风机并网对电网影响的分析

通馋电潦技】Ｉ：　２０１８年３月２５日第３５卷第３期　Ｔｅｌｅｃｏｍ　Ｐｏｗｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｍａｒ．２５，２０１８，Ｖｏ１．３５　Ｎｏ．３　ｄｏｉ：１０．１９３９９／ｊ．ｅｎｋｉ．ｔｐｔ．２０１８．０３．０４９　风机并网对电网影响的分析　顾文豪　（国华（临朐）风力发电有限公司，山东潍坊２６２６０８）　摘要：目前，随着我国风力发电的规模不断扩大，在政府与相关电力企业的不断努力下，风力发电的发展取得显著成　效。由于风电场发电主要是依赖于自然能源，且具有不确定性以及不可控制性，规模较大的风电并网会对电网的电能质　量以及电力系统的安全性具有重要的影响，特别是对电网电压稳定性的重要影响。文中主要通过对风力发电机并网仿真　模型的创建，分析了风电并网对电网的影响，提出了相应的改善措施。　关键词：风电并网；仿真模型；电网电压；影响　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　Ｗｉｎｄ　Ｔｕｒｂｉｎｅ　Ｉｎｔｅｒｃ０ｎｎｅｃｔｉｏｎ　ｏｎ　Ｇｒｉｄ　ＧＵＷｅｎ－ｈａｏ　（Ｏｕｏｈｕａ（Ｌｉｎｊｕ）Ｗｉｎｄ　Ｐｏｗｅｒ　Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｗｅｉｆａｎｇ　２６２６０８，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｔ　ｐｒｅｓｅｎｔ，ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｅｘｐａｎｓｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｃａｌｅ　ｏｆ　ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｃｈｉｎａ，ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｈａｓ　ａｃｈｉｅｖｅｄ　ｒｅｍａｒｋａｂｌｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｅｆｆｏｒｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｇｏｖｅｒｎｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｅｄ　ｅ—　ｌｅｃｔｒｉｃ　ｐｏｗｅｒ　ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅｓ．Ｂｅｃａｕｓｅ　ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｍａｉｎｌｙ　ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ　ｏｎ　ｎａｔｕｒａｌ　ｅｎｅｒｇｙ，ａｎｄ　ｉｔ　ｈａｓ　ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ　ａｎｄ　ｉｎｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｉｌｉｔｙ，ｔｈｅ　ｌａｒｇｅ　ｓｃａｌｅ　ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｇｒｉｄ　ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｇｒｉｄ　ｗｉｌｌ　ｈａｖｅ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｇｒｉｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｅｃｕｒｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ　ｔｈｅ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｗｅｒ　ｇｒｉｐｄ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ　ｏｎ　ｐｏｗｅｒ　ｇｒｉｄ　ｗａｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｂｙ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａ—　ｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｇｒｉｄ　ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ。ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｗｅｒｅ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｗｉｄ　ｐｏｗｅｒ　ｉｎｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ；ｇｒｉｄ　ｖｏｌｔａｇｅ；ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　０引　言　风力发电系统的运行方式主要分为独立运行型以　及并网型。独立运行类系统的容量较小，和其他相关　的发电方式配合，通常应用在比较偏远的山区。并网　型的风力发电系统，主要应用在规模比较大的风电场，　通常由上百台的风机所组成，可以实现对电能的高效　转化。风力发电最重要的影响因素是风速，但是风速　具有较大的随机性，即使同一地点在不同时间段所产　生的风速也不同，这样就会对风电并网的稳定性产生　严重影响。　１——ｅ　一－￣１　Ｓ一（ｃＪｌ一　ｋＥｑｏ　一　０ａｏ　ｌ　ｄ］ｌ　一～　一　ｄ，出　０　０　０　　。　Ｊ。。　１　，Ｊ　Ｏ　Ｚ十Ｚ　１　艘　门●Ａ　　＿］　ｌ　一　ｄ　ｑ　ＪＴ２　Ｘ　￣Ｘ，一一　０　＋　Ｂ　１　建立风力发电机并网仿真模型　１．１数学模型线性化　风力发电机在受到较小干扰的状况下，系统的状　态变量变化较风电小，可以将描述系统的状态方程进　行线性化［川。　ｐｚＳＥ　一一　Ｅ　一一　Ｐｓ＝　１一＋　』ｄ０　。　丁Ｊ　几●．　●＿１　△Ｅ　＋　△Ｅ　＋　△Ｊ　一ｃＵ　Ｅ　一　王ＡＩ　一　ｓ　Ｅ　一　。ｓ　１．２仿真模型　本次仿真模型主要对容量为１５０　ｋｗ，电压为　４００　Ｖ，频率为５０　Ｈｚ的风力发电机组进行仿真，实际　运行参数以电网潮流的计算结果为主。状态方程式中　的相关系数为：　厂一０．５　—０．０１１　—０．６４　０］　△　一鲁　一鲁△，ａ一每　一百／ｄｏ　￣＇ａ　将线性化模型写作状态方程如下：　Ａ＝＝｝—０．００．１２１５一。－０．４．５３３。。　７。．；７５　ｌ　ｌ　０　ｒ　０　—０　Ｏ　—０　１．３４８　０　｛　０－１　ｌ一１．３４８　ｆ一０．３　ｌ　０　０　ｌ　Ｏ．２４　Ｏ　０　Ｉ　１．１９　１　收稿日期：２０１７—１０－２６　作者简介：顾文豪（１９９４一），男，山东莱芜人，本科，从事电力系　统自动化方面的工作。　·１２５·　通馋电．凉　２０１８年３月２５日第３５卷第３期　】Ｉ：　Ｍａｒ．２５，２０１８，Ｖｏ１．３５　Ｎｏ．３　Ｔｅｌｅｃｏｍ　Ｐｏｗｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　１．３仿真结果分析　本文对并网型风机进行建模，电力系统所需要的　点：　仿真参数来源于布尔津实际电网，状态变量所使用的　函数属于阶跃函数，仿真异步电机主要是发电机运行　过程中，电机的暂态电势主要是对定子电流进行反映，　系统在较短时间就会进入到稳定状态，仿真结果与相　关的理论分析所产生的波形相吻合＿２］。　２风电并网后对电网的影响　（１）风速的变化，以及湍流、风力机尾流效应所产　生的紊流，会致使风电功率产生波动，并导致风电机组　反反复复的出现启停现象；　（２）当软起动并网时，软起动的相关装置就会引发　不同谐波；　（３）风力发电需要经过ＡＣ／ＤＣ／ＡＣ进行并网时，　由于其脉宽，在对变换器进行调制的时候，就会产生的　谐波＿５］。谐波出现的次数和大小与使用的变换装置以　２．１并网过程对电网的冲击　将异步电机当做发电机运行时，由于缺乏独立的　励磁装置，在并网之前，发电机本身是没有电压的，因　此，并网就需要一定的过程。如果直接并网，会产生６　～７倍的额定电流，通常需要几百毫秒之后，才能进人　稳定状态＿３］。