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风电并网对电力系统稳定性影响的研究综述

风电并网对电力系统的稳定性研究，是随着可再生能源发展和环保要求提升而日益受到关注的课题。近年来，风力发电因具有清洁、低碳的特点，在全球能源结构转型中扮演着重要角色。然而，大规模风电接入电网也带来了系统稳定性和运行控制的新挑战。

1.功率波动对电力系统稳定性的影响：风能受自然条件影响较大，导致其输出功率存在显著的随机性和不确定性。这种功率波动可能会影响系统的频率、电压稳定性及功率平衡，给电力系统带来额外负担。

2.风电场与传统机组之间的协调控制问题：为了保持电网稳定运行云计价（gccp5.0）精品问题集，在风电并网过程中需要考虑风电机组与其他发电单元（如火电、水电等）之间的协调配合。这涉及到优化调度策略和动态调节机制的设计。

3.提高电网接纳能力的技术措施：包括建设智能电网，通过先进的通信技术实现对风电的精细化控制；采用柔性交流输电系统（FACTS）、储能装置等增强系统的灵活性和可控性；以及探索新型电力电子设备的应用以提升电网适应风能接入的能力。

4.研究与实践进展：国内外学者已经开展了大量相关理论研究，并在实际工程项目中进行了验证。例如，通过多源协同优化、预测控制等方式提高风电场输出功率的平滑度；利用大规模储能系统缓解风电出力波动对电网造成的影响等。

综上所述，风电并网虽然带来了挑战，但同时也推动了电力技术的进步和发展，促进了更加智慧和可持续的能源管理体系构建。未来的研究应继续关注如何进一步提高风电接入水平及其在保障电力系统稳定运行中的作用。

风机正常运行时，忽略尾流损失、叶尖损失和轮毂损失后，风轮吸收的风功率主要受三个因素影响：风速ν、桨距角β和叶尖速比λ[21]。

风力发电机（Wind Turbine）吸收的功率为：

式中，CP（β，λ）为风能利用系数；ρ为空气密度；β为桨距角，λ为叶尖速比；γ为风轮半径；ν为风速。根据贝兹理论，风能的最高利用率为59%，即CP.MAX为0.59.

按照是否接入主电网划分，风力发电主要具有两种类型：

(1)“离网”的独立运行供电系统。单机容量较小，一般为0.1~10kW，常用于解决边远地区的供电问题，2010年全国新增风电装机中，功率小于1MW的风电机组仅占2.4%；

(2)“并网”运行的常规电网电源，单机容量一般为150~2000kW，常应用于大规模风电场。风电机组的大规模已成为风电利用领域上最有效率的方式，广泛为各国采用[3]。并网型风力发电系统又按照风机的工作方式划分为恒速恒频(CSCF)和变速恒频(VSCF)两种：（a） CSCF方式下,随着风速的变化,风机转速恒定,输出电能频率恒定,其发电效率较低,而且由于机械承受应力较大,相应的装置成本较高。（b） VSCF方式下,风机转速随风速的变化而变化,实现了不同风速下的高效发电,在低风速下,风机转速相应下降,从而使系统的机械应力和装置成本都大大降低[4]。

在我国，风力发电作为新型发电技术，至今已有20多年的历史，较原有的发电技术，具有以下特点：

（1）储量大，可再生，无污染。

（2）大型风电场一般远位于“三北”地区，远离沿海负荷中心，风电开发具有“大规模、高集中、远距离”的特点；

（3）由于风的随机性与间歇性，使得风电场有功出力具有较大大的随机性和波动性，难以预测和调度

（4）异步发电机风电机组的广泛应用，虽然在机端安装有无功补偿电容器，但在运行过程中，风力机组发出有功功率的同时也吸收无功功率，引起机端电压波动；

（5）风能密度低，为了获得较大动能，风机的叶片直径一般较大，转动时产生的转动惯量较大；

3 大规模风电并网对系统稳定性的影响及研究进展

3.1 风电场并网容量

考虑到风力发电的这些特点，人们在规划和设计风电场的时候通常考虑以下两个问题：a.对于电力系统的单个节点，所允许接入的风电场最大装机容量；b.对于给定的电力系统，所允许的最大风电场装机比例。国际上通常采用穿透功率极限和短路容量比两个指标来表征电力系统中风力发电规模的大小[16]。

文献[20]研究显示，在分别计及系统负荷最大和最小的运行方式下，当风电场遇到不同的风速扰动时，影响该系统风电并网容量的主要因素是风电场正常运行时产生的频率偏差。

风电场一般在电网的末端接入，而风电场的大规模异步风力发电机组向电网注入功率时也从系统吸收大量的无功功率，同时风电场出力的随机性造成了接入点的潮流是双向流动的，这在原有的电网的设计和建造时是未曾考虑的。随着风电场注入电网的功率的加大，当地电网的电压和联络线功率会超出额定范围，严重时会导致电网崩溃。

由于异步发电机具有规律恢复特性，在系统故障发生后，若风电机组在系统故障排除后能恢复机端电压并稳定运行,则地区电网的暂态电压稳定性便能得到维持；若风电机组在故障排除后无法恢复机端电压,风电机组将超速运行并失去稳定,破坏区域电网的暂态电压稳定性。此时,需利用风电场的无功补偿装置、风电机组的无功支撑能力在暂态过程中支撑电网电压,或者及时切除风电机组，以保证区域电网的暂态电压稳定性[5]。

