大規(guī)模雙饋型風電場接入電網(wǎng)的性能與穩(wěn)定性研究：理論、挑戰(zhàn)與優(yōu)化策略一、引言1.1研究背景與意義在全球能源結(jié)構(gòu)加速轉(zhuǎn)型的大背景下，風力發(fā)電作為一種清潔、可持續(xù)的能源利用形式，正受到世界各國的廣泛關(guān)注與大力發(fā)展。隨著風力發(fā)電技術(shù)的日益成熟，其在能源領(lǐng)域的地位愈發(fā)重要。從全球范圍來看，自2013年起，風電累計裝機容量便呈現(xiàn)出迅猛增長的態(tài)勢。到2022年，全球風電累計裝機容量已達到902GW，2013-2022這九年間的年均復合增速高達12.30%。據(jù)預測，2023年全球風電累計裝機容量有望突破1000GW大關(guān)。中國在風電領(lǐng)域更是成績斐然，風電累計裝機容量雄踞全球首位。在陸上風電方面，截至2022年年底，中國、美國、德國的風電累計裝機容量位列全球前三，其中中國占全球陸上風電累計裝機容量的比重達40%；在海上風電領(lǐng)域，截至2022年年底，中國海上風電累計裝機容量占全球比重接近一半，高達49%，無論是陸上還是海上風電，中國都處于世界領(lǐng)先水平。雙饋型風電機組憑借其獨特的優(yōu)勢，成為風電場的核心設(shè)備，在電力系統(tǒng)中扮演著舉足輕重的角色。與其他類型的風電機組相比，雙饋型風電機組具有發(fā)電機輸出頻率不受轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速影響的顯著特點，這使得它在不同風速條件下都能保持穩(wěn)定的電能輸出。同時，其有功、無功功率可獨立調(diào)節(jié)的能力，為電網(wǎng)的穩(wěn)定運行提供了有力支持。通過靈活調(diào)整有功功率，可滿足不同時段的電力需求；而無功功率的獨立調(diào)節(jié)，則有助于維持電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定。此外，雙饋型風電機組的勵磁變流器容量小于發(fā)電機組額定容量，大大降低了設(shè)備的制造成本，提高了經(jīng)濟效益，這也是其在風電市場中得到廣泛應用的重要原因之一。然而，隨著雙饋型風電場規(guī)模的不斷擴大，其接入電網(wǎng)后所帶來的一系列問題也逐漸凸顯。風電場的輸出功率受風速、風向等自然因素的影響，具有很強的隨機性和間歇性。這就導致當大規(guī)模雙饋型風電場接入電網(wǎng)時，會對電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性產(chǎn)生巨大沖擊。在電壓穩(wěn)定性方面，風電場輸出功率的波動會引起電網(wǎng)電壓的波動和閃變。當風速突然變化時，風電機組的輸出功率也會隨之快速改變，這可能導致電網(wǎng)局部電壓過高或過低，影響電力設(shè)備的正常運行，甚至可能引發(fā)電壓崩潰等嚴重事故。在頻率穩(wěn)定性方面，風電的隨機性使得電網(wǎng)的有功功率平衡難以維持，進而影響電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定。當風電場輸出功率突然大幅下降時，如果電網(wǎng)不能及時調(diào)整其他電源的出力，就會導致電網(wǎng)頻率降低，影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。因此，深入研究大規(guī)模雙饋型風電場接入電網(wǎng)的性能分析與穩(wěn)定控制策略，具有極為重要的現(xiàn)實意義。通過對其接入電網(wǎng)性能的全面分析，能夠精準掌握風電場與電網(wǎng)之間的相互作用機制，明確風電場接入對電網(wǎng)各方面性能指標的具體影響，為后續(xù)穩(wěn)定控制策略的制定提供堅實的理論基礎(chǔ)。而有效的穩(wěn)定控制策略，則可以顯著提高電網(wǎng)對大規(guī)模風電接入的適應性和接納能力。一方面，通過合理的控制手段，可以減小風電場輸出功率的波動對電網(wǎng)電壓和頻率的影響，確保電網(wǎng)的穩(wěn)定運行；另一方面，能夠充分挖掘風電場的潛力，提高風電的利用效率，推動清潔能源在能源結(jié)構(gòu)中占比的提升，助力實現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級，對保障能源安全、應對氣候變化等全球性問題具有重要的推動作用。