大规模风电集中接入对电力系统稳定性的影响分析

【摘 要】大规模风电集中接入对电力系统的安全稳定运行带来了挑战，其影响也越来越广泛且复杂。本文从风电并网的特点出发，总结近年来风电并网对电力系统影响的研究成果，分析了风电接入对电力系统的影响，包括小干扰稳定、暂态稳定和电压稳定，使得对风电场接入电网后稳定性问题有更全面、更深入的认识，有利于我国风力发电快速、健康发展。

【关键词】风电场；攻角稳定；电压稳定；电力系统

【Abstract】With the penetration level increasing， the impact of wind power on power system stability become increasingly complicated and widespread.we summarized the researches in recent years about the impact of wind power on power system， analyzed the influences which include small signal stability， transient stability， voltage stability， according to the characteristic of gird-connected large scale wind farm. It will have a deeper and more comprehensive understanding of the stability issue with wind farms connected to the power grid ， which benefits the rapid and sound development of wind power.

【Key words】Wind farm； Power angle stability； Voltage stability； Power system

0 引言

在能源危机和气候压力不断加大的情况下，风力发电作为目前技术最为成熟、最具规模化开发条件和商业化发展前景的清洁能源，在当今的能源供应中扮演了愈加重要的角色。为此，发展以风电为代表的可再生能源，已成为各国的长期策略。我国在风力发电领域发展速度较快，装机容量已世界第一，而且还会以较快的速度继续发展[1]。

根据我国气象局统计结果，并考虑到实际可利用的土地面积等因素，初步估计：近期实际可利用的陆上风能储量约为8亿千瓦，近海实际可利用的风能储量约为2亿千瓦，共计10亿千瓦。根据《2014我国风电产业发展情况分析》可知，结合风能资源和市场消纳条件，力争“十三五”（2016-2020）每年新增风电装机2000万kW，确保实现到2020年风电装机2亿kW、年发电量3900亿kW·h的目标。《中国风电发展线路图2050》指出了未来风电发展布局，2020年前，以陆上风电为主，开展海上风电示范；2021-2030年，陆上、近海风电并重发展，并开展远海风电示范；2031-2050年，实现东中西部陆上风电和海上风电的全面发展。

风电作为新能源电源在电网中扮演的角色越来越重要，所在比例逐年增加，而我国风电资源与电力负荷存在较大的差异，风力资源丰富的边远地区负荷往往较小，需经输电系统长距离输送到负荷中心，大规模的风电集中接入已成必然趋势[2-3]。而大区域电网的互联互通是实现电能在更大范围内经济高效应用的有效手段，作为全球第一风电大国，风电在接入电力系统规模、电压等级和所占比例不断提高，其对电网的影响范围也从局部逐渐向整个互联电网扩大[4]。

因此，本文从大规模风力发电集中接入对互联系电力系统安全稳定运行的影响方面展开剖析，从攻角稳定性和电压稳定性进行详细论述。

1 功角稳定性分析

由于风能存在间歇性、随机性、不可人为调度的特点，风电场的输出功率同样存在波动性问题，随着大规模并网运行风电场的不断增多，风电在电网中的比例逐渐提高，对电网的安全运行造成严重影响；同时，风电场接入电网，改变了原有电力系统的潮流分布并对电力系统传统分析方法提出挑战。

大规模、高集中、高电压、远距离输送是我国风电发展的必然趋势，也是我国风电发展有别于欧洲国家的特点。大规模强随机波动性风机机组集中接入输电系统，必然会造成电力系统功角稳定的复杂性。

