并网型风力发电系统电压稳定研究现状

杨 普，孙丽玲，吴 娜

（华北电力大学电气与电子工程学院，河北 保定071003）

0 引 言

在全球能源与环境问题日益突出的大背景下，电力工业如何减少污染物排放，实现可持续发展，是世界各国面临的共同挑战。风力发电作为一种清洁可再生能源，具有储量巨大、分布广泛、无污染等优点，对其合理的开发利用可以带来显著的经济效益和环境效益。近年来世界范围内风力发电都持续快速增长，随着我国八大风电基地的投入建设我国风电已经迈进快速发展的步伐。2009年底我国除台湾省外累计风电装机容量2 580万kW，全球累计装机排名由2008年的第四位上升到第二位［1－2］。

早期的风电场规模较小，而小型风电场给电网带来的影响主要是局部的谐波污染、电压波动、电压闪变以及周期性电压脉动等电能质量问题，不会给大电网的安全稳定运行产生明显影响。大规模的风力发电必须要实现并网运行［2］。随着风电容量所占电网比例越来越大，特别是由于风能具有随机性、有限可预测性以及风电场目前大多采用异步发电机等特点，大规模风电接入电力系统进行并网运行必然会对电网的安全稳定、调度运行等诸多方面带来显著影响。在风电穿透功率较大的电网中，由于风电注入改变了电网原有的潮流分布、线路传输功率与整个系统的惯量，并且由于风电机组与传统同步发电机组有不同的稳态与暂态特性，因此风电场并网的研究内容主要涉及到电能质量、电压稳定性、暂态功角稳定性及频率稳定性等［3－5］。本文主要将对目前风力发电系统电压稳定性的研究思路和相关技术现状进行系统分析和全面介绍。

1 风力发电并网运行特点

随着兆瓦级大型风电场的不断涌现，接入电网的风电容量也在急剧增加，并网运行的大型风电场已经成为了电力系统电源的重要组成部分。风力发电和常规能源发电不同，大型风电场并网运行具有以下特点［6］：

（1）目前广泛采用的风电机组属于异步式发电机，虽然在机端出口处装设有无功补偿电容器，但发电机组在输出有功的同时仍然会吸收无功，这会给风电系统的电压稳定性带来很大影响。而常规能源发电机组大都采用同步发电机；

（2）风能的稳定性差，由于自然风力的随机性和间歇性，风电场的有功输出同时也具有随机性，其大小取决于风速的变比。而常规能源的有功输出和无功输出都可以准确预测。因此为了得到较稳定的功率输出，风力发电机必须加装调速 、调向和刹车等调节和控制装置；

（3）相对于常规能源发电机组，风电机组的单机容量较小，大量风电机组并列运行是风电场的重要特点。而对于独立运行的风力发电机组，由于风能不能储存，要保证不间断供电，必须配备相应的储能装置；

（4）受地理环境制约，风电场的分布位置经常较偏远。特别是我国风电资源多数集中在西北、华北和东北，风电集中区负荷较低，电网自身较为薄弱。

基于以上特点，风能的随机性和间歇性决定了风力发电机的输出特性也是波动的和间歇的。当风电场的容量较小时，这些特性对电力系统的影响并不显著，但随着风电场容量在系统中所占比例的不断增加，风电场对系统的影响将会越来越显著。

2 并网型风力发电系统的扼要介绍

并网型风力发电系统可分为恒速恒频风力发电系统和变速恒频风力发电系统两大类。恒速恒频风力发电系统的一大不足是风力机转速不能随着风速的变化而变化，无法实现最优的风能利用系数。因此，随着大容量电力电子技术的成熟，变速恒频风力发电系统逐渐代替了恒速恒频风力发电系统成为了风力发电产业的主角［7］。