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在雙饋型風電場接入電網(wǎng)的性能分析與穩(wěn)定控制領(lǐng)域，國內(nèi)外學者已開展了大量深入且富有成效的研究工作。在國外，相關(guān)研究起步較早，積累了豐富的經(jīng)驗和成果。早期，學者們主要聚焦于雙饋風電機組的基本特性研究，如文獻[具體文獻1]深入剖析了雙饋風電機組的工作原理、結(jié)構(gòu)組成以及在不同風速下的運行特性，為后續(xù)研究奠定了堅實的理論基礎(chǔ)。隨著風電接入規(guī)模的逐漸增大，研究重點轉(zhuǎn)向其對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響。例如，文獻[具體文獻2]通過建立詳細的數(shù)學模型，系統(tǒng)研究了雙饋風電場接入對電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的影響機制，指出風電場輸出功率的波動會導致電網(wǎng)電壓出現(xiàn)明顯的波動和閃變，尤其是在電網(wǎng)薄弱區(qū)域，這種影響更為顯著；文獻[具體文獻3]則著重探討了雙饋風電場接入對電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)風電的隨機性和間歇性會使電網(wǎng)頻率難以維持在穩(wěn)定水平，當風電占比較高時，甚至可能引發(fā)頻率崩潰事故。為應對這些問題，國外學者提出了一系列控制策略。在無功功率控制方面，文獻[具體文獻4]提出了基于最大功率跟蹤的無功功率控制策略，該策略在保證風電機組捕獲最大功率的同時，根據(jù)電網(wǎng)電壓需求動態(tài)調(diào)整無功功率輸出，有效改善了電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性；在電壓控制方面，文獻[具體文獻5]研究了采用靜止無功補償器（SVC）與雙饋風電機組協(xié)同控制的方法，通過SVC快速補償無功功率，增強了電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性。此外，在頻率控制方面，文獻[具體文獻6]提出利用儲能系統(tǒng)與雙饋風電場聯(lián)合運行的方式，在風電功率波動時，儲能系統(tǒng)快速充放電，平抑功率波動，維持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定。國內(nèi)對雙饋型風電場接入電網(wǎng)的研究也取得了豐碩成果。在性能分析方面，眾多學者結(jié)合我國電網(wǎng)實際情況，深入研究了雙饋風電場接入后的各種性能指標變化。文獻[具體文獻7]通過對實際風電場的運行數(shù)據(jù)進行分析，詳細闡述了雙饋風電場接入對電網(wǎng)諧波、電壓偏差等電能質(zhì)量指標的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)風電場變流器產(chǎn)生的諧波會對電網(wǎng)電能質(zhì)量造成一定污染，需要采取有效的濾波措施加以治理；文獻[具體文獻8]則運用仿真軟件，對不同規(guī)模雙饋風電場接入電網(wǎng)后的潮流分布進行了模擬分析，揭示了風電場接入位置和容量對電網(wǎng)潮流的影響，為電網(wǎng)規(guī)劃和運行提供了重要參考。在穩(wěn)定控制策略研究方面，國內(nèi)學者也提出了許多創(chuàng)新性的方法。文獻[具體文獻9]提出了一種基于自適應模糊控制的雙饋風電機組功率控制策略，該策略能夠根據(jù)風速和電網(wǎng)狀態(tài)的變化，實時調(diào)整控制參數(shù)，提高了風電機組的響應速度和控制精度，有效增強了電網(wǎng)的穩(wěn)定性；文獻[具體文獻10]研究了分布式電源與雙饋風電場的協(xié)同控制策略，通過合理分配分布式電源和雙饋風電場的出力，優(yōu)化了電網(wǎng)的功率平衡，提升了電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。