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大规模风电项目并网运行系统稳定性控制岑振宇

发表时间：2020/3/3 来源：《电力设备》2019年第20期作者：包善宇岑振宇

[导读] 摘要：风能属于清洁能源，利用风能发电可以较少对自然的污染，然而风能本身的一些特性，如不稳定性、随机性等，导致风能发电厂与其他发电厂之间差异较大，也就是说风能发电自身就有缺陷，不具备传统发电机组的特征。

        (内蒙古龙源新能源发展有限公司内蒙古呼和浩特 010020)
        摘要：风能属于清洁能源，利用风能发电可以较少对自然的污染，然而风能本身的一些特性，如不稳定性、随机性等，导致风能发电厂与其他发电厂之间差异较大，也就是说风能发电自身就有缺陷，不具备传统发电机组的特征。因此需要对风能发电实行并网建设，如此在某种程度上对电力系统的安全运行有一定的影响，但是对于一些小规模的风能发电厂来说还是可以应付的。然而，实践证明，随着风能发电厂并网规模的逐渐扩大，对电网系统的稳定运行的影响也越来越明显。因此，就需要国家加强对大规模风电并网的研究，这就需要投入较大的资金，此举对于我国实行大规模风电并网有着重要的指导和实用意义。
        关键词：大规模；风电项目；并网运行；系统稳定性；控制
        引言
        随着风电装机容量增加，我国在2011年风电总装机容量达6500万千瓦，成为世界上风电设备制造大国和风电装机容量最多的国家。当大规模风电基地集中接入输电系统后，可使整个系统的动态行为和稳定机理发生显著变化。因此，大规模风电并网对系统稳定性的影响分析成为很多学者关注的重点。电力系统稳定性可分为电压稳定、频率稳定和功角稳定。基于不同的故障情况，功角稳定可分为小干扰稳定和暂态稳定。本文基于现有的研究成果，对大规模风电并网对系统功角稳定性的影响展开综述。
        1风电并网后的小干扰稳定研究
        1.1小干扰稳定分析的主要内容
        大规模风电并网后，如果在小干扰稳定系统下，电力系统的振荡能够得到有效的抑制，这时系统偏移较小，此时电力系统运行时相对稳定的；反过来讲，对振荡状态下的振幅控制不好，那么电网系统就会处于一种不稳定的运行状态。造成电力系统的小干扰状态不稳定情况的因素的多方面的，主要包括三方面，电网的初始运行状况，电网系统中各部件的紧密程度，以及电网系统中格控制单元的特性。电力系统运行过程中受到小干扰的影响的难免的，但是电网系统在小干扰的情况下也可以正常运转，前提条件就是小干扰稳定。对于小干扰稳定的分析中，把某种频率下出现的振荡称为一个模式。如若振荡阻尼值为正，那么此种情况下的振荡属于衰减模式；相反则为增幅振荡，这时系统是不稳定的，此时的振荡模式我们常称之为关键模式。对于小干扰稳定的分析主要从以下几个方面着手：①根据模式的类型，建立相应的系统模型；②计算各关键模式的定量信息；③选择最适的系统阻尼的控制器的安装点；④优化控制器来改善关键模式下的阻尼，使之达到系统运行的要求。
        1.2含风电场电力系统的小干扰稳定性研究现状
        通常对风电场的系统小干扰稳定性和阻尼特性的研究主要从四个方面进行，风电场并网的系统建模，简单风电场系统的振荡模式分析、风电场的复杂电力系统阻尼特性分析，风电机组进行稳定控制等。
        1.3含有异步风电机组的小干扰稳定分析模型
        然而电力系统的正常运行中还会有各种干扰存在，例如某个点上负荷增大，切除负荷以及风速的减缓增大。相关研究表明，不同的电力系统在小干扰稳定系统下，运行稳定性还是有一定差异的，而这种差异主要是由于阻尼不足造成的。
        2风电大规模接入后的系统频率稳定问题
        风力发电出力具有明显的间歇性与波动性，当风电并网自身容量相比电网容量较小时，其功率的扰动对电力系统的影响甚微；当并网单元数量增加到一定额度时，其功率的扰动将有可能影响电网的稳定，对电网频率造成不利影响。

