大规模风电场对电力系统稳定性影响的研究

许成哲，辛业春

（1.长春供电局，吉林长春130031；2.东北电力大学电气工程学院，吉林吉林132012）

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[1]。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[2]。

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。

本文就大规模风电场接入电网对电网稳定性带来的问题进行研究，力图反映风电场对电网的影响和解决这些不利影响的最新方法。

1 当前风电机组技术

一般地，风力发电机组可以根据其速度控制能力和所采取的功率控制类型来进行分类；按照速度控制，主要有以下4种不同类型的风电机组，如图1所示。

图1 典型风电机组结构

其中，基于鼠笼式异步感应发电机的恒速风电机组[3]，因为其结构简单、效率高和需要很少的维护，一直以来广泛应用。但是，异步感应电机在发出有功功率的同时吸收无功功率，需要加装无功补偿；另外，感应电机启动时电流涌流较大，需要安装软启动装置。基于双馈感应发电机的变速风电机组[4]，其优点是：淤风力机可以最大限度地捕获风能；于减少了风电机组机械部件上的应力；盂较宽的转速运行范围，以适应因风速变化引起的风力机转速变化；榆实现了有功功率和无功功率解耦控制，采用灵活的控制策略可以调节系统的有功、无功功率；虞只需要25%～30%的发电机功率通过电力电子装置转化接入电网，得到越来越多的推广。

以上2类风电机组将是目前和将来主要应用的风力发电机组类型，下面主要针对这2类风电机组对电力系统稳定性产生的影响进行分析。

2 电压稳定性

2.1 基于异步感应电机风电场静态电压稳定性

电网运行必须考虑大片区域风电机组切机带来的电压稳定问题。常规的大容量发电厂退出运行时系统由于突然失去大量无功注入可能存在电压崩溃的危险。如果被切的风电场机组属于感应发电机类型，其切机后果恰恰相反，可能造成相当数量的无功富余。

对于异步感应电机风电机组的风电场，当其输出有功功率增长时，其吸收的无功功率也增长，同时由于线路送出有功功率的增长还会导致线路电抗消耗的无功增长，且与线路的电流平方成正比，因此，包括风电场及其等值线路在内的总无功负荷在风电出力较大时其数量也是很可观的。当机端并联电容器提供的无功功率与线路充电无功功率之和大于风电场等值线路消耗的无功时，风电场机端电压水平能够得到改善；当风电场出力增加带来风电场消耗的无功及线路消耗的无功大于机端并联电容器提供的无功功率与线路充电无功功率时，风电场机端电压水平降低。由于风电场无功源都是并联电容器性质的无功源，输出无功与电压平方成正比，因此，电压降低时其提供的无功也减少，不能够提供足够的无功支持，其电压稳定水平降低。

2.2 基于双馈感应电机风电场静态电压稳定性

由于双馈感应电机能够实现有功、无功的解耦控制[5-8]，因此基于双馈感应电机的变速风电场的无功特性取决于双馈风电机组的控制。一般而言，双馈风电机组构成的风电场能够控制其风电场出口与电网之间不交换无功功率，即整个风电场不发出也不消耗无功；因此，风电场与等值线路中的无功损耗是此系统的无功负荷，相比于异步感应电机风电场，由于其无功消耗变小，其电压稳定性要明显好于异步感应电机风电场。

3 频率稳定性

整个电力系统在一个同步的频率下运行[8]，对于电力系统来说，产生的电能和消耗的电能必须平衡，频率反映了整个系统中能量的产生和消耗是否平衡。如果电力系统中发出的电能过剩，同步发电机将加速，系统频率增加；反之，发电机将减速，系统频率下降。

在电网发生频率大幅度降低事故时，系统的惯量对于频率降低的变化率起到了决定性作用——惯量越低，系统频率降低得越快。当电网中增加同步发电机时，电网的惯性自然增加；然而，由于电气特性的不同，风力发电机组无法表现出这种自然特性；对于严重的频率事故，任何惯量响应的降低都是危险的。随着风电装机容量在系统中所占比重的不断增加，风电并网后对电力系统的频率安全性和频率稳定性的影响是值得研究的。

