风电并网对电压稳定的影响分析探讨

    随着能源问题和环境问题的日益凸现，世界各国都重新调整各自的能源策略，大力开发新能源。风能是一种取之不尽、用之不竭的可再生能源，风力发电因为技术比较成熟，可形成规模开发，近年来得到迅速发展。

    目前，我国风电发展进入一个快速发展时期，2006年是我国实施《可再生能源法》的第一年，风电建设步伐明显加快，到2006年底，装机总容量达到约230万kW。由于风力发电机组常采用不同于传统同步发电机组的发电技术，其稳态和暂态特性都与传统同步发电机组不同;大规模风电并网后，电网的电压稳定性、暂态稳定性和频率稳定性都会发生变化。

    不同类型的风电机组，由于其结构不同，对电网的影响也不一样。恒速恒频风电机组主要采用风力机驱动异步感应电机发电，然后直接接入电网;由于异步感应电机在发出有功功率的同时，需要从电网吸收无功功率，因此，其电压稳定性较低。变速恒频风电机组由于可实现最大风能捕获、减少风轮机组机械应力等优点，成为主要的发展方向;其中基于双馈感应电机的风电机组由于降低了电力电子装置的容量，近年来，得到了广泛的发展;但由于变速恒频风电机组采用了电力电子装置，使得电磁功率与机械功率解耦，无法向电网提供惯性响应，对电力系统的频率稳定性产生不利影响。

    随着我国对风电建设力度的加大，风电装机规模不断增加，大规模风电并网对电力系统产生的影响将逐渐突出，由此带来的相关系统问题将成为我国风电发展的主要制约因素之一。大规模风电并网有两种情况：一是大型风电场接入输电网，二是多个小型风电场接入电力系统某一地方的配电网。小规模风电场并网对电力系统的影响主要是以下几个方面：稳态电压值的上升、过电流、保护装置的动作误差、电压闪变、谐波、浪涌电流造成的电压降落。大规模风电场并网对电力系统的影响除了以上那些方面外，还会有电力系统的震荡和电压稳定性问题。因此只有对大规模风电场并网才有必要考虑电压稳定性问题。

    风电机组类型和无功特性

    目前大型风力发电机组一般有两种类型，一种是采用异步发电机的固定转速风电机组，另一种是采用双馈电机或通过变频器并网的变速风电机组。固定转速风电机组发出有功的同时吸收无功功率，不具备调压能力，其电压通过无功补偿和调节系统电压水平来调整;通过变频器并网的变速风电机组不具备发无功能力，但通过调节变频器，可以使并网时功率因数达到很高水平;变速恒频风电机组具备调压能力，在发出有功功率的同时可以发出无功功率，并可根据系统需要在一定范围内调节无功输出，但从目前国内安装的变速恒频风电机组情况来看，大部分没有应用调压功能，运行中保持机端功率因数为1.0。

    大规模风电场并网的主要问题

    风电场并网运行对电网的影响由于风电具有随机性和间歇性特点，并网风电将对电网产生一定影响。风电发展初期装机规模较小，与配电网直接相连，对电网的影响主要表现为电能质量，随着大规模风电接入输电网，系统调峰压力加大，系统稳定和运行问题突显。电能质量风电机组对电能质量的影响主要表现在高次谐波、电压闪变和电压波动上，在采用双馈变速恒频风电机组的情况下较为严重。并网风电机组在连续运行和机组切换操作过程中都会产生电压波动和闪变。

    1、电压波动和闪变

    风力发电机组大多采用软并网方式，但是在启动时仍会产生较大的冲击电流。当风速超过切出风速时，风机会从额定出力状态自动退出运行。如果整个风电场所有风机几乎同时动作，这种冲击对配电网的影响十分明显。不但如此，风速的变化和风机的塔影效应都会导致风机出力的波动，而其波动正好处在能够产生电压闪变的频率范围之内(低于25Hz)，因此，风机在正常运行时也会给电网带来闪变问题，影响电能质量。

