大规模风电场和光伏电站的电网接入影响与无功支撑研究

王剑波

（安徽送变电工程有限公司，安徽 合肥 230022）

0 引 言

电力系统的可持续发展和清洁能源的广泛应用成为当今社会的重要话题，其中大规模风电场和光伏电站作为可再生能源的主要代表，是电力系统的重要组成部分之一。但随着大规模风电场和光伏电站的快速发展和接入电网的增多，电网接入影响与无功支撑问题日益凸显，对电力系统运行的稳定性和安全性产生了显著影响。电网接入对风电场和光伏电站的影响涉及电力系统的电压稳定性、电流质量以及频率稳定性等方面。由于风力和太阳能等可再生能源的不确定性，大规模风电场和光伏电站的无功功率调节成为电网运行的重要问题。

本研究可以增进对大规模风电场和光伏电站电网接入影响的理解，为电力系统规划和运行提供科学依据，为电力系统的可持续发展和清洁能源的高比例接入提供技术支持和决策参考。

1 大规模风电场和光伏电站的电网接入问题

1.1 可再生能源的快速增长趋势

随着全球对清洁能源需求的不断增加，大规模风电场和光伏电站作为可再生能源的主要来源，呈现出快速增长的趋势。风电和光伏发电容量的迅猛增长，归功于政府对可再生能源发展的鼓励和支持，使得大规模风电场和光伏电站的接入电网变得日益普遍。

1.2 电网接入带来的挑战

1.2.1 电压稳定性问题

大规模风电场和光伏电站的电网接入会对电力系统的电压稳定性产生影响。由于可再生能源的输出具有波动性和不确定性，可能造成电网电压波动，甚至出现电压异常。

1.2.2 频率响应问题

大规模风电场和光伏电站的接入会对电力系统的频率稳定性产生影响。由于可再生能源的输出受风速和日照强度等因素的影响，发电容量可能会发生剧烈变化，导致电力系统频率产生波动。

1.2.3 电力质量问题

大规模风电场和光伏电站的接入还可能引发电力质量问题，包括电网电压波动、谐波扰动、电网电压偏差等。由于可再生能源的非线性特性和电力电子装置的使用，风电场和光伏电站的接入可能对电力系统的电力质量产生不利影响。

2 电网无功支撑的重要性与原理

2.1 无功功率的概念与作用

无功功率与有功功率一起构成了总功率的概念。无功功率是指在交流电路中，由于电感和电容元件的存在，电流和电压之间存在相位差，从而产生无功功率的传输。与有功功率不同，无功功率不直接用于实际功的传输，但对电力系统的稳定运行和电能质量起着重要作用。无功功率的不平衡和波动性可能导致电力系统产生电压波动、电压偏差和谐波，从而影响电力设备的正常运行和用户用电质量。

2.2 电力系统的无功支撑需求

电力系统中存在大量的感性负载和电容性负载，它们对无功功率的需求存在差异。感性负载需要由源无功功率来供给，而电容性负载则需要吸收无功功率。因此，为满足电力系统的无功功率需求，引入无功支撑技术至关重要。

无功支撑技术的目标是通过控制和调节无功功率的产生、传输和消耗，使电力系统能满足不同负载的无功功率需求，维持电网的稳定运行，保障电能质量。无功支撑技术对于大规模风电场和光伏电站的电网接入尤为重要，其输出受天气和环境等条件的影响，具有波动性和不确定性，对电网的无功功率平衡提出了更高的要求。

2.3 无功支撑的常见方法

为了实现电力系统的无功支撑，常采用静态无功补偿装置和动态无功补偿装置（Static Var Generator，SVG）。

2.3.1 静态无功补偿装置

静态无功补偿装置是通过电力电子器件进行无功功率的补偿和控制。常见的静态无功补偿装置包括静态无功补偿器（Static Var Compensator，SVC）和静态同步补偿器（Static Synchronous Compensator，STATCOM），可以根据电力系统的无功需求，通过控制电流和电压的相位、幅值、频率等参数，实现无功功率的传输和消耗，从而实现电力系统的无功支撑。