盡管國內(nèi)外在該領(lǐng)域已取得了顯著進展，但仍存在一些不足之處和研究空白。一方面，現(xiàn)有的研究大多是在理想條件下進行的仿真分析，與實際電網(wǎng)復雜多變的運行環(huán)境存在一定差距，導致部分研究成果在實際工程應用中效果不佳。實際電網(wǎng)中存在著各種不確定因素，如負荷的隨機變化、電網(wǎng)故障的多樣性等，這些因素對雙饋型風電場接入后的性能和穩(wěn)定性影響尚未得到充分研究。另一方面，對于大規(guī)模雙饋型風電場群接入電網(wǎng)的情況，目前的研究還相對較少。隨著風電開發(fā)的不斷推進，多個風電場集中接入同一電網(wǎng)的現(xiàn)象日益普遍，風電場群之間的相互作用以及對電網(wǎng)穩(wěn)定性的綜合影響更為復雜，需要進一步深入研究。此外，在控制策略方面，雖然已提出了多種方法，但不同控制策略之間的協(xié)調(diào)配合以及如何實現(xiàn)全局最優(yōu)控制，仍有待進一步探索和完善。1.3研究內(nèi)容與方法本文圍繞大規(guī)模雙饋型風電場接入電網(wǎng)的性能分析與穩(wěn)定控制展開研究，具體內(nèi)容涵蓋以下幾個關(guān)鍵方面：雙饋型風電機組特性與建模：對雙饋型風電機組的工作原理、結(jié)構(gòu)組成進行深入剖析，掌握其獨特的運行特性，如在不同風速、工況下的有功功率和無功功率調(diào)節(jié)能力。在此基礎(chǔ)上，運用數(shù)學方法建立精確的雙饋型風電機組模型，包括機械部分、電氣部分以及控制系統(tǒng)模型，為后續(xù)的性能分析和穩(wěn)定控制研究提供堅實的基礎(chǔ)。例如，采用dq坐標系下的數(shù)學模型，準確描述雙饋型風電機組的電磁關(guān)系和運行狀態(tài)，以便更深入地研究其在電網(wǎng)中的行為。大規(guī)模雙饋型風電場接入電網(wǎng)性能分析：全面分析大規(guī)模雙饋型風電場接入電網(wǎng)后對電網(wǎng)性能的多方面影響。在電壓穩(wěn)定性方面，研究風電場輸出功率波動與電網(wǎng)電壓波動、閃變之間的內(nèi)在聯(lián)系，分析不同接入位置和容量下，風電場對電網(wǎng)局部和整體電壓穩(wěn)定性的影響程度。通過建立電壓穩(wěn)定性指標，量化評估風電場接入后的電壓穩(wěn)定水平。在頻率穩(wěn)定性方面，探討風電的隨機性和間歇性對電網(wǎng)有功功率平衡的干擾機制，研究其導致電網(wǎng)頻率波動的原因和規(guī)律。分析不同風電滲透率下，電網(wǎng)頻率的動態(tài)響應特性，以及頻率穩(wěn)定面臨的挑戰(zhàn)。在電能質(zhì)量方面，重點研究雙饋型風電機組變流器產(chǎn)生的諧波對電網(wǎng)電能質(zhì)量的污染情況，分析諧波的分布特性和傳播規(guī)律。同時，考慮風電場接入對電網(wǎng)電壓偏差、三相不平衡等電能質(zhì)量指標的影響，為制定相應的改善措施提供依據(jù)。穩(wěn)定控制策略研究：針對大規(guī)模雙饋型風電場接入電網(wǎng)帶來的穩(wěn)定性問題，深入研究多種穩(wěn)定控制策略。在無功功率控制方面，提出基于智能算法的無功功率優(yōu)化控制策略，如采用粒子群優(yōu)化算法，根據(jù)電網(wǎng)實時電壓需求和風電出力情況，動態(tài)調(diào)整雙饋型風電機組的無功功率輸出，以維持電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定。在電壓控制方面，研究基于靜止無功補償器（SVC）、靜止同步補償器（STATCOM）等電力電子裝置與雙饋型風電場協(xié)同控制的方法。通過合理配置和控制這些裝置，快速補償電網(wǎng)無功功率，增強電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性。在頻率控制方面，探索利用儲能系統(tǒng)與雙饋風電場聯(lián)合運行的頻率控制策略。當風電功率波動導致電網(wǎng)頻率變化時，儲能系統(tǒng)迅速充放電，平抑功率波動，維持電網(wǎng)頻率在穩(wěn)定范圍內(nèi)。同時，研究儲能系統(tǒng)的容量配置和充放電控制策略，以提高頻率控制的效果和經(jīng)濟性。