风电并网的电压稳定性分析与研究

风电并网的电压稳定性分析与研究

张世林

中国电建集团山东电力建设第一工程有限公司  山东济南  250102

摘要：随着全球气候变化的日益严峻，碳中和成为应对气候变化的关键目标。风力发电具有许多优点，如无污染、可再生、运行成本低等，因此，许多国家和地区都积极发展风力发电项目。然而，风力发电的随机性和间歇性特点给电网的运行带来了诸多调整，包括电压波动、频率不稳、谐波污染等问题，这些问题对电网的稳定性和安全性造成了不小的影响。基于此，本文就针对风电并网电网稳定性影响因素进行分析，然后探讨有效的优化对策。

关键词：风电并网；电压；稳定性

引言

风力发电能够将风能转化为电能，具有节能环保的特点，能够提高风能应用效率。风力发电技术利用可再生能源发电，优势突出，受到社会各界高度重视。在实际应用中，该技术不仅可以控制能耗，而且可以起到保护生态环境的作用，有利于协调行业发展与自然环境保护之间的关系。电力是国家发展道路上不可缺少的能源，故研究此项课题具有十分重要的现实意义。

1 风电并网电压稳定性影响因素

1.1 电网设备影响

风力发电过程中需要使用大量的电力电子设备，如变频器、逆变器等。这些设备在运行时会产生大量的谐波，从而对电网的电能质量产生不良影响。此外，风力发电设备的故障也可能导致电网的故障，给电网的稳定运行带来潜在风险。

1.2 电压波动影响

风力发电的随机性和间歇性特点还会导致电网电压波动。当风速不稳定时，风力发电机组的输出功率也会随之变化，从而引起电网电压的波动，这种波动可能导致电网电压过低或过高，影响电力设备的正常运行和电力质量。例如，当风力发电电场容量升高时，会引起整个系统电压的降低，使系统电压保持在低水平状态运行，无功补偿就会在一定范围内减小[1]。

1.3 电网频率影响

风力发电的大量接入会对电网频率产生一定影响。当风速波动较大时，会引发风力发电机组的输出功率波动加剧，进而影响电网频率的稳定性，导致电力设备损坏、电力质量下降等问题。

2 提升风电并网电压稳定性的措施

2.1 风功率预测技术

风力发电系统发电功率并非恒定不变，会受外在因素干扰，风力强度与发电功率之间呈正比例。风力发电场运行过程中生成的能量均要汇入电网，但风力发电波动明显，与风力发电系统连接后，电网调节难度立即上升，在这种情况下，需预测风力发电功率的变化，依托预测结论优化电网结构，方便进行调度工作，既提高电网运行稳定性，又提高电网工作能力。当下，风力发电功率预测方法可细分成以下2类：①物理法，该方法根据气象学理论模拟风力发电场范围内气候的变化，这一阶段风向、风力等均是不可缺少的重要因素，根据模拟结论创建有针对性的预测模型，进一步预测发电系统运行期间风力发电功率出现的变化。但是，从现实角度来看，风速变化难以控制，预测结果准确性较低。②统计法，该方法以数据理论为核心，基于预测目标设计与其对应的统计结构，动态监测风力发电功率的变化，掌握其中蕴藏的规律[2]。这种方法旨在深入挖掘风力发电功率的数据。在具体预测过程中，算法的选用关乎预测结果精准程度。现下常用算法包括基于时间序列衍生的算法和机械学习算法两种。组合模型预测综合特征突出，上述两种方法具有一定缺陷，因此实际应用中需将两者结合在一起，借用两者的技术优势，合理规划组织并完善预测模型，充分发挥不同方法的应用优势，保证预测结果准确。

