風電并網對電壓穩(wěn)定的影響分析探討

    隨著能源問題和環(huán)境問題的日益凸現，世界各國都重新調整各自的能源策略，大力開發(fā)新能源。風能是一種取之不盡、用之不竭的可再生能源，風力發(fā)電因為技術比較成熟，可形成規(guī)模開發(fā)，近年來得到迅速發(fā)展。

    目前，我國風電發(fā)展進入一個快速發(fā)展時期，2006年是我國實施《可再生能源法》的第一年，風電建設步伐明顯加快，到2006年底，裝機總容量達到約230萬kW。由于風力發(fā)電機組常采用不同于傳統(tǒng)同步發(fā)電機組的發(fā)電技術，其穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)特性都與傳統(tǒng)同步發(fā)電機組不同;大規(guī)模風電并網后，電網的電壓穩(wěn)定性、暫態(tài)穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性都會發(fā)生變化。

    不同類型的風電機組，由于其結構不同，對電網的影響也不一樣。恒速恒頻風電機組主要采用風力機驅動異步感應電機發(fā)電，然后直接接入電網;由于異步感應電機在發(fā)出有功功率的同時，需要從電網吸收無功功率，因此，其電壓穩(wěn)定性較低。變速恒頻風電機組由于可實現最大風能捕獲、減少風輪機組機械應力等優(yōu)點，成為主要的發(fā)展方向;其中基于雙饋感應電機的風電機組由于降低了電力電子裝置的容量，近年來，得到了廣泛的發(fā)展;但由于變速恒頻風電機組采用了電力電子裝置，使得電磁功率與機械功率解耦，無法向電網提供慣性響應，對電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性產生不利影響。

    隨著我國對風電建設力度的加大，風電裝機規(guī)模不斷增加，大規(guī)模風電并網對電力系統(tǒng)產生的影響將逐漸突出，由此帶來的相關系統(tǒng)問題將成為我國風電發(fā)展的主要制約因素之一。大規(guī)模風電并網有兩種情況：一是大型風電場接入輸電網，二是多個小型風電場接入電力系統(tǒng)某一地方的配電網。小規(guī)模風電場并網對電力系統(tǒng)的影響主要是以下幾個方面：穩(wěn)態(tài)電壓值的上升、過電流、保護裝置的動作誤差、電壓閃變、諧波、浪涌電流造成的電壓降落。大規(guī)模風電場并網對電力系統(tǒng)的影響除了以上那些方面外，還會有電力系統(tǒng)的震蕩和電壓穩(wěn)定性問題。因此只有對大規(guī)模風電場并網才有必要考慮電壓穩(wěn)定性問題。

    風電機組類型和無功特性

    目前大型風力發(fā)電機組一般有兩種類型，一種是采用異步發(fā)電機的固定轉速風電機組，另一種是采用雙饋電機或通過變頻器并網的變速風電機組。固定轉速風電機組發(fā)出有功的同時吸收無功功率，不具備調壓能力，其電壓通過無功補償和調節(jié)系統(tǒng)電壓水平來調整;通過變頻器并網的變速風電機組不具備發(fā)無功能力，但通過調節(jié)變頻器，可以使并網時功率因數達到很高水平;變速恒頻風電機組具備調壓能力，在發(fā)出有功功率的同時可以發(fā)出無功功率，并可根據系統(tǒng)需要在一定范圍內調節(jié)無功輸出，但從目前國內安裝的變速恒頻風電機組情況來看，大部分沒有應用調壓功能，運行中保持機端功率因數為1.0。

    大規(guī)模風電場并網的主要問題

    風電場并網運行對電網的影響由于風電具有隨機性和間歇性特點，并網風電將對電網產生一定影響。風電發(fā)展初期裝機規(guī)模較小，與配電網直接相連，對電網的影響主要表現為電能質量，隨著大規(guī)模風電接入輸電網，系統(tǒng)調峰壓力加大，系統(tǒng)穩(wěn)定和運行問題突顯。電能質量風電機組對電能質量的影響主要表現在高次諧波、電壓閃變和電壓波動上，在采用雙饋變速恒頻風電機組的情況下較為嚴重。并網風電機組在連續(xù)運行和機組切換操作過程中都會產生電壓波動和閃變。

    1、電壓波動和閃變

    風力發(fā)電機組大多采用軟并網方式，但是在啟動時仍會產生較大的沖擊電流。當風速超過切出風速時，風機會從額定出力狀態(tài)自動退出運行。如果整個風電場所有風機幾乎同時動作，這種沖擊對配電網的影響十分明顯。不但如此，風速的變化和風機的塔影效應都會導致風機出力的波動，而其波動正好處在能夠產生電壓閃變的頻率范圍之內(低于25Hz)，因此，風機在正常運行時也會給電網帶來閃變問題，影響電能質量。