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        我国风能资源与电力负荷的地理分布存在着显著的不匹配现象，这决定了我国的风电开发特点是大规模、远距离传输。国家发改委规划在沿海地区和“三北”地区建设大型和特大型的风电场，包括若干个千万千瓦级风电基地。这些风能资源丰富地区，一般多为电网末端，电网网架结构较弱，电网调节能力有限，这致使大规模风电接入对地区电网的调频和稳定运行带来极大压力。大规模风电场并网对系统频率的不利影响，主要体现在如下几点。
        1）风电功率的波动性和不可预期性，将会产生严重的地区有功功率不平衡问题。传统电力系统调频任务主要是针对负荷的随机变化及联络线功率控制的需求设置的，随着风电的引入，风电的随机性及负荷波动性的双重性作用将给系统频率控制带来前所未有的困难，而且，这一困难随着风电并网单元数量的增加将会变得更加严重。2）电力系统的惯量对于系统的频率变化起决定性的作用，惯量越小，系统频率变化速度越快。风电大规模并网后，势必代替部分常规发电机组。由于传统变速恒频风电机组控制系统实现了机组转速与电网频率的完全解耦，使风电机组失去了对频率的快速有效响应。因此，传统变速恒频风电机组转速的惯性动能对系统惯量的贡献微乎其微。在电网频率发生改变时，机组无法对电网提供频率响应，导致电网发生功率缺额时，电网频率降低的变化率较高，频率的跌落幅度较大，不利于电网的频率稳定。3）由于我国风电事业的发展过程中，对风机并网的技术要求缺少统一标准。目前，并网发电的风电机组多数并不具备高、低电压穿越能力。当电力系统中风电装机容量达到一定规模时，由于电网故障引起的电压波动等因素，导致风电场整体退出运行时，会引起系统有功出力和负荷之间的动态不平衡，当电网其他发电机组不能够快速响应风电功率时，则有可能造成系统频率偏差，严重时可能导致系统频率越限，进而危及电网安全运行。
        3大规模风电集中并网对电网系统的冲击
        目前，国内的大多风力发电厂还是规模比较小，容量也相对比较小的，对于小规模的风力发电厂来说，发电机是异步发电机，也要靠电网系统来建立自己的磁场。然而在大规模的风电集中并网系统中，实现并网后会对电压的有较大的冲击，从而有冲击电流形成，而这种冲击电流的存在直接影响电网系统的正常稳定运行。当风电场规模和容量较小，冲击电流的影响倒还不大，一旦实现大规模的风电集中并网，就会使得电场容量大大增加，并网后会产生冲击电流，会造成电网系统运行不畅，而且还会出现电压骤降的情况[5]。前面也提到过，依附风电机组建立磁场是靠电网系统所吸收的无功功率，但是大规模的风电并网后，就会使的冲击电流达到电网系统额定电流的6～8倍，直接导致的问题就是电压降低，会使得电网系统的某些元件出现故障，严重者会使得并网系统不能够正常运行。所以，大规模的风电并网需要在设备上进行更新，需要投入大量的资金购买相关设备，从硬件上有所改善，保证电网系统能够安全、稳定的正常运转，而且如果风电机组脱离电网后也会造成电压的瞬间升高。
        结语
        综上，现今我国在风里发电上投入了较多的财力和人力，虽然取得了一定的成效，但是对于大规模的风电并网来说，要想电网系统还能够正常稳定的运行，还需要一定的摸索和研究。本文基于现有的研究成果，从风速、轴系、发电机工况、换流器裕度、风电场位置、风电渗透率和附加控制电路几个方面，综述了大规模风电并网对系统功角稳定性的影响。目前的研究成果中，针对风电渗透率对系统暂态稳定性和小干扰稳定性的影响分析，不同的研究成果中结论不一致，且都只是针对仿真结果的分析，缺乏对影响机理的研究。因此风电渗透率对系统功角稳定性的影响机理还有待深入研究。除此之外，风电场位置对系统暂态稳定性的影响也需要深入研究。
        参考文献:
        ［1］陈卓，郝正航，秦水介．风电场阻尼电力系统振荡的机理及时滞影响［J］．电力系统及其自动化，2017，37(27):8－14．
        ［2］李媛媛，邱跃丰，马世英，等．风电机组接入对系统小干扰稳定性的影响研究［J］．电网技术，2018(8)，36(8):50－55．
        ［3］卢强．南方电网的灾变防治体系———南方电网的SuperEMS［J］．电力系统自动化，2017，29(24):1－2．