2.3.2 动态无功补偿装置

SVG利用旋转机械设备（如发电机）或可控电力电子器件来实现无功功率的补偿和控制。常见的动态无功补偿装置包括静止同步串联补偿装置（Static Series Synchronous Compensator，SSSC）、STATCOM、柔性交流输电系统（Flexible Alternative Current Transmission Systems，FACTS）[1-3]。

3 大规模风电场和光伏电站的无功支撑技术研究

3.1 电压和频率响应能力分析

在大规模风电场和光伏电站的电网接入中，电压和频率响应能力是评估其无功支撑技术的重要指标。通过分析电压和频率响应能力，可以确定电站对电力系统电压和频率波动的抑制能力。电压响应能力分析主要是对电站无功功率变化的响应时间、响应准确度和稳态误差等指标的评估，频率响应能力分析则关注电站对电力系统频率变化的响应速度和稳定性。分析结果可以帮助优化无功支撑技术的设计和控制策略，提高电站对电力系统无功需求的满意度。

3.2 电流注入控制策略

电流注入控制策略是通过控制电站逆变器的输出电流，使电站能够主动注入或吸收适当的无功功率，以满足电力系统的无功需求。

3.2.1 无功功率调节

电流注入控制策略允许电站根据电力系统的无功需求情况动态调整逆变器的无功功率输出，使逆变器可以主动注入或吸收无功功率，维持电力系统的无功平衡。通过监测电力系统的电压和频率变化情况，以实时调节逆变器的工作状态，控制无功功率的注入或吸收，从而维持电力系统的稳定运行。

3.2.2 电压和频率响应

电流注入控制策略能够根据电力系统的电压和频率变化情况，实时调整逆变器的工作模式。例如，电力系统的电压或频率偏离额定值时，逆变器可以相应地注入或吸收无功功率，以保持电力系统的稳定运行。这种电压和频率响应能力，对于处理电力系统的瞬态扰动和持续性扰动非常重要，有助于维持电力系统电压和频率的稳定。

3.2.3 无功支撑功能

电流注入控制策略使风电场和光伏电站具有无功支撑功能，即电站能够主动注入或吸收适当的无功功率，以避免电力系统存在无功功率缺陷或过剩。通过控制逆变器的工作状态，电站可以在需要时提供无功功率支撑，以维持电力系统电压和频率的稳定。

电流注入控制策略在大规模风电场和光伏电站中起着重要作用。该策略能够实现无功功率的调节和无功支撑功能，有助于提高电力系统的稳定性和可靠性；同时使可再生能源发电系统能更好地与传统电力系统协调运行，促进清洁能源的可持续利用。

3.3 电压源和电流源无功控制策略

电压源和电流源无功控制策略是另一种常用的大规模风电场和光伏电站的无功支撑技术。通过控制逆变器的电压或电流源特性，实现无功功率的主动注入或吸收。在电压源无功控制策略中，逆变器的输出电压被控制在特定的参考范围，通过调节逆变器的无功功率输出实现对电力系统无功功率的补偿。而在电流源无功控制策略中，逆变器的输出电流被控制在特定的参考范围，以实现对电力系统无功功率的调节。

3.4 模拟与仿真研究方法

为了研究和评估大规模风电场和光伏电站的无功支撑技术，在实际建设之前，常采用模拟与仿真研究的方法验证技术的可行性。通过在计算机软件平台上建立电力系统和电站的数学模型，模拟不同工况下的运行情况，以评估无功支撑技术的性能和效果。通过调整模型参数和运行条件，快速分析和比较不同无功支撑技术的影响，预测电站在实际运行中的响应能力，并优化控制策略。常用的电力系统仿真软件包括PSCAD、PowerFactory、MATLAB/Simulink等。