异步电机在并网时，所产生冲击流的大　小，与并网时所产生网络电压的大小，以及发电机的暂　态电抗、并网时产生的滑差具有直接关系。其产生的　滑差越大，交流暂态所产生的衰减时间就会越长，这样　并网时，冲击电流的有效值也就会越大。　２．２对电网频率的影响　风电场对电网系统频率产生的影响，主要与风电　场容量在系统总容量中所占的比例具有直接关系。当　风电容量在总系统中占的比例较大时，所输出的功率　就会对电网频率产生较大的随机波动性，并对电能的　质量产生较大的影响。因此，就需要电网中的常规机　组能够对频率具有较高的响应能力，并对其实施相应　的跟踪调节，从而实现对频率波动的有效抑制¨４］。由　于风力发电具有不稳定性，当出现停风或者是大失速　导致失去出力的状况时，电网的频率就会逐渐降低，尤　其是风电所占的比重较大时，就会使电网系统的频率　失去稳定性。因此，需要提高系统的备用容量，并对其　调度运行的相关方式进行优化。　２．３对电网稳定性的影响　风力发电接人系统后，通常发生的稳定问题，就是　电压稳定问题。主要表现为以下几点：　（１）常用的无功补偿方式主要是电容器补偿，其所　产生的补偿量，与电网接入点所产生电压的平方成正　比。如果系统电压的水平呈降低趋势，无功补偿量就　会剧烈下降，而这时风电场对无功的需求，反而呈现上　升趋势，这就会使电压水平严重恶化，甚至会导致电压　崩溃，从而使风力发电机被迫停机；　（２）如果故障以及操作没有出现功角失稳的状况，　风机组就会受自身低压的保护，自动停机，风电场中的　有功输出也会逐渐减少，从而使电压水平处于偏高状　态，并导致风电场的母线电压出现越高的现象；　（３）当风电场的出力极其高的时候，就会使电网中　电压的安全裕度逐渐降低，并使电压产生崩溃。　总之，风电并网对电网的稳定性具有极大的影响，　不仅是风速的随机性和无法预测性，而且在弱电网中，　如果风电注入的功率太高，也会对电压的稳定性产生　影响。　２．４对电能质量的影响　风电对电能质量产生的影响，主要表现为以下几　及滤波系统具有直接关系。　３改善风电并网对电网影响的措施　３．１无功补偿技术　对风电系统在运行过程中的性能进行改善的无功　补偿技术主要有在风电场的出口安装的无功调节装置　（ＳＶＣ）和能够对有功与无功进行综合调节的超导装置　等［６］。静止的无功补偿器（ＳＶＣ），能够对无功补偿具　体功率的大小进行快速地调节，并提供动态状况下电　压支撑，以此对系统运行的性能进行改善。在风电场　的出口安装ＳＶＣ，需要按照风电场所接入点产生的电　压偏差，对无功功率的补偿进行控制，以此对风电场相　关节点的电压进行稳定，并使风电功率对电压产生的　影响降到最低。ＳＭＥＳ能够在四象限中对有功或者无　功进行灵活的调节，并为系统提供相应的功率补偿，以　及对电气量产生的波动进行跟踪。如果在风电场的出　口安装ＳＭＥＳ装置，由于其具有综合调节功率的能　力，就能够使风电场输出功率时产生的波动得以降低，　并使其电压趋于稳定。　３．２风电场通过轻型直流输电（ＨＶＤＣ　Ｌｉｇｈｔ）与电网　相连　轻型直流输电（ＨＶＤＣ　Ｌｉｇｈｔ），由于具有直流输　电的优势，不仅可以使分散电源在接入输电走廊中出　现的问题得以解决，而且可以对无功、电压等进行灵活　的调节，并将短路容量对风电场容量所产生的限制进　行突破，从而使交流系统中电能的质量以及稳定性得　以改善，在风力发电等相对比较分散的电源与电网相　连中被广泛应用。　４结束语　综上所述，随着我国科学技术的迅速发展，以及风　电场规模的不断扩大，风力发电所需的成本将会继续　下降。再加上我国电力部门已经决定将风力发电的商　业化进程不断加快，更多的应用清洁风能，以此确保能　源的可持续发展。但是，随着风电场规模的逐渐增大，　风力发电会对电力系统稳定性产生影响。因此，需要　对相关的研究方法以及分析工具进行研究，从而有效　促进风力发电的发展。　参考文献：　［１］邹松佐．风电并网对电网电压的影响及对策［Ｊ］．山东工　业技术，２（１１７，（２１）：２１５—２１６．　（下转第１２９页）　通携电潦　】Ｉ：　２Ｏ１８年３月２５日第３５卷第３期　路超：一种无光耦隔离　反激变换器设计　Ｔｅｌｅｃｏｍ　Ｐｏｗｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｍａｒ．２５．２０１８，Ｖｏ１．３５　Ｎｏ．３　压管的最大击穿电压可以通过下式计算：喜　三　妻譬　萼　．些电路。