风电接入对地区电网潮流及稳定的影响

风电接入对地区电网潮流及稳定的影响

杨立斌

北京京能电力股份有限公司乌兰察布分公司

内蒙古自治区乌兰察布市012000

摘要：随着风力发电技术的快速发展，新能源发电装机容量逐年上升。目前常见的风能、太阳能等新能源具有分布广泛、能量密度低以及间歇性等特点，其发电系统输出功率存在较大的随机波动。大量新能源发电接入电网给传统电网的电能质量、电网稳定性等方面带来了诸多不利的影响。由于风力资源分布、风速、电网结构以及机组控制方式等因素的影响，风电场机组的输出功率常呈现出周期性的特点，容量较小时，其对系统的影响并不明显，但随着风电场的容量不断增大，其对原有系统的影响也更为显著。

关键词：风电接入电网；潮流；稳定性；影响  

20 世纪 90 年代，世界各国为了应对全球性的能源危机和温室效应，加强了对可再生能源的开发利用，这给风能等清洁能源带来了发展的契机。风电作为新能源发电的主角之一，已成为驱动新能源发电发展的不二选择，也是目前国内外新能源发电的研究重点。能源是国民经济发展的基础支撑和重要动力，日益严峻的能源形势及恶化的生态环境使大部分国家都把发展利用可持续的清洁能源作为未来的能源战略，其中，风能以资源丰富、无地域界限、绿色环保等独特优点成为人们关注的热点。但由于风电出力的随机性、波定性和不确定性，随着风电在电源结构中的比例不断增大，对电力系统的运行影响越来越严重，为了保证安全运行，进行了多方面的研究。由于区域负载的存在不确定性，卫星基地对电能的高质量要求，为了保证间歇性电源接入对区域电网的有效和安全运行，必须针对区域电网的特点和风电发电运行的特点进行理论研究。

一、研究的背景

地球上可供人类使用的化石燃料资源是极有限和不可再生的，煤、石油、天然气是目前人类社会主要的能源。与日俱增的能源消耗加剧了化石燃料储存量的减少，并导致全球环境污染和气候变暖，对自然环境和人类生活将造成不可逆转的破坏。在能源危机及环境污染日益加重的情况下，人们更加注重风能、太阳能、生物质能和地热能等新能源的利用和研究，其中风力发电和光伏发电已成为极具开发潜力的新能源利用形式，重点发展风电和光伏等新能源已经成为我国能源发展的重大战略决策。我国加强并网配套工程建设，有效发展风电，积极发展太阳能、生物质能、地热能等其他新能源。随着风力发电技术的快速发展，新能源发电装机容量逐年上升，而由于新能源具有分布广泛、能量密度低以及间歇性等特点，其发电系统输出功率存在较大的随机波动，大量新能源发电接入电网给传统电网的电能质量、电网稳定性等方面带来了诸多不利的影响。随着新能源电源在电网中的比例增加，新能源发电与电力系统之间的相互作用程度不断深化、影响范围也不断扩大，即从简单的局部电压波动、谐波污染等电能质量问题扩展到全网的安全稳定、经济运行等方面，从而制约了新能源发电的容量和规模，进一步影响了电网对新能源的接纳能力。

二、风电接入对电网的影响

1、对系统潮流计算的影响。风电场并网后，在进行系统的潮流计算中，釆用何种的风电场模型至关重要。目前的研究简单的 PQ 模型，结合风电场的额定有功和功率因数，推算出风电场吸收的无功功率，进而在潮流计算中将其作为普通的 PQ负荷节点进行处理。另一种是将感应电机的滑差表示成端电压、有功功率和等值支路阻抗的函数，称为 RX 模型，通过初始滑差和风速计算风机的电功率和机械功率，不断迭代直至收敛。实际的仿真结果表明，PQ 模型需要的迭代步骤较小，其结果同样满足要求，而 RX 模型的计算量则较大。

2、对电能质量的影响。随着社会的发展，尤其是高新企业和精工企业对供电可靠性和电能质量的要求越来越高。而风的接入会引起电网电压波动和闪变，这是对电网电能质量的最主要的负面影响。风电机组由于本身固有的特性以及出力波动性造成风电场电压波动，进而引起电网电压的波动和电压偏差。变速风电机组的变流器和并网设备中的电力电子装置运行中都会产生谐波，严重时会导致电网波形畸变。