2.2 风电谐波消除技术

风力发电系统中，谐波源主要有机组固有谐波、电网谐波和变流器开关谐波。其中机组固有谐波是气隙磁场与定子齿谐波非线性分布造成，由于气隙磁导均匀性不足，生成齿谐波，进而引入5、7、11奇次谐波与低频谐波；电网谐波是定子电流产生次数谐波，以3、5、7谐波为主；变流器开关谐波是开关动作与电网耦合，对定子侧电流造成影响，谐波频谱处于开关频率周围区域。因此，在风力发电技术创新中，采取无功补偿与感应滤波技术结合方式，构建新型风电拓扑结构。该系统包括SVG、感应滤波变压器（IFT）、无源滤波器（FTPF）等，以往仅将SVG、FTPF并联风电场，利用双绕组变压器与公共电网连接，引发谐波谐振[3]。而新技术进行结构创新，一方面感应铝箔变压器，根据电磁感应原理，将谐波磁通消除，通过增设变压器第三绕组，连接滤波电路形成0阻抗回路，有效改变谐波同流路径，屏蔽谐波在绕组外，延长使用寿命。另一方面挂接无功补偿装置，如在变压器滤波绕组上挂接无源补偿装置、有源补偿装置，配合SVG协调滤波器固定电容，动态调节无功功率，实现无功补偿。

2.3 改善电能质量

当前，很多城市都存在着电力质量较差的问题，给人们的日常生活带来了很大的不便，要想提高城市居民的电力质量，就必须明确电力的主要影响因素，在保证电力系统的无功均衡的同时，尽量保证供电半径的合理性和有效性。另外，在电源线路横断面的选取上，应尽量选用符合配电网要求的导线，避免出现过载和过载现象；同时，针对有负荷调节装置，串联不畅等情况，根据需要及时采取适当的调节措施

[4]。为了获得更好提升电能质量，还需要根据用户的用电状况，主动地选择可能对电能质量产生影响的相关因素，采取合理有效的、有针对性的措施来提高电能质量。

2.4 并网与集成技术

随着可再生能源的快速发展和普及，包括风力发电和太阳能在内的分布式能源逐渐成为能源系统的重要组成部分。在此背景下，数字电网技术的发展成为实现可再生能源大规模并网和高效利用的关键。数字电网是一种基于先进通信、控制和信息技术的智能电网系统，它能够实现能源的高效调度、安全运行和灵活管理，为能源系统的可持续发展提供新的可能性。数字电网技术可实现可再生能源的大规模并网和高效利用。传统电网面临的一个挑战是可再生能源的间歇性和波动性，这会导致电网的不稳定性和供需之间的不平衡。而数字电网技术通过实时监测和控制能源系统的运行状态，可实现对可再生能源发电的精确调度和优化配置，最大程度地提高可再生能源的利用率，同时保障电网的稳定运行。数字电网技术还可实现能源系统的智能化和虚拟化管理[5]。虚拟电厂是数字电网技术的重要应用之一，它通过整合分布式能源资源、储能设备和灵活负荷等多种能源资源，形成一个统一的虚拟化发电和调度平台，实现对能源系统的集中化管理和优化运行。借助虚拟电厂技术，能源系统可以更加灵活地响应市场需求和电力调度，实现能源的高效利用和经济运行。

3 结束语

风力发电作为一种清洁、可持续的能源在全球范围内得到了广泛关注和大力推广。然而，风力发电的随机性和间歇性特点给电网带来了诸多影响，包括电压波动、频率不稳、谐波污染等问题给电网的安全稳定运行构成威胁。因此需要采取相应的应对策略和技术措施来降低这些影响，同时还需要加强管理和技术创新，促进多元化能源发展，以提高电网的稳定性和可靠性。

参考文献：

[1] 陈舸.风电场并网运行时对南澳岛电网的影响研究[D].华南理工大学,2021.

[2] 唐建平.分布式风电机组并网影响分析及抑制策略[J].风能,2021,(07):90-95.

[3] 刘航航.并网风电场对电力系统电压稳定性影响的研究[J].电子技术与软件工程,2021,(12):204-205.

[4] 薛仰孝.风电并网对电力系统电能质量的影响研究[D].贵州大学,2021.

[5] 夏婷,张木梓,陈杨,等. 全球低风速风电发展现状与展望[J]. 水力发电,2022,48(6):105-108,118.