風(fēng)電并網(wǎng)對電壓穩(wěn)定的影響分析探討

隨著能源問題和環(huán)境問題的日益凸現(xiàn)，世界各國都重新調(diào)整各自的能源策略，大力開發(fā)新能源。風(fēng)能是一種取之不盡、用之不竭的可再生能源，風(fēng)力發(fā)電因為技術(shù)比較成熟，可形成規(guī)模開發(fā)，近年來得到迅速發(fā)展。 目前，我國風(fēng)電發(fā)展進入一個快速發(fā)展時期，2006年是我國實施《可再生能源法》的第一年，風(fēng)電建設(shè)步伐明顯加快，到2006年底，裝機總?cè)萘窟_到約230萬kW。由于風(fēng)力發(fā)電機組常采用不同于傳統(tǒng)同步發(fā)電機組的發(fā)電技術(shù)，其穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)特性都與傳統(tǒng)同步發(fā)電機組不同;大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)后，電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性、暫態(tài)穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性都會發(fā)生變化。 　　不同類型的風(fēng)電機組，由于其結(jié)構(gòu)不同，對電網(wǎng)的影響也不一樣。恒速恒頻風(fēng)電機組主要采用風(fēng)力機驅(qū)動異步感應(yīng)電機發(fā)電，然后直接接入電網(wǎng);由于異步感應(yīng)電機在發(fā)出有功功率的同時，需要從電網(wǎng)吸收無功功率，因此，其電壓穩(wěn)定性較低。變速恒頻風(fēng)電機組由于可實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲、減少風(fēng)輪機組機械應(yīng)力等優(yōu)點，成為主要的發(fā)展方向;其中基于雙饋感應(yīng)電機的風(fēng)電機組由于降低了電力電子裝置的容量，近年來，得到了廣泛的發(fā)展;但由于變速恒頻風(fēng)電機組采用了電力電子裝置，使得電磁功率與機械功率解耦，無法向電網(wǎng)提供慣性響應(yīng)，對電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。 　　隨著我國對風(fēng)電建設(shè)力度的加大，風(fēng)電裝機規(guī)模不斷增加，大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對電力系統(tǒng)產(chǎn)生的影響將逐漸突出，由此帶來的相關(guān)系統(tǒng)問題將成為我國風(fēng)電發(fā)展的主要制約因素之一。大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)有兩種情況：一是大型風(fēng)電場接入輸電網(wǎng)，二是多個小型風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)某一地方的配電網(wǎng)。小規(guī)模風(fēng)電場并網(wǎng)對電力系統(tǒng)的影響主要是以下幾個方面：穩(wěn)態(tài)電壓值的上升、過電流、保護裝置的動作誤差、電壓閃變、諧波、浪涌電流造成的電壓降落。大規(guī)模風(fēng)電場并網(wǎng)對電力系統(tǒng)的影響除了以上那些方面外，還會有電力系統(tǒng)的震蕩和電壓穩(wěn)定性問題。因此只有對大規(guī)模風(fēng)電場并網(wǎng)才有必要考慮電壓穩(wěn)定性問題。 　　風(fēng)電機組類型和無功特性 　　目前大型風(fēng)力發(fā)電機組一般有兩種類型，一種是采用異步發(fā)電機的固定轉(zhuǎn)速風(fēng)電機組，另一種是采用雙饋電機或通過變頻器并網(wǎng)的變速風(fēng)電機組。