变速恒频风力发电系统允许风力机根据风速的变化而以不同的转速旋转，其核心在于变频器的应用，依赖于大容量电力电子技术的日益成熟［8］。目前普遍安装在风电场的变速恒频风力发电机组有两种类型。一种是采用多级齿轮箱的双馈感应风力发电机组，其桨叶采用变桨距调节，定子直接与电网相连，转子通过双向变频器与电网连接，可实现功率的双向流动，变频器所需容量小（约占总功率30%），成本低。该系统既可亚同步运行，又可超同步运行，变速范围宽，可跟踪最佳叶尖速，实现最大风能捕获，优化了功率输出，提高了效率。另一种是省去了齿轮箱的永磁直接驱动型风力发电机组，其大大降低了因齿轮箱带来的系统故障以及维护成本。相对于恒速恒频风力发电系统，变速恒频风力发电系统在提高风能的捕获能力、加强控制系统的灵活性以及提高系统的稳定性等方面有明显的优势。然而，风电机组注入电网功率的波动性是由风速随机变化的自然特性决定的，虽然变速恒频风力发电系统可以临时的在某些程度上控制注入电网功率的波动，但迄今为止学术界还没有提出更好的方法用来长期限制注入电网功率的波动。随着接入电网风电容量的急剧增加，功率波动将会带来很多问题，其中对风力发电系统电压稳定的影响是最明显的。

3 并网型风力发电系统的电压稳定性分析

3.1 并网型风力发电系统的电压稳定性模型

为了对风力发电系统的电压稳定性进行更深入地研究，建立其系统模型是非常必要的，文献［9－12］从不同角度建立并分析了并网型风力发电系统的动态模型。文献［9］建立了基于双馈感应发电机的详细动态模型，在频域算法上对电压稳定的限制因素以及控制参数的敏感性进行了估算和优化，使用这个动态模型可以对并网型风电场受各种系统干扰时的运行行为和与其相对应的电压控制策略进行研究。为更好地研究及优化并网型双馈风电机组的动态特性，文献［10］建立了其工作在额定风速以上时的总体模型 ，并对该模型进行线性化分析，提出利用小信号模型和基于控制器参数对系统特征根灵敏度的优化计算方法，所得到的控制参数不但能改善系统的小干扰响应 ，也可以改善系统对大干扰的响应。文献［11］建立了基于双馈风力发电机的聚合风电场模型，用于处理风机接入不同风速情况下小信号稳定性的动态研究，通过对特征值和参与因素的估算表明聚合风电场模型与完全风力发电场模型相比是可行的。系统模拟仿真带来的结论是，在考虑不同的控制策略和风速下聚合风电场模型可以有效跟踪主振荡模式的变化。文献［12］分别提出了基于双馈感应发电机、永磁直驱式同步发电机、鼠笼感应发电机的风力发电机组模型，都适合其各自的短期电压稳定性和故障穿越能力的分析研究。

3.2 并网型风力发电系统电压失稳机理

3.2.1 风电场并网点的强弱程度

风电接入系统时，并网点的强弱程度与风电场的接入容量密切相关。通常情况下，用短路容量百分比来衡量并网点接纳风电的适宜程度，即风电场装机容量PW与公共连接点短路容量SSC的比值K（短路容量比）不超过某个值。文献［13］对短路容量和电压稳定的关系进行了简明介绍，并提出了基于负荷侧和网侧短路容量的电压稳定指数。文献［14］针对风电系统短路容量比与其电压稳定性的关系作了相应介绍，指出由于风电场大多在电网末端，网络结构比较薄弱，其短路容量较小，在风速、偏航误差以及风切变等因素的扰动下，必然会导致输出功率变化和电压波动，从而影响电能质量和电压的稳定性。上述文献同时提到，当风电场规模一定时，如果短路容量百分比超过10%，风电场会失去稳定。

3.2.2 风电场的负荷特性

很多文章指出在影响电力系统电压稳定的诸多因素中，负荷特性是最活跃、最关键、最直接的因素，它很大程度上决定了电压失稳和电压崩溃的进程。文献［15］针对电力系统中负荷特性对其电压稳定性的影响做了详细介绍，文献［16］提出了一种基于负荷特性分析研究电力系统电压稳定的方法。在可以找到的诸多文献中大多是关于电力系统的负荷特性研究，而关于风力发电系统负荷特性的研究现在还处于探索阶段。