大规模风电并网对系统造成的影响主要有电压波动、谐波和闪变等，其中电压波动和闪变主要由系统中的潮流变化引起。随着风力发电在整个系统中所占的比重越来越大，风电不稳定的有功功率输出对电网的功率冲击效应也将不断增大，严重情况下，将会使系统的动态稳定

性被破坏，导致整个系统解列。

3.2.1对地区电网电压的影响

所谓的电力系统的电压稳定性是指在遭受扰动后，电力系统在所有母线上的电压自行恢复到初始运行状态的能力。当电力系统的电压稳定性遭到破坏时，一些母线上的电压会下降或升高，可能导致电力系统中负荷的丧失、输电线路的跳闸，或者引发继电保护设备动作造成系统的级联停电，或者造成一些发电机组失去同步运行的能力。

风电机组的运行特性使得输出功率呈现波动性变化，对电网电压造成不利影响，电压波动和闪变是其中最主要的表现形式。

当前，对于保持电力系统电压稳定的研究主要由以下五个方面组成：a.分析确定电压稳定裕度的大小；b.分析电力系统中可能引发电压失稳的薄弱节：c.研究用于防止系统电压失稳的控制策略；d.对于大干扰电压稳定进行故障筛选，研究影响电压稳定的故障极限切除时间；e.当需要切负荷时，快速计算为保持电压稳定所应切除的负荷量以及负荷的极限切除时间[15]。

文献[6~7]研究显示，风电场电压崩溃的根本原因是系统无功功率的供给不足，配置在风力发电机机端的并联电容器，在投切的过程中会引起电压的跳变，当系统电压水平较低时，并联电容器的无功补偿量迅速下降，导致风电场对电网的无功需求上升，进一步恶化电压水平，严重也时会造成电压崩溃。

文献[17]指出风电场的功率电压特性受输电线的阻抗参数的影响，并且电压稳定性受短路容量比的影响很大。

文献[18]研究表明，可以将SVC(Static Var Compensator)作为动态无功补偿手段，应用到大规模并网风电场，以提高其暂态电压稳定性。

文献[19]研究表明，通过增加公共连接点（PCC点）的短路容量比可以有效地抑制电压波动和闪变。

文献[8]比较风电场不同接入方式对电压稳定性的影响，在风电场出力稳定或者并网线路参数一致的情况下，应选用分布式接入；在风电场受到渐变风、阵风、切除风影响时，应选用集中式接入。

3.2.2对电网频率的影响

风电并网容量越大，其功率特性对电网频率造成的影响也越大。由于风电机组投切频繁，使风电场接入系统的潮流处于一个双向流动的过程，这在一定程度上影响了系统的频率，严重时可能导致整个风电场突然切除，使得瞬间电源和负荷失衡，引起电网频率的降低。

文献[22]研究显示，当系统有大规模风电场接入时，传统的电力系统控制措施将无法满足高频率、大幅度波动的风电场功率输出对电力系统的动态频率响应能力的要求。

文献[9]研究显示风扰动的波形和时间长度是对影响电网频率的两个主要因素，风扰动的波形变化越剧烈,对系统频率曲线的影响越快,而风扰动的波形峰值越高,对频率曲线的峰值影响越大。

文献[23]研究显示，在自动发电控制系统（AGC）的区域控制偏差（ACE）信号中引入风电场和常规电厂的偏差量，并用模糊PI控制器替代AGC系统的PI控制器，依据频率的变化对PI参数进行自适应调节，能对大规模风电场引起的系统频率波动有较好的抑制作用。

文献[24]研究显示，可以利用离散可控负荷来维持一个“离网”电力系统中供需之间的平衡，从而抑制频率的波动．

17j17 重庆市城市道路与开放空间低影响开发雨水设施标准设计图3.3 国内外研究现状

结合我国风电场的运行经验来看，高速发展的大规模风电装机容量和滞后的电网规划建设之间的矛盾是当今风电并网难的主要矛盾。着眼于这方面，国内外的专家学者从各个方面进行了大量的研究，并提出了针对性的解决方案。

配备充足的无功补偿容量

在风电场并网运行过程中，异步风力发电机需要从电网吸收无功功率来提供其建立磁场所需的励磁电流，，因此要保证风力发电系统的健康稳定运行，为其配备充足的无功补偿容量是采取的最主要措施。目前，一般采用机端并联电容、、静止无功发生器（SVG）、静止无功补偿装置（SVC）以及静止同步补偿器（STATCOM）等来补偿风力发电机的无功[10]。

（2）提高风电机组低压穿越能力

风电机组的低压穿越能力（Low Voltage Ride Through）是指风电机组在电网公公连接点电压跌落时保持并网状态,并向电网提供一定的无功功率以支撑电网电压,从而穿越低电压区域的能力[11]。典型的低压穿越曲线如图1所示。

卫津河闸工程(土建部分)施工组织设计 图1 典型低压穿越曲线

在故障发生时，电网的电压会下降，严重时可能导致功率缺额，如果不对风电场加以控制，甚至会产生“脱网”现象，给处于暂态过程中的电网引入了新的冲击，对电网的暂态稳定性将产生不利影响。随着风电场并网容量的增大，这种影响将越发明显，因此应采取措施对风电场进行相应功率控制，提高风电场的低压穿越能力，使其能在故障期间向电网提供无功功率，提高电网的稳定性。