仿真與案例分析：利用專業(yè)的電力系統(tǒng)仿真軟件，如MATLAB/Simulink、PSCAD/EMTDC等，搭建包含大規(guī)模雙饋型風電場的電力系統(tǒng)仿真模型。通過設(shè)置不同的運行場景和參數(shù)，模擬風電場接入電網(wǎng)后的各種運行狀態(tài)，對風電場接入電網(wǎng)的性能進行全面的仿真分析。對比不同控制策略下的仿真結(jié)果，評估各種控制策略的有效性和優(yōu)缺點。同時，結(jié)合實際的雙饋型風電場接入電網(wǎng)工程案例，收集現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)，對理論分析和仿真結(jié)果進行驗證和修正。深入分析實際案例中遇到的問題和挑戰(zhàn)，提出針對性的解決方案和改進措施，為實際工程應用提供參考。在研究過程中，將綜合運用多種研究方法，確保研究的科學性和有效性：理論分析：運用電力系統(tǒng)分析、電機學、自動控制原理等相關(guān)學科的理論知識，對雙饋型風電機組的特性、風電場接入電網(wǎng)的性能影響以及穩(wěn)定控制策略進行深入的理論推導和分析。建立數(shù)學模型，從理論層面揭示其內(nèi)在規(guī)律和作用機制，為研究提供堅實的理論基礎(chǔ)。例如，通過對雙饋型風電機組的電磁關(guān)系進行理論分析，推導出其有功功率和無功功率的控制方程，為控制策略的設(shè)計提供理論依據(jù)。仿真實驗：借助先進的電力系統(tǒng)仿真軟件，構(gòu)建詳細的仿真模型，模擬大規(guī)模雙饋型風電場接入電網(wǎng)的實際運行情況。通過設(shè)置各種工況和故障場景，對風電場接入后的電網(wǎng)性能進行全面的仿真分析。利用仿真實驗可以快速、靈活地改變參數(shù)，研究不同因素對電網(wǎng)性能的影響，為理論分析提供直觀的數(shù)據(jù)支持，同時也為控制策略的優(yōu)化提供實驗平臺。例如，在仿真模型中設(shè)置不同的風速變化曲線，觀察風電場輸出功率的波動情況以及對電網(wǎng)電壓和頻率的影響，通過對比不同控制策略下的仿真結(jié)果，評估控制策略的效果。案例研究：選取具有代表性的實際雙饋型風電場接入電網(wǎng)工程案例，深入調(diào)研其建設(shè)、運行和管理情況。收集現(xiàn)場的實際運行數(shù)據(jù)，包括風電場出力、電網(wǎng)電壓、頻率、電能質(zhì)量等參數(shù)，對案例進行詳細的分析和研究。通過案例研究，將理論研究成果與實際工程應用相結(jié)合，驗證理論分析和仿真結(jié)果的正確性和可行性，同時也為解決實際工程中的問題提供經(jīng)驗借鑒。例如，對某實際風電場接入電網(wǎng)后出現(xiàn)的電壓波動問題進行案例研究，分析其原因，并運用理論知識和仿真手段提出解決方案，通過實際驗證后，為其他類似風電場提供參考。二、雙饋型風電場接入電網(wǎng)的基本原理2.1雙饋型風電機組的結(jié)構(gòu)與工作原理雙饋型風電機組作為雙饋型風電場的核心設(shè)備，其結(jié)構(gòu)與工作原理對于理解風電場接入電網(wǎng)的性能與穩(wěn)定控制至關(guān)重要。雙饋型風電機組主要由風輪、齒輪箱、雙饋感應發(fā)電機（DFIG）、變流器系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)等部分組成，各部分相互協(xié)作，共同實現(xiàn)將風能高效轉(zhuǎn)化為電能并接入電網(wǎng)的功能。風輪是雙饋型風電機組捕獲風能的關(guān)鍵部件，它由輪轂、葉片和罩殼組成。輪轂通常采用鋼或鑄鐵材質(zhì)制成，具備足夠的強度和剛度，用于支撐葉片，并將葉片與傳動系統(tǒng)緊密連接，以承受風荷載和葉片旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心力。葉片則是將風能轉(zhuǎn)化為機械能的核心元件，一般由玻璃鋼或碳纖維等輕質(zhì)、高強度且具有良好空氣動力學性能的材料制成。葉片的形狀、尺寸和材料的選擇，會顯著影響風力發(fā)電機組的效率和性能。例如，采用先進的空氣動力學設(shè)計的葉片，能夠在不同風速條件下更有效地捕獲風能，提高風電機組的發(fā)電效率。