并网风电场对电力系统电压稳定性影响的研究

刘航航

（华北水利水电大学 河南省郑州市 450000）

近些年来，科技发展的速度日益加快，让风力机技术获得了定期更新，相应的机组结构获得优化，提升了相关性能。经过几十年的发展，使得空气动力学、航天技术等均被运用到风力发电机组的研制工作当中，提高了对计算机技术与复合材料的利用率，让风力发电发挥出来的作用不断变大。面对此种情况，风力发电朝着逐渐产业化的方向发展。加快对风力发电的研究，有助于增强对自然环境的保护效果，降低了能源的消耗量。实际上，风力发电机的功率十分不稳，在风电场并网的过程当中，带给电力系统电压稳定与安全性方面很大的不良影响。为此，系统掌握风电场并网带给电力系统稳定性的影响情况，有利于明确科学的管控对策，确保电网运行的稳定性。

1 并网风力发电系统的构成与特征概述

一般而言，独立运作的相关风电系统、并网运行的风电系统，构成的部分均涵盖了下述不同的功能模块：风轮、齿轮箱、发电机、管控系统。在这当中，可以利用风轮获取风能，使风力有效转化成机械能。而齿轮箱在运用的时候，可以加快风力机的转动速度，让其满足相关发电机的转速要求，提升整个工作运行的效率。依靠发电机能够将风的机械能转化成电能。对于管控系统来说，则旨在使得风能的利用率获得提升，并且确保了该系统运行的稳定性和安全性。因为风力发电属于一次性能源，风能具有显著的间歇性特征[1]。在此过程当中，发电机处在频繁的启停状态当中，所以，对于发电机的类别来说，可以选择异步发电机。受到上述不同方面因素的影响，让风力发电系统和普通的发电系统之间存在着很大的差别特征，具体如下：

（1）输入风能的改变存在着显著的随机性特征，假如缺少相应的处理对策，会使得风力发电机所输出的功率受到风速改变的影响，进而产生了很大的变化，不利于确保发电系统的电能质量达到相关要求，降低了电网中电压的稳定性。

（2）在异步发电机相应的风力发电机组进行运作的过程当中，能够输出有功功率，并且会吸取无功功率，对于无功功率来说，其和电压之间的联系是非常紧密的。

（3）异步发电机不具备相应的电压管控能力，使得电压发生变化，易于超过相应的区间。

上述不同方面的特征让针对风电系统的电压稳定性影响情况分析变得尤为关键[2]。

2 风力发电机组的管控模式分析

通常情况下，风力机组的管控涵盖了功率与速度的管控方面内容。其中，功率主要运用到风轮当中，借助对叶片桨距角的科学管控，能够得到最大的风能，规避出现转轴和发电机过载的情况，达到了对机械保护的效果。速度则被运用到发电机当中，借助对转矩、转子电流的管控方式，达到减小输出功率变化的目的，避免机械出现振荡的现象。对于风力机组的管控模式来说，受到机组类别不一样的影响，存在着很大的差别。不过主要的规定均应该保证良好的风况、天气与电网条件，提高了运行的安全性，同时也降低了年发电量与发电的经济成本[3]。由此可见，风力机组的管控宗旨涵盖了下述几个方面的内容：

（1）处于既定的运行风速区间当中，确保风力发电机组运行的稳定性；

（2）处于额定的风速环境当中，需要尽量获得更多的风能，使得风能的利用率得以提升；

（3）处于高风速的环境当中，应该对机组的功率输出加以有效限制，维持在相应的额定值区间当中，谨防出现风机转轴、发电机和电力电子设备过载的现象：

（4）实现对相关风力机组机械的有效保护。

一些负荷在运行的过程当中，可以采用下述两类管控模式：恒定叶尖速比方式、最大功率追踪方式。在这当中，前者的管控理念为在风力机组处于最佳的叶尖速比情况下，所输出的功率是最大的。进行实际管控的过程当中，需要把风力机的风能转换效率系数和叶尖速比间的特性有效储存到相应的管控系统之内，并且借助相关测定设备，能够得到现阶段环境当中的风速、转速，然后对比依靠计算获取的叶尖速比参考数值，把所形成的误差输入到管控系统当中，有利于缩小偏差[4]。实际上，此类管控方式在风速、转速的测定准确度方面拥有很高的要求，由此能够看出其存在的弊端。而后者的管控方式则主要借助对转轴转速的控制方法，能够获得最大的风能。依靠此种模式，在风速测定的精准度、叶片的动态性方面敏感度不够，可以被运用到很多大型的风力发电机组当中。

在有关风电机组处于额定风速、全负荷的运行状态之下，应该对风轮、转轴、发电机的容量加以科学限制，基于减小叶片的负载、机组所受冲击影响的目的，可以借助对该系统的管控方式，使风力机组的输出功率得到一定的限制。通常情况之下，处于全负荷运行状态下的管控模式包含了三类，依次为定桨距管控、变桨距管控、主动失速管控。