1.1 小干扰稳定

随着风电并网容量在电力系统中所占比例的逐渐增加，对电力系统系统稳定性的影响成为了近几年的研究热点，特别是小干扰稳定。文献[5]较早地研究了风电并网对电力系统小干扰稳定的影响，重点集中在特征根分析法和时域仿真法研究风电接入对电力系统振荡模式和阻尼特性的影响。由于我国大规模集中接入输电网的特点，随着风电并网规模的不断扩大，风电接入电网的小干扰稳定性成为了国内学者们近年来研究的热点。文献[6-7]的研究结果表明了双馈风电场可以为电力系统提供正阻尼，而文献[8]则指出双馈风电场会对电力系统阻尼产生负面影响，严重时甚至导致系统失稳。为此，风电场接入对电力系统阻尼特性的影响存在着分歧，其对电力系统阻尼的影响有待进一步深入研究，真正揭示大规模风电场接入对电力系统阻尼影响的机理。随着我国风电接入输电网容量的逐渐增加，研究含风电互联电网的阻尼特性意义重大，迫切需要深入研究。

文献[9]从双馈风电机组并网输送距离、并网容量、互联系统联络线传送功率以及是否加装PSS等多个方面分析了风电场并网对互联系统小干扰稳定及低频振荡特性的影响。文献[10]指出，含双馈风电场的低频振荡特性不仅受风电场运行控制及其容量大小的影响，而且与接入系统潮流变化情况密切相关。含大规模风电场的互联电力系统低频振荡模式研究是近几年国内的热点，现有大量文献研究振荡机理以及对互联电力系统的影响，然而大部分的文献采用的方法是集中于单一运行方式或选取几个代表性的运行方式得出结论，这样的结论不具备全局性，不能真正揭示振荡机理。风电的接入，导致了电力系统的运行方式更加复杂，单纯的几个运行方式不能说明问题。文献[11]采用概率的方法对风电场接入系统小干扰稳定性的影响展开了研究，这是该领域研究的创新，从概率的角度出发，研究风电场对电力系统动态特性影响的分布情况，研究结果表明，系统本地振荡模态稳定概率大幅度下降，区间稳定模态稳定概率略有上升。

目前的研究方法均是采用线性化的模型进行分析，即负阻尼机理。而线性化是一种近似的方法，运行参数只有在准稳态运行点附近发生较小变化进行线性化才有意义，若参数波动较大时仍采用线性化的方法必然会造成较大误差。但是最近国内发生的机理不明的低频振荡引起了普遍关注，已无法通过负阻尼的机理来解释低频振荡现象，而且在事故后仿真振荡的过程中，也出现了无法用仿真再现振荡过程的困惑，而随着风电规模的不断扩大，采用传统的线性化分析方法是否适用，有待进一步的研究，我们也期待有更好的方法在该研究领域出现。

1.2 暂态稳定

电力系统系统暂态稳定是指电力系统受到大的扰动后经过一个暂态过程，同步发电机功角或异步发电机滑差可稳定在某一稳态值，则称为暂态稳定，否则暂态不稳定。与小干扰稳定的最大区别就是受扰后运行参数偏离平衡点较大，在分析方法上有着很大的差别。异步发电机是没有功角稳定问题，但其滑差可反映转子角度的稳定性，因此异步发电机是存在暂态稳定性问题的。风电接入对电网暂态稳定性的影响取决于电网拓扑结构及电网运行方式，既可能改善电网暂态稳定性，也可能降低电网暂态稳定性。风力发电机采用感应发电机，不同于常规同步发电机，在电网发生故障时其暂态特性与传统同步发电机有很大的不同。大容量的风电接入改变了系统潮流分布及惯量。风电接入电网后，系统的暂态特性发生了变化。

大规模风电集中接入电力系统，会对电力系统暂态稳定产生一定的影响。文献[12]基于EEAC理论，定量分析了定速异步风机和双馈式异步风机对电网暂态稳定性的影响。当风电渗透率更大、接入电压等级更高时，风电对电网的暂态稳定的影响才会明显。文献[13]通过分析了大容量风电场接入系统后电网的暂态稳定特性，提出了保证风电场和电网安全稳定运行的风电场安全容量的概念，并且探讨了一些改善电网暂态稳定水平的措施；文献[14]通过在同一接入点分别接入双馈风电机组与接入同步发电机组对电力系统的稳定性进行研究，研究证明了基于双馈风电机组的风电场对电力系统暂态稳定的影响要好于在同一接入点接入相同容量的同步发电机组。文献[15]结合风电机组自身的暂态特性，较为全面地研究了风电场外电网发生三相短路故障时对电力系统和风电机组本身的影响，为确保风电场最佳接入电网容量提供了依据。