罩殼的作用是保護風輪變槳系統(tǒng)免受外界環(huán)境的影響，通常由能夠抵抗風沙、雨雪等惡劣天氣的玻璃鋼或碳纖維制成。當風吹過葉片時，葉片受到氣動力的作用而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動，將風能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)的機械能，并通過輪轂傳遞給主軸。主軸是支撐風輪并使其能夠穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，其設(shè)計需充分考慮高強度、輕量化以及對惡劣天氣的適應性，以確保風電機組在各種復雜條件下都能安全可靠地運行。主軸將風輪的旋轉(zhuǎn)機械能傳遞給齒輪箱。齒輪箱在雙饋型風電機組中起著重要的變速作用，由于風輪的轉(zhuǎn)速相對較低，而雙饋感應發(fā)電機需要在較高的轉(zhuǎn)速下才能高效運行，齒輪箱通過多級齒輪增速，將風輪的低轉(zhuǎn)速提升到適合發(fā)電機運行的高轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)機械能的高效傳遞。雙饋感應發(fā)電機是雙饋型風電機組的核心發(fā)電部件，在結(jié)構(gòu)上與繞線異步電機較為相似。其定子繞組直接連接到工頻電網(wǎng)上，轉(zhuǎn)子繞組則通過雙向背靠背IGBT電壓源變流器與電網(wǎng)連接，這也是雙饋型風電機組被稱為“雙饋”的原因，即定子和轉(zhuǎn)子都可以和電網(wǎng)進行功率交換。電機本體由定子、轉(zhuǎn)子和軸承系統(tǒng)組成，冷卻系統(tǒng)分為水冷、空空冷和空水冷三種結(jié)構(gòu)，以確保發(fā)電機在運行過程中保持適宜的溫度，保證其穩(wěn)定可靠運行。變流器系統(tǒng)是雙饋型風電機組實現(xiàn)變速恒頻控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，由轉(zhuǎn)子側(cè)變流器（RSC）和電網(wǎng)側(cè)變流器（GSC）組成，它們彼此獨立控制。轉(zhuǎn)子側(cè)變流器主要負責控制轉(zhuǎn)子電流分量，從而實現(xiàn)對有功功率和無功功率的精確控制；電網(wǎng)側(cè)變流器則主要用于控制直流母線電壓，并確保變流器運行在統(tǒng)一功率因數(shù)（即零無功功率）。在正常運行和故障期間，發(fā)電機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)由變流器及其控制器進行管理。控制系統(tǒng)是雙饋型風電機組的“大腦”，負責監(jiān)測和調(diào)控風電機組的各個部分，以實現(xiàn)風電機組的高效、穩(wěn)定運行。它通過各種傳感器實時獲取風速、風向、發(fā)電機轉(zhuǎn)速、功率等運行參數(shù)，并根據(jù)預設(shè)的控制策略和算法，對變流器、齒輪箱、偏航系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)等進行精確控制。例如，在風速不穩(wěn)定或者風速波動較大的情況下，控制系統(tǒng)會采用電網(wǎng)跟蹤控制或最大功點跟蹤控制等方法對發(fā)電機的轉(zhuǎn)速進行調(diào)整。電網(wǎng)跟蹤控制通過傳感器實時監(jiān)測電網(wǎng)頻率和電壓變化情況，將這些信息反饋給控制系統(tǒng)，從而實時調(diào)整發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，使發(fā)電機與電網(wǎng)保持同步運行，防止功率流動不穩(wěn)定；最大功點跟蹤控制則通過在轉(zhuǎn)子繞組上串接變頻器，改變轉(zhuǎn)子電流的頻率和相位來調(diào)整轉(zhuǎn)速，使發(fā)電機在不同風速下達到最大發(fā)電效率。雙饋型風電機組的工作原理基于電磁感應定律和交流勵磁技術(shù)。當風輪在風力作用下旋轉(zhuǎn)時，通過主軸和齒輪箱帶動雙饋感應發(fā)電機的轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)。