3 并网风电场带给电压稳定性影响的仿真说明

我国某某区域电网运用了恒速恒频异步发电机装置，共计数量为12台，各台发电机功率是1.5MW，相应的额定电压为0.69kV，上述发电机终端均能够满足电容器补偿机组无功方面的规定，使电容器装置容量处于某个范围当中RT+jXT，其中，Vs、VIG依次代表的为电网终端等效电压源、风电场的场端两类电压。鼠笼风机的参数见表1。

表1：鼠笼风机相关参数表

从对电力系统电压稳定性影响方面的因素来说，主要涵盖了下述几个不同的方面，现加以展开分析与说明。

3.1 风机端电压受风速改变形成的影响分析

由于风速处于持续的动态变化当中，其中涵盖了随机的波动、机组有功、无功的变化等现象。假如风电场所接入的为弱电网，这种电压波动的情况会导致电压出现闪变的情况。在相关风速模型在噪音风的情形之下，有功功率将根据风速的波动方向出现一定的变化，机端电压与其呈现出一定的差异性，受到变化的影响，使其与风速变化的方向是相反的[5]。

3.2 风机端电压受短路容量改变形成的影响分析

从电网的角度来说，短路的容量、功率即为该点三相短路电流与额定电压的乘积。如果短路电流I以kA进行表示，相电电压U以kV进行表示，能够运用以下公式对短路的容量进行准确计算：此处的短路容量比K，针对的为：在并入风电场装机容量明确的基础上，通常需要科学利用耦合点的电路容量，并把风机装机容量Pw与连接点短路容量Sc二者的比值当成短路容量比；具体实施的时候，短路容量比K将成为判断接入风电场装机容量的主要参考指标，一般来说，应该小于某个数值[6]。

假如短路的容量比产生了变化之后，由5%提高至30%，面对此种状况，机端电压值随之产生了振荡的情况，同时随之不断下降，当接近30%的时候，完全失去了稳定性。由此说明，短路容量比与风电场的电压变化呈现出密切的联系。为了确保机端电压的质量达到相关规定，应该使风电场的装机容量处于耦合点短路容量的特定百分值范围当中，对于我国来说，短路容量比一般应该被管控在9%的范围当中。由此可见，经过上文的论述与分析之后，从中不难看出，强化风机端电压受短路容量改变形成的影响分析可谓十分关键，具有很大的实施价值。

3.3 风机端电压受传输线阻抗比改变形成的影响分析

可以运用下述相关公式进行传输线路上电压降∆U近似值的准确计算：

对于以上的计算公式来说，不同的参数所代表的意思依次为：

P代表的是风电场输出的有功；Q代表的是风电场输出的无功；P>0，Q<0；R代表的是传输线路的电阻；X代表的是传输线路的电抗；VIG代表的是风电机组的机端电压。

依靠有关电力系统对风电场传递相应的无功功率Q，并且在电抗X方向之上形成电压降落纵分量；由风电场供应电网相应的有功功率，同时在电阻R上形成分量，造成端电压得以提升。当风电场的接入点如果处于电网的末端时候，这个时候此配电网传输线的阻抗比X/R的数值将处于某个范围当中，一般为3～11，结合最后的仿真结果，从中不难看出，受到X/R数值变大的作用影响，此时的风电场电压出现不断下降的情况，相应的电压值则无法确保一定的稳定性。

假设风电场的功率输出与祸合点二者之间的短路容量比选用12%，当受到阻抗比X/R提高的影响之后，此时的电压会难以确保稳定性。在此过程当中，不难看出，应该合理选取传输线路具体的阻抗比X/R参数，受此影响，有助于保证风电场的稳定性与安全性。

3.4 电压受转子反馈控制改变形成的影响分析

受到机端电压跌落的影响，此时转子的运转速度开始加快，直至产生飞车的情况，所以，可以从中获悉，通过对转子的转速加以科学管控，可以进一步增强风电场的动态电压性能。如果产生了三相短路的故障问题，在这个时候，无论是机端电压，还是功率，均受到时间的变化随之形成很大的改变。在此过程当中，电压会处于一瞬间产生跌落的现象，然会回至0.8pu，有功功率则出现震荡的情况，无法保证稳定性。面对转速反馈控制的状况时，电压和有功功率可以处于很短的时间当中，产生的震荡现象将得以恢复正常，拥有良好的稳定性。一般情况下，借助此种管控措施，目的在于让风力机组的输出变得更加稳定，当机组的转速逐渐加快以后，此系统依然处于短路的时候能够获得良好的稳定性。

4 结束语

综上所述，鉴于风能的随机性、间歇性特征十分显著，与风电场运用异步发电机的部分特性，受到风电装机容量日益增大的影响，使其在配电网中的作用逐渐变大，应该确保风电并网运行的安全性与稳定性。面对此过程当中经常出现的风电系统电能质量降低、电压失稳等问题，有必要积极开展针对并网风电场带给电压稳定性影响情况的探究工作。为此，笔者经过查阅大量相关研究文献之后，基于三相短路故障之下，对两种机组的风电系统仿真情况加以分析和说明，把相应的控制器装置应用到常规的异步机组风电场当中，能够确保电压的稳定性，并且把相关转子短路保护装置应用到双馈异步机组风电场当中，可以让电压的稳定性得以提高，从而真正发挥出其应有的功效和作用。