齐纳稳　３结论　　－日　Ｕ　ＮＨ卜ＭＡｘ≤６５　Ｖ—Ｕ１Ｎ—ＭＡｘ　（１５）　本文分析了芯片Ｉ．Ｔ８３０１的基本功能以及基于　本设计中最大输入电压为３２　Ｖ，则ＵＺＥＮ口　ＭＡｘ≤　３３　Ｖ，选择一个２（）Ｖ的齐纳稳压管即可。　另二极管的反向击穿电压可以用下式选择：　一　ｌ　ＭＡｘ＋乙ｒＺＥＮ叭一ＭＡｘ　一ｕ　Ｕ　（１６ＬＴ８３０１的无光耦隔离输出ＤＣ—ＤＣ变换器的设计过　程，并根据设计过程计算的参数进行了实验验证。实　验数据表明该计算值与实测值基本吻合，该无光耦隔　离输出变换器电源设计具有较高的可行性。　参考文献：　［１］陈坚．电力电子学［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２ＯＯ２．　则选择一个１１）０　Ｖ，【１．２５　Ａ的二极管即可。　２实验验证　基于以上设计与计算．变压器选择自制，选用材质　为ＰＣ９５的ＥＲ９．５／５磁芯，初次级匝比为４：１，初级　电感量为３Ｏ　Ｈ。冈自制变压器漏感较大，故变换效　率比之设定值（）．８５较低，故实际测试的开关频率比计　算值偏小，而占空比则比计算值较大。由以上参数进　行了实验验证。实验结果如下所示。　图３与图４为２４　Ｖ输入负载电流为０．８　Ａ时初级　ＳＷ脚的内部集成Ｍ（）Ｓ管ＤＳ波形，分别测量了单个　开关周期的时间与Ｍ（）Ｓ管导通时间。开关周期约为　３．２８　ｓ，则开关频率约３０５　ｋＨｚ；开关管导通时间为　１．３２　ｓ，则占空比约为４【）　。　。　ｆ　：　　’［２］　张占松。开关电源的原理与设计［Ｍ］．北京：电子工业出　版社，Ｉ９９９．　［３］　张兴柱．开关电源变换器拓扑与设ｉｉ　Ｍ］．北京：中国电　力出版社，２０１０．　［４］Ｌｉｎｅａｒ反激式稳压器ＬＴ８３０１简化Ｄ（：／Ｉ）Ｃ转换器设计　［ＥＢ／ＯＩ　］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．１ｉｎｅａｒ．ｃｏｍ／Ｉ　Ｔ８３Ｏ１．　［５］Ｉ．Ｔ８３｛）１．４２　Ｖｉｎ　Ｍｉｃｒｏ　ｐｏｗｅｒ　Ｎｏ－Ｏｐｔｏ　Ｉｓｏｌａｔｅｄ　Ｆｌｙ－ｂａｃｋ　Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ｗｉｔｈ　６５　Ｖ门．２　Ａ　Ｓｗｉｔｃｈ［ＥＢ／ＯＩ　］．２０１　４，ｈｔ—　ｔｐ：ｆ　ｆ、Ｎ、＾『Ｗ．１ｉｎｅａｒ．ｃｏｍ．　（上接第１２６页）　［２］李亚楠，杨鹏，王华君，等．大规模风电并网对电网的影　响及解决措施［Ｊ］．中南民族大学学报（自然科学版）．　２０１７，３６（３）：８４—８９．　ｊ：　：　．　：ｆ　∞　甜　ｌ　０　ｍ‰４７，４Ｖ　３７．０Ｖ　【　…Ｌ—～　－ｌ：－　－　．　Ｌ－＿　　．一　Ｉ　４童２∞　ｈ—，　６１　４　Ｌ　１．．．　‘Ｉ　‘。　●●＿＇　·：··Ｉ···　·＇··ｌ　●‘　［３］邹超文．浅析大规模风电集中并网对电力系统安全稳定　的影响［Ｊ］．通讯世界，２０１７，（３）：１８５—１８６．　［４］王永辉，陈新，刘冰，等．风电并网后的电网稳定性影　Ｉ１　：：　Ｉ　●　Ｉ　　０响因素分析及应对策略ｒ－Ｊ］．自动化应用，２Ｏｌ７，（８）：ｔ５３—　，　、’　　８　．●３１埘蝴，　崆”７＿　　，１０，０Ｖ　～　ｋｌ舯　　Ｉｒｄｑ　、鼬１５５．　图３　内部集成Ｍ０ｓ管ＤＳ波形１　［５］石开明，李源，胡伟，等．大规模风电并网地区无功协　调控制策略研究［Ｊ］．价值工程，２０１７，３６（３５）：１１８－１１９．　。　日　Ｌ　　．Ｌ—一　ｆ：　ｌ　［６］瞿寒冰，朱英刚，尹茂林，等．计及风电并网的机组组合方　ｖ　～　．３２０小　法研究Ｉ－ｊ］．电力系统保护与控制，２０１７，４５（１６）：ＬＪ５—９８．　］　●　．Ｉ…　●●●●　一　●‘●　１．。。　····Ｉ－·ｔ　●。　１　．、　’１：　＿　ｆ　Ｉ　＿＿　ｌ　＿：　Ｌ　●，　一　●　１　～　１２．ｏｅ　■■　，Ｓ　、　ｆ　ｌ　∞　ｄ１蚴Ｉ　　图４　内部集成Ｍ０Ｓ管Ｉ）ｓ波形２　图５为２４　Ｖ典型输入电压且负载电流为满载　（）．８　Ａｔｔ￣ｆｔ￣Ｊ输出电压纹波，可以看｝｝｛其纹波非常的小。　　’　‘　。　。！　’　　。　。·一…Ｊ…　··～▲　—　－……‘一一　ｕ—　ｒ　…一１’１一一Ｆｒ一…一’＿　一１～’Ｉ一●，…～　一唧　．　．　．２洲　Ｉ●∞　一　Ｉ●瞳雌一撼　２土加ｖ　ｆ－Ｓ．６￣ｎＶ　４７　９７Ｈ也　Ｉ１　２８：Ｓ１　图５　２４　Ｖ输入满载时输出电压纹波　·　１２９·