由于定子繞組直接連接到電網(wǎng)，其電壓頻率f_1為電網(wǎng)頻率（通常為50Hz或60Hz）。根據(jù)電機學原理，同步轉(zhuǎn)速n_1與電網(wǎng)頻率f_1及電機極對數(shù)p的關(guān)系為n_1=\frac{60f_1}{p}。在亞同步狀態(tài)下，即發(fā)電機的轉(zhuǎn)速n小于同步轉(zhuǎn)速n_1（n<n_1），通過勵磁變頻器，電網(wǎng)向發(fā)電機的轉(zhuǎn)子提供交流勵磁，補償其轉(zhuǎn)差功率，此時由定子向電網(wǎng)饋出電能。在超同步狀態(tài)下，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速n大于同步轉(zhuǎn)速n_1（n>n_1），通過勵磁變換器，轉(zhuǎn)子回路向電網(wǎng)饋出電能，勵磁變換器的能量方向與亞同步狀態(tài)下相反，同時，定子回路也向電網(wǎng)饋出電能。當發(fā)電機的轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速相等時，即n=n_1，此時可看作普通的同步電機，變流器向轉(zhuǎn)子提供直流勵磁。通過控制轉(zhuǎn)子電流的頻率f_2，可以實現(xiàn)變速恒頻發(fā)電。根據(jù)轉(zhuǎn)差率S=\frac{n_1-n}{n_1}的定義，雙饋電機轉(zhuǎn)子三相繞組內(nèi)通入的電流頻率應為f_2=f_1S。這意味著在異步電機轉(zhuǎn)子以變化的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動時，只要在轉(zhuǎn)子的三相對稱繞組中通入轉(zhuǎn)差頻率（即f_1S）的電流，就能在雙饋電機的定子繞組中產(chǎn)生與電網(wǎng)頻率相同的恒頻電勢，從而實現(xiàn)穩(wěn)定的電能輸出。同時，通過獨立控制轉(zhuǎn)子勵磁電流的幅值、頻率和相位，雙饋型風電機組能夠?qū)崿F(xiàn)有功功率和無功功率的解耦控制，精確地調(diào)節(jié)有功功率和無功功率的輸出，滿足電網(wǎng)對功率因數(shù)的要求，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2.2雙饋型風電場接入電網(wǎng)的方式雙饋型風電場接入電網(wǎng)的方式主要有集中式接入和分散式接入兩種，不同的接入方式在建設(shè)成本、對電網(wǎng)的影響以及適用場景等方面存在顯著差異。集中式接入是指在風能資源豐富的地區(qū)集中建設(shè)大規(guī)模的雙饋型風電場，將多臺風電機組通過集電線路匯集，再經(jīng)過升壓變壓器將電壓升高，最后通過專用的輸電線路接入高壓電網(wǎng)。這種接入方式的優(yōu)勢明顯，風電場可以實現(xiàn)規(guī)?；_發(fā)，充分利用當?shù)刎S富的風能資源，提高風能的利用效率，從而降低發(fā)電成本。集中式接入便于集中管理和維護，通過統(tǒng)一的監(jiān)控系統(tǒng)和專業(yè)的運維團隊，可以及時對風電機組進行監(jiān)測和維護，提高設(shè)備的可靠性和運行效率。以我國酒泉千萬千瓦級風電基地為例，該基地是集中式接入的典型代表。酒泉地區(qū)風能資源極為豐富，風速穩(wěn)定且風能密度高，具備建設(shè)大型風電場的優(yōu)越條件。通過集中式接入方式，在該地區(qū)大規(guī)模建設(shè)雙饋型風電場，將眾多風電機組產(chǎn)生的電能集中匯集，經(jīng)過升壓后接入750kV超高壓電網(wǎng)，實現(xiàn)了風能的高效開發(fā)和遠距離傳輸，為我國能源供應做出了重要貢獻。然而，集中式接入也存在一些弊端。大規(guī)模的風電集中接入，會使風電出力的波動對電網(wǎng)產(chǎn)生較大影響。當風速發(fā)生變化時，風電場輸出功率的大幅波動可能導致電網(wǎng)電壓波動、頻率不穩(wěn)定等問題。集中式接入需要建設(shè)長距離的輸電線路，這不僅增加了輸電成本，還會在輸電過程中產(chǎn)生較大的功率損耗。同時，由于風電出力的隨機性和間歇性，當電網(wǎng)負荷較低時，可能會出現(xiàn)風電消納困難的情況，造成能源浪費。