    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，如电压偏差、电压波动和闪变、谐波以及周期性电压脉动等。风力发电引起电压波动和闪变的根本原因是并网风电机组输出功率的波动。电网电压的变化受风电系统有功和无功功率的影响。风电机组输出的有功功率主要依赖于风速;在无功功率方面，恒速风电机组吸收的无功功率随有功功率波动而波动，双馈电机一般采用恒功率因数控制方式，因而无功功率波动较小。并网风电机组不仅在持续运行过程中产生电压波动和闪变，而且在启动、停止和发电机切换过程中也会产生电压波动和闪变。典型的切换操作包括风电机组启动、停止和发电机切换，其中发电机切换仅适用于多台发电机或多绕组发电机的风电机组。这些切换操作引起功率波动，并进一步引起风电机组端点及其他相邻节点的电压波动和闪变。

    2、谐波

    风电给系统带来谐波的途径主要有两种：一种是风力发电机本身配备的电力电子装置，可能带来谐波问题。对于直接和电网相连的恒速风力发电机，软启动阶段要通过电力电子装置与电网相连，会产生一定的谐波，不过过程很短，发生的次数也不多，通常可以忽略。但是对于变速风力发电机则不然，变速风力发电机通过整流和逆变装置接入系统，如果电力电子装置的切换频率恰好在产生谐波的范围内，则会产生很严重的谐波问题，随着电力电子器件的不断改进，这一问题也在逐步得到解决。另一种是风力发电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，曾经观测到在风电场出口变压器的低压侧产生大量谐波的现象。

    风电装置中电力电子器件是风电装置中最重要的谐波源;在风电系统中，由于异步机、变压电容器等设备均为三相，且采用三角型或Y型连接方式，故不存在偶次或3的倍数次谐波，即风系统中存在的谐波次数为5、7、11、13、17等。风机本身配备的电力电子装置，可能带来谐波问题。对于直接和电网相连的恒速风机，软启动阶段要通过电力电子装置与电网相连，因此会产生一定的谐波，不过因为过程很短，发生的次数也不多，通常可以忽略。但是对于变速风机则不然，因为变速风机通过整流和逆变装置接人系统，如果电力电子装置的切换频率恰好在产生谐波的范内，则会产生很严重的谐波问题。

    电压波动与闪变的抑制

    目前，大部分用于改善和提高电能质量的补偿装置都具有抑制电压波动与闪变的功能，如静止无功补偿器(SVC)、有源滤波器(APF)、动态电压恢复器(DVR)，以及配电系统电能质量统一控制器(DS2Unicon)等.

    静止无功补偿器(SVC)

    电压闪变是电压波动的一种特殊反映，闪变的严重程度与负荷变化引起的电压变动相关，在高电压或中压配电网中，电压波动主要与无功负荷的变化量及电网的短路容量有关。在电网短路容量一定的情况下，电压闪变主要是由于无功负荷的剧烈变动所致。因此，对于电压闪变的抑制，最常用的方法是安装静止无功补偿装置，目前这方面的技术已相当成熟。但是，由于某些类型的SVC本身还产生低次谐波电流，须与无源滤波器并联使用，实际运行时可能由于系统谐波谐振使某些谐波严重放大。因此，在进行补偿时，要求采用具有响应时间短、且能够直接补偿负荷的无功冲击电流和谐波电流的补偿器。

    有源电力滤波器(APF)

    要抑制电压闪变，必须在负荷电流急剧波动的情况下，跟随负荷变化实时补偿无功电流。近年来，采用电力晶体管(GTR)和可关断晶闸管(GTO)及脉宽调制(PWM)技术等构成的有源滤波器，可对负荷电流作实时补偿。有源电力滤波器的工作原理与传统的SVC完全不同，它采用可关断的电力电子器件，基于坐标变换原理的瞬时无功理论进行控制，其作用原理是利用电力电子控制器代替系统电源向负荷提供所需的畸变电流，从而保证系统只须向负荷提供正弦的基波电流。有源电力滤波器与普通SVC相比，有以下优点：响应时间快，对电压波动、闪变补偿率高，可减少补偿容量;没有谐波放大作用和谐振问题，运行稳定;控制强，能实现控制电压波动、闪变和稳定电压的作用，同时也能有效地滤除高次谐波，补偿功率因数。<