需关注以下两个方面：（1）优化控制策略，提高风电机组对转子励磁磁链的同步跟踪准确性，保证机组在电网发生短路故障时不脱网运行；（2）在电网发生故障时，适时启用Crowbar电路，减少风电机组对电网无功功率的吸收，同时利用STATCOM装置进行无功补偿，避免电网电压进一步降低。
2.3风电对电力系统频率稳定性的影响
电网频率的稳定与有功功率的平衡紧密相连。在电网有功功率与负荷不平衡时，如短路、断线故障及解列机组等问题，均会导致系统频率出现波动。由于风电发电功率难以预测，风电机组发电量与负荷量间的平衡需要其他发电机组来调节，如传统的火电、水电。随着风电在电网中的比例逐渐增大，风电系统对电网频率的影响不容忽视。当电网因功率不平衡引起电网频率下降时，系统惯量大小对系统频率的稳定性将起到关键作用。惯量降低会导致系统频率进一步降低，扩大频率事故的不良影响范围。当电网频率不正常时，恒速风电机组与双馈风电机组的频率响应特性截然不同。恒速异步机组由于系统频率与转子的转速耦合程度较高，系统频率降低，对应的转子转速也随之降低，部分动能被释放，提高了机组的惯量响应能力，有利于电网频率故障的恢复。双馈风电机组因其转速与电网频率能实现完全解耦，所以当电网频率故障时机组难以提供惯量，需要通过增加功率裕度、增设储能装置及混合型风电场等手段，提高风电并网频率的稳定性。
2.4对同步系统大扰动稳定性的影响
当风电场出力水平低，系统在三相短路故障下的临界切除时间较长，此时同步系统的暂态稳定性相对要强。随着风电场出力的逐渐增加，系统在三相短路故障的临界切除时间逐渐减小，同步系统的暂态稳定性降低。当接入比例很低时，同步系统的暂态稳定性急剧下降，当接入比例渐渐增高，同步系统的暂态稳定性下降缓慢。
结语
风电场接入对电网的稳定性影响主要包括电压失稳和频率波动两个方面，但二者产生机理有所不同。电压失稳主要是由于风电机组并网运行过程中吸收大量的无功功率，导致系统无功缺额，进而造成电压的不稳定，使得机组脱网运行。频率失恒主要是因为风电场并网使系统惯量减少，在风电出力波动的共同作用下，系统频率快速降落，最终导致系统崩溃。为系统装设SVC、STATCOM等无功补偿装置，能对系统提供无功支撑，改善风电系统电压稳定性。此外，需加大储能系统的研究力度，以期减少系统频率波动，减少风电场对系统的负面影响。
参考文献：
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论文作者:常敬涛
论文发表刊物:《电力设备》2018年第36期
论文发表时间:2019/6/4
标签：机组论文; 风电论文; 电网论文; 电压论文; 系统论文; 稳定性论文; 频率论文; 《电力设备》2018年第36期论文;