3.2.3 风电场并网运行的无功需求

大规模风电场接入电力系统时，一方面风电场的有功出力使负荷特性极限功率增大，增强了系统电压稳定性；另一方面风电场的无功需求使负荷特性的极限功率减少，又降低了系统电压稳定性。正如前文所提及，风电场对无功功率的需求是导致电网电压稳定性降低的主要原因。文献［17－19］研究表明，由于风电场大多采用异步感应发电机，风力发电系统（包括变速恒频型和恒速恒频型）在向电网注入有功功率的同时需要从电网吸收大量的无功功率用于建立磁场，从而使系统功率极限下降，降低了系统电压的稳定性。另一方面，由于风速的不断变化使输入风电机组的机械能也随之变化，这将会增加风电机组注入电网有功功率的波动性，从而导致感应发电机吸收或消耗的无功也在不断变化，这一现象更加降低了系统电压的稳定性。

3.3 提升并网型风力发电系统电压稳定的措施

3.3.1 配备充足的无功补偿容量

在风电场并网运行过程中，异步风力发电机需要从电网吸收无功功率来提供其建立磁场所需的励磁电流，而且一般风电场的变压器损耗约为装机容量的15%～20%，因此要保证风力发电系统的健康稳定运行，为其配备充足的无功补偿容量是采取的最主要措施。目前，风力发电机无功补偿可采用机端并联电容、静止无功补偿装置（SVC）、静止无功发生器（SVG）以及静止同步补偿器（STATCOM）等。文献［20］针对风电出力的随机性及负荷和系统电压的变化，提出了求最优无功补偿装置容量的机会约束规划模型，并利用基于随机模拟技术的粒子群算法求解。通过分析计算表明，这种方法可以减少迭代次数，实现全局优化，而且电力系统的电压可以限制在正常的范围。文献［21］提出了应用遗传算法确定风电场并网点处无功补偿电容器的分组和最优控制策略，通过建模分析表明应用遗传算法可实现风电场的最优潮流计算，减少了计算量，无功补偿的总容量和分组容量计算准确而且能实现最低功率损耗。固定电容器补偿装置的缺点是不能实现连续的电压调节，其电容器的投切次数有一定的限制，其动作也有一定延时，在文献［22］中针对10 kV配电网的风电场，提出了一种新型的SVC控制策略以取代固定电容器补偿装置。文章指出在瞬时无功功率理论的基础上可瞬时检测无功功率，并用此方法实现快速和持续的无功补偿。研究结果表明，新型的SVC绕组结构及对其相应的控制策略可以很好地实现无功补偿以此来改善风电场接入电网的电压稳定。针对静止无功发生器用于风电场无功补偿的研究论文并不多见，文献［23］指出SVG结合合理的控制策略可以很好地解决无功功率问题。作者提出了使用有功电流分离和电流间接控制的控制策略来实现SVG的控制，通过建立仿真模型获得了该算法的检测结果也得到了无功补偿。双馈感应风力发电机的无功输出随着有功功率的变动而存在波动性，并且在有功输出处于一定范围时需要吸收无功功率，对此文献［23］在分析其P－Q关系的基础上，引入静止同步补偿器，提出抑制无功功率波动、保证风电有功输出的无功控制策略，并据此建立了无功实时控制系统。其得出的结论是该系统可扩大风电场的无功运行范围，提升调节品质，提高并网点与电网的电压水平。文献［24］中提出使用基于电压源转换器PWM技术的静态无功补偿器，以稳定连接电网的鼠笼式风力发电机系统。相对于文献［23］，文献［24］提出了另一种简单的控制策略，这里只需测量风机终端的均方根电压，不需用无功功率的测量。相对于传统的PI控制器这里采用模糊逻辑控制器作为STATCOM的控制方法。