    風資源的不確定性和風電機組本身的運行特性使風電機組的輸出功率是波動的，會影響電網的電能質量，如電壓偏差、電壓波動和閃變、諧波以及周期性電壓脈動等。風力發(fā)電引起電壓波動和閃變的根本原因是并網風電機組輸出功率的波動。電網電壓的變化受風電系統(tǒng)有功和無功功率的影響。風電機組輸出的有功功率主要依賴于風速;在無功功率方面，恒速風電機組吸收的無功功率隨有功功率波動而波動，雙饋電機一般采用恒功率因數控制方式，因而無功功率波動較小。并網風電機組不僅在持續(xù)運行過程中產生電壓波動和閃變，而且在啟動、停止和發(fā)電機切換過程中也會產生電壓波動和閃變。典型的切換操作包括風電機組啟動、停止和發(fā)電機切換，其中發(fā)電機切換僅適用于多臺發(fā)電機或多繞組發(fā)電機的風電機組。這些切換操作引起功率波動，并進一步引起風電機組端點及其他相鄰節(jié)點的電壓波動和閃變。

    2、諧波

    風電給系統(tǒng)帶來諧波的途徑主要有兩種：一種是風力發(fā)電機本身配備的電力電子裝置，可能帶來諧波問題。對于直接和電網相連的恒速風力發(fā)電機，軟啟動階段要通過電力電子裝置與電網相連，會產生一定的諧波，不過過程很短，發(fā)生的次數也不多，通常可以忽略。但是對于變速風力發(fā)電機則不然，變速風力發(fā)電機通過整流和逆變裝置接入系統(tǒng)，如果電力電子裝置的切換頻率恰好在產生諧波的范圍內，則會產生很嚴重的諧波問題，隨著電力電子器件的不斷改進，這一問題也在逐步得到解決。另一種是風力發(fā)電機的并聯(lián)補償電容器可能和線路電抗發(fā)生諧振，在實際運行中，曾經觀測到在風電場出口變壓器的低壓側產生大量諧波的現象。

    風電裝置中電力電子器件是風電裝置中最重要的諧波源;在風電系統(tǒng)中，由于異步機、變壓電容器等設備均為三相，且采用三角型或Y型連接方式，故不存在偶次或3的倍數次諧波，即風系統(tǒng)中存在的諧波次數為5、7、11、13、17等。風機本身配備的電力電子裝置，可能帶來諧波問題。對于直接和電網相連的恒速風機，軟啟動階段要通過電力電子裝置與電網相連，因此會產生一定的諧波，不過因為過程很短，發(fā)生的次數也不多，通常可以忽略。但是對于變速風機則不然，因為變速風機通過整流和逆變裝置接人系統(tǒng)，如果電力電子裝置的切換頻率恰好在產生諧波的范內，則會產生很嚴重的諧波問題。

    電壓波動與閃變的抑制

    目前，大部分用于改善和提高電能質量的補償裝置都具有抑制電壓波動與閃變的功能，如靜止無功補償器(SVC)、有源濾波器(APF)、動態(tài)電壓恢復器(DVR)，以及配電系統(tǒng)電能質量統(tǒng)一控制器(DS2Unicon)等.

    靜止無功補償器(SVC)

    電壓閃變是電壓波動的一種特殊反映，閃變的嚴重程度與負荷變化引起的電壓變動相關，在高電壓或中壓配電網中，電壓波動主要與無功負荷的變化量及電網的短路容量有關。在電網短路容量一定的情況下，電壓閃變主要是由于無功負荷的劇烈變動所致。因此，對于電壓閃變的抑制，最常用的方法是安裝靜止無功補償裝置，目前這方面的技術已相當成熟。但是，由于某些類型的SVC本身還產生低次諧波電流，須與無源濾波器并聯(lián)使用，實際運行時可能由于系統(tǒng)諧波諧振使某些諧波嚴重放大。因此，在進行補償時，要求采用具有響應時間短、且能夠直接補償負荷的無功沖擊電流和諧波電流的補償器。

    有源電力濾波器(APF)

    要抑制電壓閃變，必須在負荷電流急劇波動的情況下，跟隨負荷變化實時補償無功電流。近年來，采用電力晶體管(GTR)和可關斷晶閘管(GTO)及脈寬調制(PWM)技術等構成的有源濾波器，可對負荷電流作實時補償。有源電力濾波器的工作原理與傳統(tǒng)的SVC完全不同，它采用可關斷的電力電子器件，基于坐標變換原理的瞬時無功理論進行控制，其作用原理是利用電力電子控制器代替系統(tǒng)電源向負荷提供所需的畸變電流，從而保證系統(tǒng)只須向負荷提供正弦的基波電流。有源電力濾波器與普通SVC相比，有以下優(yōu)點：響應時間快，對電壓波動、閃變補償率高，可減少補償容量;沒有諧波放大作用和諧振問題，運行穩(wěn)定;控制強，能實現控制電壓波動、閃變和穩(wěn)定電壓的作用，同時也能有效地濾除高次諧波，補償功率因數。<