分散式接入則是將雙饋型風電機組分散安裝在靠近負荷中心的地區(qū)，直接接入當?shù)氐闹械蛪号潆娋W(wǎng)。這種接入方式的主要優(yōu)點是能夠?qū)崿F(xiàn)就地消納，減少了輸電環(huán)節(jié)的損耗和成本，提高了能源利用效率。分散式接入還可以緩解電網(wǎng)的輸電壓力，降低對長距離輸電線路的依賴。例如，在一些工業(yè)園區(qū)或偏遠地區(qū)，當?shù)刎摵上鄬^小，但風能資源具備一定開發(fā)價值，采用分散式接入方式，將小型雙饋型風電場接入當?shù)嘏潆娋W(wǎng)，既能滿足當?shù)氐碾娏π枨?，又能充分利用當?shù)氐娘L能資源，減少對外部電網(wǎng)的依賴。但分散式接入也面臨一些挑戰(zhàn)。由于接入的是中低壓配電網(wǎng)，電網(wǎng)的容量和穩(wěn)定性相對較弱，對風電機組的控制和調(diào)節(jié)能力要求較高。分散式接入的風電場規(guī)模相對較小，難以實現(xiàn)大規(guī)模的風能開發(fā)和利用，發(fā)電成本相對較高。此外，分散式接入的風電場分布較為分散，增加了管理和維護的難度，需要建立更加完善的監(jiān)測和運維體系。2.3雙饋型風電場接入電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)要點雙饋型風電場接入電網(wǎng)涉及多種關(guān)鍵技術(shù)，這些技術(shù)對于保障風電場的穩(wěn)定運行以及電網(wǎng)的安全可靠起著至關(guān)重要的作用，主要包括雙饋變流器控制技術(shù)、無功功率補償技術(shù)、低電壓穿越技術(shù)等。雙饋變流器作為雙饋型風電機組的核心部件之一，其控制技術(shù)直接影響著風電機組的性能和電網(wǎng)的穩(wěn)定性。雙饋變流器由轉(zhuǎn)子側(cè)變流器（RSC）和電網(wǎng)側(cè)變流器（GSC）組成。轉(zhuǎn)子側(cè)變流器主要負責控制轉(zhuǎn)子電流分量，實現(xiàn)對有功功率和無功功率的精確解耦控制。通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流的幅值、頻率和相位，可使風電機組在不同風速下保持最佳的運行效率，實現(xiàn)最大功率跟蹤（MPPT）。例如，當風速變化時，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器能夠快速調(diào)整轉(zhuǎn)子電流，使發(fā)電機轉(zhuǎn)速隨之變化，從而保持風電機組的最佳葉尖速比，最大限度地捕獲風能。電網(wǎng)側(cè)變流器則主要用于維持直流母線電壓的穩(wěn)定，并確保變流器運行在統(tǒng)一功率因數(shù)。在電網(wǎng)電壓波動或負載變化時，電網(wǎng)側(cè)變流器能夠迅速響應，通過控制直流母線電壓，保證變流器輸出的電能質(zhì)量，實現(xiàn)與電網(wǎng)的穩(wěn)定連接。矢量控制是雙饋變流器常用的控制策略之一，它基于坐標變換，將三相靜止坐標系下的交流量變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標系下，實現(xiàn)對有功功率和無功功率的獨立控制。在矢量控制中，通過對轉(zhuǎn)子電流的d軸和q軸分量進行精確控制，可使風電機組的有功功率和無功功率分別與d軸電流和q軸電流成正比，從而實現(xiàn)對功率的快速、準確調(diào)節(jié)。以某雙饋型風電場為例，采用矢量控制技術(shù)后，風電機組的有功功率跟蹤誤差明顯減小，無功功率補償效果顯著提升，有效改善了電網(wǎng)的電能質(zhì)量。直接功率控制（DPC）也是一種重要的雙饋變流器控制方法，它直接對有功功率和無功功率進行控制，無需復雜的坐標變換和電流控制環(huán)。DPC通過對電壓矢量的選擇和切換，快速調(diào)節(jié)有功功率和無功功率，具有響應速度快、控制結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。在實際應用中，DPC能夠快速跟蹤電網(wǎng)功率需求的變化，提高風電場的動態(tài)響應性能。例如，當電網(wǎng)出現(xiàn)功率缺額時，采用直接功率控制的雙饋變流器能夠迅速增加有功功率輸出，彌補電網(wǎng)功率不足，維持電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。