3.3.2 低电压穿越能力的实现

文献［25］指出在电网各种故障中，电压跌落问题最为常见，导致的后果也最为严重。由于目前的风电机组不具备低电压穿越能力（LVRT），当电网电压发生跌落后，将引发大量风机切除，导致局部电网发生有功缺额，电压恢复后系统频率降低，潮流大范围转移，对电网的稳定性和电能质量构成威胁，造成巨大损失［26］。因此风电机组的LVRT问题是现在风电并网问题中最为突出和迫切需要解决的问题。风电机组的低电压穿越能力是指当电网电压发生跌落后，风电机组具备一定时间内保持不脱网运行的能力，甚至在电压跌落期间风电场能够类似传统火电厂对电网提供一定无功支持［7］。文献［27］对电压跌落和恢复时双馈感应发电机的电磁响应做了较深入分析，得到的结论是电压跌落激起双馈感应发电机动态响应的本质是由于电机磁场不能突变，因此定子电压（电变量）的突变引发定子磁链（磁变量）增加呈指数衰减特性的暂态直流分量，定子磁链衰减振荡导致定转子电流呈现指数衰减振荡。文献［28］分析了电压不平衡对双馈发电系统常规控制的影响，并得到以下结论：在电网不平衡条件下，定转子电流和电压及其功率和转矩均存在二倍工频的周期性振荡，引起定转子三相电流不平衡，导致电机绕组发热，风电机组传动链振荡等恶果。针对不同电压跌落情况学者们提出了不同的应对方案，一种情况是当电压跌落深度较轻、跌落前转速较低时，可通过采用不同的改进前馈控制来加速电磁响应的衰减过程，以提高控制系统响应速度，文献［29］就是通过在电流环中增加反映磁链衰减的前馈项来加速响应速度。另一种情况是当跌落较深或转速较高时，可能会导致定转子严重过流，仅靠变流器的控制不足以实现机组低电压穿越能力，此时必须通过引入附加电路，最常见的是转子侧并联撬棍电路、直流母线卸荷电路等对多余能量进行消耗以实现低电压穿越能力，文献［30］提出了一种典型的动态撬棍电路的保护策略，文章指出合理的控制撬棍电路可以保护转子侧变流器并限制直流母线过电压，还可以给电网提供一定的无功支持。

3.3.3 储能技术的应用

储能系统具有动态吸收能量并适时释放的特点，能有效弥补风电的间歇性、波动性缺点，改善风电场输出功率的可控性，提升整体稳定水平。此外，储能系统的合理配置还能有效增强风电机组的低电压穿越能力以及增大电力系统的风电穿透功率极限。配合风电系统常用的储能技术有抽水蓄能、飞轮储能和超导储能等。文献［31］研究超导储能用于增强风电机组低电压穿越能力的问题，设计了相应的控制策略，并仿真验证了其可行性。文献［32］提出了一种采用超级电容器来实现短期快速风电场功率调节和中期持续风电场功率波动抑制的方案，并进行了相应的仿真分析，在仿真图上显示此方案效果可以达到预期要求。文献［33］探讨了采用飞轮储能、电池储能和超导储能系统增加风电穿透功率极限的问题，结果表明这三种储能系统都能有效增加系统的风电穿透功率极限，并能改善风电接入电网公共连接点的电压波动。

4 结 论

近年来，风电的大发展和大规模接入电网给人们带来经济和环保效益的同时，风电系统自身也面临着诸多考验，这其中风力发电系统的电压稳定性首当其冲。本文针对目前并网型风力发电系统电压稳定这一热点问题的最新研究成果做了概述，并从不同方面对其做了相应总结。由于风力发电与常规能源发电具有不同特点，大规模的风电场并入电力系统，将势必会对电网电压稳定造成影响。由于受到风力资源分布的限制以及相关风力发电并网技术的不成熟，也使系统的电压稳定性面临更大的威胁，这一问题在我国尤为突出。

为了保证风电并网的安全运行，必要时可采用“风电场短路容量比”来表征电网可承受风电场并网容量，以此来控制风电场接入系统的容量。风电场在建场时多采用变速恒频风力发电机组，有助于减小风电场对电网的负面影响，为风电场安装STATCOM等无功补偿装置来提供动态的无功支撑，可以明显改善风电系统的电压稳定性。尽快实现风电机组的低电压穿越能力是保证风电场在面临电网故障时风机不脱网运行并为电网电压恢复提供无功支持的主要措施。另外，在做好以上工作的同时引入合适的新技术，如储能技术和风速风向预测系统来提高系统的电压稳定也是值得关注的热点。

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