固定轉(zhuǎn)速風(fēng)電機組發(fā)出有功的同時吸收無功功率，不具備調(diào)壓能力，其電壓通過無功補償和調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓水平來調(diào)整;通過變頻器并網(wǎng)的變速風(fēng)電機組不具備發(fā)無功能力，但通過調(diào)節(jié)變頻器，可以使并網(wǎng)時功率因數(shù)達到很高水平;變速恒頻風(fēng)電機組具備調(diào)壓能力，在發(fā)出有功功率的同時可以發(fā)出無功功率，并可根據(jù)系統(tǒng)需要在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)無功輸出，但從目前國內(nèi)安裝的變速恒頻風(fēng)電機組情況來看，大部分沒有應(yīng)用調(diào)壓功能，運行中保持機端功率因數(shù)為1.0。 　　大規(guī)模風(fēng)電場并網(wǎng)的主要問題 　　風(fēng)電場并網(wǎng)運行對電網(wǎng)的影響由于風(fēng)電具有隨機性和間歇性特點，并網(wǎng)風(fēng)電將對電網(wǎng)產(chǎn)生一定影響。風(fēng)電發(fā)展初期裝機規(guī)模較小，與配電網(wǎng)直接相連，對電網(wǎng)的影響主要表現(xiàn)為電能質(zhì)量，隨著大規(guī)模風(fēng)電接入輸電網(wǎng)，系統(tǒng)調(diào)峰壓力加大，系統(tǒng)穩(wěn)定和運行問題突顯。電能質(zhì)量風(fēng)電機組對電能質(zhì)量的影響主要表現(xiàn)在高次諧波、電壓閃變和電壓波動上，在采用雙饋變速恒頻風(fēng)電機組的情況下較為嚴重。并網(wǎng)風(fēng)電機組在連續(xù)運行和機組切換操作過程中都會產(chǎn)生電壓波動和閃變。 　　1、電壓波動和閃變 　　風(fēng)力發(fā)電機組大多采用軟并網(wǎng)方式，但是在啟動時仍會產(chǎn)生較大的沖擊電流。當風(fēng)速超過切出風(fēng)速時，風(fēng)機會從額定出力狀態(tài)自動退出運行。如果整個風(fēng)電場所有風(fēng)機幾乎同時動作，這種沖擊對配電網(wǎng)的影響十分明顯。不但如此，風(fēng)速的變化和風(fēng)機的塔影效應(yīng)都會導(dǎo)致風(fēng)機出力的波動，而其波動正好處在能夠產(chǎn)生電壓閃變的頻率范圍之內(nèi)(低于25Hz)，因此，風(fēng)機在正常運行時也會給電網(wǎng)帶來閃變問題，影響電能質(zhì)量。 　　風(fēng)資源的不確定性和風(fēng)電機組本身的運行特性使風(fēng)電機組的輸出功率是波動的，會影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量，如電壓偏差、電壓波動和閃變、諧波以及周期性電壓脈動等。風(fēng)力發(fā)電引起電壓波動和閃變的根本原因是并網(wǎng)風(fēng)電機組輸出功率的波動。電網(wǎng)電壓的變化受風(fēng)電系統(tǒng)有功和無功功率的影響。風(fēng)電機組輸出的有功功率主要依賴于風(fēng)速;在無功功率方面，恒速風(fēng)電機組吸收的無功功率隨有功功率波動而波動，雙饋電機一般采用恒功率因數(shù)控制方式，因而無功功率波動較小。并網(wǎng)風(fēng)電機組不僅在持續(xù)運行過程中產(chǎn)生電壓波動和閃變，而且在啟動、停止和發(fā)電機切換過程中也會產(chǎn)生電壓波動和閃變。典型的切換操作包括風(fēng)電機組啟動、停止和發(fā)電機切換，其中發(fā)電機切換僅適用于多臺發(fā)電機或多繞組發(fā)電機的風(fēng)電機組。這些切換操作引起功率波動，并進一步引起風(fēng)電機組端點及其他相鄰節(jié)點的電壓波動和閃變。 　　2、諧波 　　風(fēng)電給系統(tǒng)帶來諧波的途徑主要有兩種：一種是風(fēng)力發(fā)電機本身配備的電力電子裝置，可能帶來諧波問題。