在确定增长的风力发电对电力系统的影响时，风电机组惯量响应是一个关键因素。大规模的风力发电机组接入电网时，风力发电机组会替代系统中的一部分常规发电机组；如果风电机组无法表现出其惯量的作用，整个系统的有效惯量会降低，当风电在电网中所占比例增大时对电网频率稳定的不利影响也会不断增大。

不同类型的风力发电机组，由于结构的不同，接入电网后对电网频率稳定产生的影响也不尽相同。恒速风力发电机组采用感应发电机将风轮机转子上产生的机械能转化为电能，此类型的发电机组频率控制和电压调节比较困难；然而，由于转速和系统频率之间通过变速箱的耦合关系，当系统频率下降时，能够向电网提供惯性响应，响应的大小由储存在转子上能量和频率的变化率来决定。变速风力发电机组中，直驱式同步发电机风电机组将风能转化为电能，然后通过电力电子装置并入电网；基于双馈感应发电机（DFIG）风电机组，其定子侧直接接入电网，转子侧通过电力电子装置接入电网。大量电力电子装置的使用，使得变速风电机组的机械功率和电磁功率解耦，当电网频率发生变化时无法向系统提供任何惯性响应。

然而与传统发电机相似，风轮机也有巨大的动力学能量存储在旋转的叶轮上。研究表明，采用合适的控制策略[10]，通过增加辅助控制能够让双馈感应发电机风电机组向电网提供惯性响应，使其“隐含惯性”对电网可用。

4 结语

1）基于普通异步感应电机的恒速恒频风电机组，由于在发送有功功率时，需要从系统吸收无功功率，降低了电网的电压稳定性；因此，有必要在这类风电场的接入点选择性地安装快速无功补偿设备，如SVC(静止无功补偿器)、STATCOM(静止无功发生器)等,以提供必要的无功和电压控制。

2）基于双馈感应电机的变速恒频风电机组，由于其机械功率与电磁功率解耦，当电网发生频率事件时，无法向电网提供惯性响应，对电网的频率稳定性产生不利影响；研究表明，通过增加辅助的频率控制环节，使得电网频率降低时，双馈感应电机风力发电机组降低转速，释放其转子和风轮机上的能量，提高电力系统频率稳定性。

[1]薛桁,朱瑞兆,杨振斌,等.中国风能资源贮量估算[J].太阳能学报,2001,22（2）:167-170.

[2]李锋,陆一川.大规模风力发电对电力系统的影响[J].中国电力,2006,39（11）:80-84.

[3]CLEMENS J,ANCA D H,POUL S.Simulation Model of an Active-Stall Fixed-Speed Wind Turbine Controller[J].Wind Engineering,2004,28（2）:177-195.

[4]徐锋,王辉,杨韬仪.兆瓦级永磁直驱风力发电机组变流技术[J].电力自动化设备,2007,27（7）:57-61.

[5]JANAKA B E,LEE H,WU Xue-guang.Dynamic Modeling of Doubly Fed Induction Generator Wind Turbines[J].IEEE Transactions on Power Systems,2003,18（2）:803-809.

[6]LEI Ya-zhou,ALAN M,GORDON L.Modeling of the Wind Turbine with a Doubly Fed Induction Generator for Grid Integration Studies[J].IEEE Transaction on Energy Conversion,2006,20（1）:257-264.

[7]YVONNE C,SMITH P,MULLANE A.Wind Turbine Modelling for Power System Stability Analysis-A System Operator Perspective[J].IEEE Transactions on Power Systems，2007,22（3）:929-936.

[8]申洪.变速恒频风电机组并网运行模型研究及其应用[D].北京:中国电力科学研究院,2003.

[9]袁季修.电力系统安全稳定控制[M].中国电力出版社,1996.

[10]POUL S,ANCA D.Wind Farm Models and Control Strategies[R].Riso National Laboratory,2005.