3、对接入电网稳定性的影响。风电装机容量较小时，风电接入对电网暂态稳定性的影响并不明显，但是大规模的风电接入则会引起电网暂态稳定性的变化，严重情况下将会使系统失去动态稳定性，导致整个系统的瓦解。单台风电机对电网电压的冲击甚小，但多台风电机组的同时接入会造成电网电压的骤降。当风机发生故障时或风速超过切出风速，风电机组会自动脱网，产生电网电压的突降，而机端较多的电容补偿由于抬高了脱网前风电场的运行电压，从而引起了更大的电网电压的下降，严重时导致全网电压的崩溃。

4、对电网运行成本的影响。风电的接入改变了电网的能源结构，清洁且低成本风能可以取代部分常规能源，降低了电网的发电成本。但由于风电的出力具有波动性和随机性，很难作出准确预测，增加了电网运行调度的困难，同时风电的接入对电网的稳定性及电能质量造成不利影响，增加了电网的可靠性成本。为了保证风电接入以后电网运行的可靠性，因此需在原运行方式的基础上额外安排一定容量的旋转备用以响应风电出力的波动，维持电网的功率平衡与稳定。

三、潮流及稳定的影响分析

1、风电接入后的潮流分析。风力发电接人电网改变了系统的电源分布，从而改变潮流方式，同时由于风力发电的发电特性与常规电厂不同，因此对系统的电压控制要求也不同。本文以该地区电网在三种风电出力（0.50％、100％）情况下，对该地区各变电站潮流及电压的变化进行计算和分析。1）风电出力为 0MW 时该地区电网风电出力为 0MW 时，各风电场作为变电站的终端变，接收从各变电站送出的功率。2）风电出力为总出力的 50％时，该地区电网风电出力为总出力的 50％时。需风机无功出力在 -0.90— 0.95 之间时，潮流方能收敛，电压才能在合理的范围内。同时，各风电场也作为电源向该地区电网输送功率。3）风电出力为总出力的 100％时，该地区电网风电出力为总出力时，即当风电出力为 100％时需要在风电接入点进行无功补偿后，潮流才能收敛，电压才能在合理的范围内。同样，此种情况下，各风电场也作为电源向该地区电网输送功率。由此可知，风电场出口补偿无功后，可使风电场接人点电压处于合理范围，但由于风电大发，需从接入点向系统枢纽点输送大量的有功潮流，而风电场的无功功率无法进行大量输送，导致接入点与枢纽点无功电压不平衡度很大，潮流难以收敛。依据风电场无功分层的管理模式，即风电场需负责在其内部进行无功补偿，电网方面则负责在接人电网途中进行无功补偿。风电场在静态时基本无需从电网吸收无功，可最大限度地发挥风电出力，改善风力发电的质量。

2、对电网暂态稳定性的影响。接入风力发电的电网，运行方式变化更加频繁，系统稳定性的计算、分析和研究更加复杂。风电装机容量比例增加后，系统变化因素增加，相应地系统动态特性也可能变化更多，为确保系统安全稳定运行，必须全面、细致地进行分析。假设风电场为恒速恒频发电系统和等容量的火电厂时，比较极限故障切除时间，考虑该地区电网内发电方式对电网稳定性的影响，如图所示。

基于风电接入电网将严重影响系统的稳态运行和动态特性的问题，结合风电特性，以某风电场接入地区电网为例，计算和分析了某一地区电网中不同风电出力（0％、50％、100％）时各变电站的潮流和电压的变化情况，分析了风场均为恒速恒频发电系统和等容量的电厂情况时对系统功角稳定性影响。

参考文献：

[1]陈金富，陈海焱，段献忠 . 含大型风电场的电力系统多时段动态优化潮流 [J]. 中国电机工程学报，2019，26（3）：31-35.

[2]吕志鹏，盛万兴，钟庆昌，刘海涛.含风电场的电力系统潮流计算的联合迭代方法及应用 [J]. 中国电机工程学报，2020，16：2591~2603.