风电机组接入配电系统的可靠性分析

【摘 要】在科技的不断进步与发展下，整个社会进入空前繁荣的阶段，然而随之产生的能源危机，环境危机也在困扰着人们，新型无污染的可再生能源的开发利用迫在眉睫。近年来，太阳能、风能等自然可再生资源的开发利用得到了一定的发展，并取得了相应的成就。风能的利用形式主要是利用风电机组将风的动能转化为电能，进而接入电力系统进行配送。现本文就通过介绍风电机组的工作方式，探讨其接入配电系统时的静态与动态安全，分析其接入系统的可靠性。

【关键词】风电机组；电力系统；配电系统；静态安全；动态安全

风电机组系统的利用与发展为人们提供了一个新的绿色能源发展方向，对于缓解能源危机，调整电网机构，解决偏远地区的供电问题等都具有重大意义。随着风电机组的技术日益完善，风力发电机的单机容量逐渐增大，风力发电的运行成本不断降低，已经具备与传统火电厂发电进行商业竞争的基础。但由于风电具有一定的波动性，其输出电压与功率都不太稳定，如果接入配电系统的风电场配置不合理，就会给电力系统的安全经济运行带来影响，因此，分析风电机组接入配电系统的可靠性是很有必要的。

1、风电机组的工作方式

目前我国的风力发电形式主要有三种，即独立运行方式，风力发电形式与其他发电方式相结合和风力发电并入常规电网运行。前两种发电形式的发电量较小，主要适用于小型范围内的供电需求，而第三种大规模风电场发电接入电网系统才是风能资源利用的发展趋势，具有良好的经济效益与社会效益。

在实际的操作中，由于风速是在不停变化的，或大或小的风力造成风电场发电频率的不稳定性，会在接入电网时给电力系统带来不良影响，因此，在使用风力机组发电时，一定要采取措施保持输出电频率的恒定。现有的技术条件下，主要是通过保证发电机的恒定转速和让发电机转速随风力大小变化而采取其他措施保持频率固定这两种方式来保证风电输出频率的恒定。由于固定发电机的转速会很大的影响到风能转换为电能的工作效率，因此，大多数风电场在工作中一般都采用让发电机转速随风力大小变化，采取其他方式来恒定风电的输出频率。

2、风电机组接入系统的静态安全性分析

风电机组的最大特点是其功率变化的随机性，因此对于风电机组接入配电系统的静态安全性分析应重点关注其功率波动对电网及风电场各级母线电压的影响，以确保电网安全和风电机组正常运行。

在目前的风电场技术控制中，对于确定风电机组在不同条件下各级母线的电压所采取的计算方式一般为常规潮流算法，这种计算方法是在依据风电机组的功率不断变化的情况下进行的。在运作中，系统基准潮流主要考虑两方面，一是大负荷大开机的大方式，一种是小负荷小开机的小方式，本文主要讨论大方式条件下风电机组从系统吸收无功功率是否会引起低电压的问题，因此只对系统大方式运行下的计算方式与结果进行分析探讨。

在计算中，我们以同一地区的两组风电机组为研究对象，即风电机组1和风电机组2。经过仔细运算之后，我们发现风电机组的输出电压随功率的不断降低而降低，2个风电机组的出力按同比例增加。

对于风电机组1，风电机组的35kV和220kV母线及与风电机组联系的系统变电站220kV母线的电压均可满足运行要求。但当风电场进相功率因数较低而出力较大时，风电机组机端电压将低于技术要求的电压指数，不能保证风电机组正常运行。

风电机组2的运行则不受静态电压条件约束。事实上，风电机组2较风电机组1具有更好的运行条件。因为系统在大方式下的运行工况决定了系统220kV变电站的总体电压水平，风电机组1接人系统的220kV母线电压已难以调整，而风电机组2接入系统的110kV母线电压则可通过调整系统变电站主变压器的分接头位置，使其具有较高的电压水平，从而使风电机组机端电压水平升高。

3、风电机组接入系统的动态稳定性分析

在对风电机组接入配电系统的静态安全性进行分析以后，我们还需要通过合理的技术方法对风电机组接入配电系统时的动态稳定性进行分析，以完全确定其可靠性，保证电力系统的正常供电。在研究中我们发现提高风电机组的动态特性可以加强其接入配电系统的可靠性，而想要提高风电机组的动态特性，一般可以通过以下几种措施进行实施。

3.1提高负荷侧功率因数

通过提高风电场周围几个变电站所带负荷的功率因数.可以提高风电场的动态特性，从而改善风电场的运行条件。提高负荷侧功率因数，风电场将有更宽松的运行范围。

3.2采用动态无功补偿

动态无功补偿装置在电网动态过程中提供动态无功功率，可改善系统的动态特性。风电场升压变电站低压侧加入动态无功补偿装置后对风电场运行条件具有很好的改善效果，计算中动态无功补偿装置采用可控硅控制电抗器型SVC（静止无功补偿器）

3.3故障后切除风电机组

采取故障后切除一定比例风电机组的系统保护措施或风电机组通过自身的保护而脱网运行，可快速隔离风电机组暂态过程中从电网吸收的无功功率，从而快速恢复系统电压，保证电网和风电机组的安全稳定运行。计算表明，如果系统故障后联切50%容量的风电机组，可以满足风电机组在任意工况下满出力运行，这种措施在工程实现中较为困难并且控制条件复杂。

4、风速变化对风电场电压特性的影响

风电机组出力的随机变化是由于风速的变化引起的，因此有必要对风速变化对系统的影响进行校核。风速的持续变化在一定时间和空间范围内是随机的，但从总的和长期统计结果来看，风速的变化仍然具有一定的分布规律。研究显示，风电机组系统运作中，风速的波动将引起电压的波动，但不会破坏系统的动态稳定。当风电场增加到一定规模时，由于风电场输出功率的随机波动，会对局部电网的节点电压产生较大的影响。

5、结语

由于风电机组的工作运行是依靠不定性的风力来实现的，因此风电的输出频率也不稳定，控制风电的输出频率恒定是保证风电安全经济高效的接入配电系统的关键。通过对风电机组接入配电系统时的静态安全性分析与动态稳定性分析，可以看出风电场接入系统后的动态稳定问题更为重要，通过控制负荷侧功率因数、采用动态无功补偿装置及进行故障后切除风电机组等措施提高电网动态稳定水平是改善风电场运行条件，增大风电接入系统可靠性的有效方法。