對于直接和電網(wǎng)相連的恒速風(fēng)力發(fā)電機，軟啟動階段要通過電力電子裝置與電網(wǎng)相連，會產(chǎn)生一定的諧波，不過過程很短，發(fā)生的次數(shù)也不多，通?？梢院雎?。但是對于變速風(fēng)力發(fā)電機則不然，變速風(fēng)力發(fā)電機通過整流和逆變裝置接入系統(tǒng)，如果電力電子裝置的切換頻率恰好在產(chǎn)生諧波的范圍內(nèi)，則會產(chǎn)生很嚴重的諧波問題，隨著電力電子器件的不斷改進，這一問題也在逐步得到解決。另一種是風(fēng)力發(fā)電機的并聯(lián)補償電容器可能和線路電抗發(fā)生諧振，在實際運行中，曾經(jīng)觀測到在風(fēng)電場出口變壓器的低壓側(cè)產(chǎn)生大量諧波的現(xiàn)象。 　　風(fēng)電裝置中電力電子器件是風(fēng)電裝置中最重要的諧波源;在風(fēng)電系統(tǒng)中，由于異步機、變壓電容器等設(shè)備均為三相，且采用三角型或Y型連接方式，故不存在偶次或3的倍數(shù)次諧波，即風(fēng)系統(tǒng)中存在的諧波次數(shù)為5、7、11、13、17等。風(fēng)機本身配備的電力電子裝置，可能帶來諧波問題。對于直接和電網(wǎng)相連的恒速風(fēng)機，軟啟動階段要通過電力電子裝置與電網(wǎng)相連，因此會產(chǎn)生一定的諧波，不過因為過程很短，發(fā)生的次數(shù)也不多，通?？梢院雎浴５菍τ谧兯亠L(fēng)機則不然，因為變速風(fēng)機通過整流和逆變裝置接人系統(tǒng)，如果電力電子裝置的切換頻率恰好在產(chǎn)生諧波的范內(nèi)，則會產(chǎn)生很嚴重的諧波問題。 　　電壓波動與閃變的抑制 　　目前，大部分用于改善和提高電能質(zhì)量的補償裝置都具有抑制電壓波動與閃變的功能，如靜止無功補償器(SVC)、有源濾波器(APF)、動態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR)，以及配電系統(tǒng)電能質(zhì)量統(tǒng)一控制器(DS2Unicon)等. 　　靜止無功補償器(SVC) 　　電壓閃變是電壓波動的一種特殊反映，閃變的嚴重程度與負荷變化引起的電壓變動相關(guān)，在高電壓或中壓配電網(wǎng)中，電壓波動主要與無功負荷的變化量及電網(wǎng)的短路容量有關(guān)。在電網(wǎng)短路容量一定的情況下，電壓閃變主要是由于無功負荷的劇烈變動所致。因此，對于電壓閃變的抑制，最常用的方法是安裝靜止無功補償裝置，目前這方面的技術(shù)已相當成熟。但是，由于某些類型的SVC本身還產(chǎn)生低次諧波電流，須與無源濾波器并聯(lián)使用，實際運行時可能由于系統(tǒng)諧波諧振使某些諧波嚴重放大。因此，在進行補償時，要求采用具有響應(yīng)時間短、且能夠直接補償負荷的無功沖擊電流和諧波電流的補償器。 　　有源電力濾波器(APF) 　　要抑制電壓閃變，必須在負荷電流急劇波動的情況下，跟隨負荷變化實時補償無功電流。近年來，采用電力晶體管(GTR)和可關(guān)斷晶閘管(GTO)及脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)等構(gòu)成的有源濾波器，可對負荷電流作實時補償。有源電力濾波器的工作原理與傳統(tǒng)的SVC完全不同，它采用可關(guān)斷的電力電子器件，基于坐標變換原理的瞬時無功理論進行控制，其作用原理是利用電力電子控制器代替系統(tǒng)電源向負荷提供所需的畸變電流，從而保證系統(tǒng)只須向負荷提供正弦的基波電流。有源電力濾波器與普通SVC相比，有以下優(yōu)點：響應(yīng)時間快，對電壓波動、閃變補償率高，可減少補償容量;沒有諧波放大作用和諧振問題，運行穩(wěn)定;控制強，能實現(xiàn)控制電壓波動、閃變和穩(wěn)定電壓的作用，同時也能有效地濾除高次諧波，補償功率因數(shù)。