风电接入容量的逐步增加，电力市场的逐渐深入，使得电力系统的运行日益复杂，这样导致暂态稳定问题日趋严重。电力系统暂态稳定的分析方法目前主要有三种：时域仿真法、直接法和人工智能法。时域仿真法是分析暂态稳定最成熟的有效方法，但计算量大、不适合实时控制；直接法是暂态稳定在线分析最具前景的分析方法，但截至目前，直接法在模型的详细程度、准确度和可靠性方法仍存在不足，无法实现在线分析；人工智能法是近些年来兴起的一种新方法，在不需要准确模型的情况下，能较好地解决问题，但在电力系统实际应用还有待进一步研究。以上三种方法各有优缺点，因而多种方法相结合将是暂态稳定分析的一个方向，同时广域测量系统也可为暂态稳定在线分析提供新的契机。

2 电压稳定性分析

电压稳定性是指电力系统正常情况下或遭受干扰后系统维持所有母线电压在可以接受的稳定值的能力，电力系统电压稳定可分为静态电压稳定和暂态电压稳定。随着大规模风电场集中接入超高压输电网络的规划建设，电力系统的暂电压稳定问题日益突出。

文献[16]指出，风电机组机端电压变压器、风电场内集电线路以及风电场升压变压器等都存在无功损耗，因此在风电场正常运行时需要从电网中吸收大量的无功功率，即使是双馈风力发电机组。当风电场规模较大且无功储备不足的情况下，很可能导致电压失稳问题。常用的无功补偿设备有并联电容器组、静止无功补偿器（SVC）和静止无功发生器（SVG），其中并联电容器组不具备低电压穿越能力，实用性不高，而SVG的造价较高，目前的市场份额不大，为此，SVC应用较大，而且市场份额逐渐增加。低电压穿越能力会直接影响电网电压稳定的重要因素，也是维持电压稳定的重要保障。低电压穿越是指在风电机组并网点电压跌落时，风力机能够保持不脱网运行，甚至可以向电网提供一定无功功率，支持电网电压使得系统在故障后能够迅速回到正常运行状态。若风电场不具备低电压穿越能力，当电网发生故障时，保护装置会将风电机组从电网中解列，当风电场在系统中容量较小时可以接受。然而，当大规模风电场集中接入系统且容量较大时，从电网中切除将会增加系统的恢复难度，严重时可能导致电压失稳，甚至会导致电压崩溃，造成大面积停电事故发生。

暂态电压稳定的分析方法主要有时域仿真法和直接法。时域仿真法需要建立包括风力发电机在内的各种动态原件的微分代数方程组模型，采用数值分析法求解。由于时域仿真计算时间长，只能用于离线分析计算。直接法能够建立计及负荷动态特定的电力系统结构保留模型，并在此构建Lyapunov暂态能量函数，计算速度较快，可用于在线分析。然而，直接法最大的难点就是暂态能量函数的构造，即使能够找到一个能量函数，但是判断是否为Lyapunov函数是非常困难的，为此，不可能直接用于暂态稳定的在线评估。

电压稳定性与攻角稳定性相比，其研究难度较大，电压稳定性的研究必须结合负荷的动态模型，而负荷建模至今仍是难题。虽然近些年来，研究人员对电压稳定性展开了深入的研究，也取得了一定的成果，但是截止目前，电压失稳机理仍没有真正揭示，也没有给出公认的本质的定义。而风电强随机波动性的特点，造成了大规模风电接入使得电网电压稳定性的更加复杂，仍需要进一步研究。美加8.14大停电事故至今值得我们深思。

3 结论

本文就大规模风电场集中接入对电力系统稳定的影响展开了剖析，包括电力系统小干扰稳定、暂态稳定以及电压稳定。在总结了目前该领域的研究成果，同时也指出了该领域今后的研究方向，有利于促进风电的健康、有序发展，保证含风电场的大规模混合互联电力系统的安全稳定运行。

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[责任编辑：杨玉洁]