白迪+惠闯+孙峰

摘 要：风力发电由于具有可预测性低，强波动性，强随机性等特点，大规模风电接入系统会引起系统电压稳定性变差、电压波动、闪变等严重故障，甚至会引发风电系统电压崩溃等现象。本文主要针对风电场无功不足以及无功电压控制，调峰能力不足，不能很好的参与系统调度以及大规模风电机组故障脱网以及连锁脱网事故等问题，从风电场无功补偿优化及无功电压控制两方面进行了综述。分析了风电场无功优化、无功补偿容量确定，无功电压控制等方面的理论研究动态及工程实际应用技术的发展，提出了今后风电场无功补偿及无功电压控制方面的研究方向及技术发展趋势，为风电场群安全、可靠、稳定运行与控制提供参考。

关键词：风电场；无功补偿；无功优化；无功电压控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.177

1 引言

风力发电产业因其具有绿色、清洁、可再生等特点，已经引起世界各国的广泛关注。全世界范围内风能资源蕴藏量巨大，我国的风力发电机装机容量每年以40%左右的速度增长，自2014年来，我国风电装机容量稳居世界首位[1-3]。然而由于风力发电在实际运行的过程中存在着随机性、间歇性和不可控性，大规模风电集中并网，将给电网的安全稳定运行与控制带来不利影响。尤其是在大规模风机故障脱网时，对电网的安全稳定运行受到巨大的冲击。除此之外，我国风电的发展中还存在着诸如与主网连接薄弱、调峰能力不足、本地消纳困难、不能有效参与系统调度、低压穿越能力不足等问题。同时大规模风电并网会使系统潮流发生改变，使电网的稳定性、电网电压、频率、功角以及电能质量变差[4-6]。因此，研究研究风电机组潮流及对其无功补偿进行优化补偿及其控制对电网稳定性具有重大意义。

本文主要针对风电场无功不足以及无功电压控制，调峰能力不足，不能很好的参与系统调度以及大规模风电机组故障脱网以及连锁脱网事故等问题，从风电场无功补偿优化及无功电压控制两方面进行了综述。分析了风电场无功优化、无功补偿容量确定，无功电压控制等方面的理论研究动态及工程实际应用技术的发展，提出了今后风电场无功补偿及无功电压控制方面的研究方向及技术发展趋势，为风电场群安全、可靠、稳定运行与控制提供参考。

2 风电场无功补偿及其控制关键问题

对风电场进行无功补偿及无功控制时应首先考虑风电机组出力水平以及无功功率调节能力，然后综合考虑接入系统各种运行工况下的稳态、暂态以及动态过程来合理确定风电场升压站动态无功补偿的方案。风电场应配置足够的动态无功补偿容量，并且能自动调节，其动态响应时间在30ms范围内。在此过程中能实现电容器和电抗器支路在紧急情况下能自动投切，同时并网点电压保持在范围内。因此，为保证系统安全、稳定、高效运行，对风电场无功补偿与控制提出了严格要求。

3 风电场无功补偿优化问题

由于风资源的间歇性和不确定性等特点，大规模风电机组并网会使电网电压下降，使风电场及系统的电压稳定性变差，严重时会出现系统电压崩溃现象。风电场一般建设在电网末端，与电网的连接比较薄弱，需要有足够的无功电压支撑能力来保证系统的电压稳定性。电力系统中负荷的变化及无功窜动是电网内电压不稳定的主要原因。因此，考虑风电场的电力系统无功补偿规划及其对无功补偿进行优化是非常有必要的。国内外学者在风电场无功补偿策略及其优化等方面做了大量工作。

文献[7]利用遗传算法建立了考虑风电场以恒功率因数运行时，系统有功网损最小的无功功率优化模型，并计算出并网风电场的无功补偿最优容量；文献[8]针对风电出力的随机性、间歇性和不可控性，采用基于概率分析的场景方法研究含风电场的电力系统无功规划优化问题，建立了含风电场的电力系统无功规划优化模型，研究了基于内点法和改进遗传算法的混合算法的电力系统无功规划优化方案，为含风电场的电力系统无功配置优化及其无功调度提供强有力的依据。文献[9，10]通过考虑风速和风电机组的特性，建立了机会约束模型，提出利用随机模拟粒子群算法来确定风电场无功补偿的最优补偿容量，而文献[10]考虑风速和负荷对风电场输出有功和无功的影响，利用遗传算法确定并网点最优电容器分组和控制方法。文献[11]通過预先处理风电场无功优化模型的约束条件，基于遗传算法确定不同风速下风电场最优无功补偿容量。

4 风电场无功电压控制

风电资源因具有可预测性低，强波动性，强随机性等特点，大规模风电接入系统会引起系统电压波动，加之风电场中无功电压调节装置不同时间尺度的响应特性，增大了无功电压协调控制的难度，对系统的安全、可靠、稳定运行带来严重影响。因此，有必要对系统的无功电压控制进行研究。目前国内外研究主要是基于风电场或风电场群制定相应的风电场无功电压控制方案与措施。文献[12]研究了不同类型风机并网对系统电压稳定性的影响，通过构建风电机组参与系统无功电压控制的控制模式，提出了风电场群两层多阶段无功电压协调控制模型，该过程同时考虑了风功率的强波动性，强随机性、不确定性以及多时间尺度的无功电压装置的响应特性。

文献[13]分析了风电场动态无功控制对大规模风电汇集地区电压稳定性的影响，基于小扰动法研究了动态无功补偿装置恒无功、低压侧恒电压以及高压侧恒电压等控制方式下观测母线电压的变化对系统稳定性的影响，引起系统中风电机组故障脱网以及连锁脱网的原因主要与风电机组的低压穿越能力、过电压、以及无功补偿装置的动作失调等有关。文献[14]通过重点分析风电机组故障后的暂态过程中风电机组和静、动态无功补偿装置的响应能力，提出了大规模风电场的无功电压紧急控制策略。该策略能有效的防御大规模风电机组连锁脱网事故的发生，降低了短路故障对风电场及系统的影响。文献[15，16]基于双馈异步风机的自主控制及无功调节能力；文献[15]提出了风电机群的分段分层实时控制策略；文献[16]提出了风电场参与电网无功电压控制的框架。