3.5 实际案例研究与测试结果

为了验证和评估大规模风电场和光伏电站的无功支撑技术，在实际运行中需要进行案例研究和测试。通过在不同地理位置和电力系统条件下的大规模电站上进行测试，可以获取实际运行数据，并评估无功支撑技术的有效性和可行性。实际案例研究与测试结果可以用于判断电站无功支撑技术在实际场景中的表现情况，包括无功功率响应时间、稳定性、控制精度等指标的评估（见表1）。同时，可以探索不同电力系统条件下的无功支撑策略的适用性和局限性，为进一步优化无功支撑技术提供参考。

表1 不同电站无功支撑技术测试指标与测试结果

通过案例研究和测试数据，可以更好地了解无功支撑技术在实际场景中的表现，为未来的电力系统优化和改进提供参考。

4 电网无功支撑与稳定性仿真分析

4.1 电力系统模型建立

在进行电网无功支撑与稳定性仿真分析之前，需要建立电力系统模型。该模型应包括电力系统的发电机、传输线路、负荷以及其他电力设备，同时要充分考虑电力系统的复杂性和多样性，以准确反映电力系统的实际运行情况。电力系统模型的建立可以基于现有的电力系统仿真软件平台，如PSCAD、PowerFactory或MATLAB/Simulink等。通过选择合适的模型元件和参数设置，可以准确地描述电力系统的结构和特性，为后续的仿真分析奠定基础[4]。

4.2 风电场和光伏电站模型集成

将风电场和光伏电站的模型集成到电力系统模型中。其中，风电场模型要考虑风速的变化对风力发电机输出功率的影响，光伏电站模型要考虑光照强度的变化对光伏组件输出功率的影响。风电场和光伏电站模型的集成可以采用标准的风力发电机模型和光伏组件模型，根据实际情况调整参数。同时，将风电场和光伏电站的逆变器模型与电力系统模型进行连接，以实现与电力系统的交互。

4.3 仿真参数与场景设定

在进行仿真分析之前，需要设定仿真参数和场景。仿真参数包括仿真时间、时间步长、仿真算法等，根据具体需求进行选择。场景设定包括电力系统初始状态、风速或光照强度的变化规律等。仿真参数和场景的设定要充分考虑电力系统的实际运行情况，需要有一定的代表性。例如，根据历史数据或实测数据来确定风速或光照强度的变化规律，以验证无功支撑策略在不同工况下的性能。

4.4 无功支撑策略效果评估

利用建立的电力系统模型和集成的风电场和光伏电站模型进行无功支撑策略的仿真分析。根据设定的场景和仿真参数，模拟风电场和光伏电站对电力系统的无功需求响应，并评估无功支撑策略的效果。评估指标包括无功功率响应时间、稳态误差、控制精度等[5]。通过对不同无功支撑策略的比较分析，以确定最佳的无功支撑方案，提高电力系统运行的稳定性和可靠性。

4.5 稳定性分析与对比

在仿真分析的基础上，对电力系统的稳定性进行评估和对比，包括电压稳定性、频率稳定性等内容。第一，电压稳定性。评估系统中各节点的电压波动情况，对比不同无功支撑策略的电压稳定性指标，分析风电场和光伏电站对电力系统电压的影响。第二，频率稳定性。评估系统的频率响应特性，对比不同无功支撑策略的频率稳定性指标，分析风电场和光伏电站对电力系统频率的影响。

5 结 论

大规模风电场和光伏电站的电网接入对电力系统的无功需求产生了显著影响，导致电力系统的无功功率产生波动和变化，并影响电力系统的无功平衡。通过合理设计无功支撑策略可以提高大规模风电场和光伏电站的无功支撑能力，增强电力系统的稳定性。采用适当的无功补偿设备、控制策略和调度方法，有效避免无功功率波动，并提供电力系统所需的无功支撑。为了推动大规模风电场和光伏电站的电网接入，一方面，政府可以制定可再生能源配额制度、提供经济激励和税收优惠，简化接入程序和审批流程；另一方面，电力公司应该在电力系统规划和运营中充分考虑大规模风电场和光伏电站的接入，确保其接入容量和位置合理，保障电力系统的稳定运行。