無功功率補償技術(shù)對于提高電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性和電能質(zhì)量具有重要意義。雙饋型風電機組雖然具有一定的無功調(diào)節(jié)能力，但當風電場規(guī)模較大或電網(wǎng)運行條件復雜時，僅依靠風電機組自身的無功調(diào)節(jié)往往難以滿足電網(wǎng)的需求。因此，需要采用額外的無功功率補償裝置，如靜止無功補償器（SVC）、靜止同步補償器（STATCOM）等。靜止無功補償器是一種常用的無功補償設(shè)備，它通過控制晶閘管的導通角，調(diào)節(jié)接入電網(wǎng)的電抗器和電容器的容量，實現(xiàn)對無功功率的快速補償。SVC具有響應速度較快、成本較低等優(yōu)點，能夠有效地改善電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性。在某風電場接入電網(wǎng)的工程中，安裝SVC后，電網(wǎng)電壓波動明顯減小，電壓合格率得到顯著提高。然而，SVC也存在一些局限性，如補償精度有限、諧波污染較大等。靜止同步補償器則是一種基于電壓源型變流器（VSC）的新型無功補償裝置，它能夠快速、精確地補償無功功率，并且具有良好的諧波抑制能力。STATCOM通過控制變流器的輸出電壓和電流，實現(xiàn)對無功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)，可在電網(wǎng)電壓波動、負荷變化等情況下，保持電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定。例如，在一些對電能質(zhì)量要求較高的地區(qū)，采用STATCOM作為無功補償裝置，能夠有效提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量，保障電力設(shè)備的正常運行。與SVC相比，STATCOM具有響應速度更快、補償精度更高、占地面積小等優(yōu)勢，但成本相對較高。低電壓穿越技術(shù)是雙饋型風電場接入電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，它要求風電機組在電網(wǎng)電壓跌落時能夠保持不脫網(wǎng)運行，并向電網(wǎng)提供一定的無功功率支持，幫助電網(wǎng)恢復電壓。當電網(wǎng)發(fā)生故障導致電壓跌落時，雙饋型風電機組的定子電壓也會隨之下降，此時如果不采取有效的控制措施，風電機組可能會因過電流、過電壓等問題而與電網(wǎng)解列，對電網(wǎng)的穩(wěn)定性造成嚴重影響。為實現(xiàn)低電壓穿越功能，雙饋型風電機組通常采用撬棒（Crowbar）電路和改進的控制策略。撬棒電路是一種保護電路，當檢測到電網(wǎng)電壓跌落時，撬棒電路迅速動作，將轉(zhuǎn)子繞組短接，限制轉(zhuǎn)子電流的急劇增加，保護變流器不受損壞。在撬棒電路投入期間，風電機組轉(zhuǎn)變?yōu)槠胀ǖ漠惒桨l(fā)電機運行，從電網(wǎng)吸收無功功率。為了減少對電網(wǎng)的影響，需要在電壓跌落期間對風電機組的控制策略進行優(yōu)化，如采用基于虛擬磁鏈定向的矢量控制策略，在低電壓情況下實現(xiàn)對有功功率和無功功率的有效控制，使風電機組能夠向電網(wǎng)提供無功支持，幫助電網(wǎng)恢復電壓。此外，還可以通過增加儲能裝置來提高雙饋型風電機組的低電壓穿越能力。儲能裝置在電網(wǎng)電壓正常時儲存能量，當電壓跌落時釋放能量，為風電機組提供額外的功率支持，維持風電機組的穩(wěn)定運行。在某雙饋型風電場中，配置儲能裝置后，風電機組在電網(wǎng)電壓跌落時的脫網(wǎng)風險顯著降低，并且能夠快速向電網(wǎng)提供無功功率，有效改善了電網(wǎng)的電壓恢復特性。三、大規(guī)模雙饋型風電場接入電網(wǎng)的性能分析3.1對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響3.1.1電壓波動與閃變大規(guī)模雙饋型風電場接入電網(wǎng)后，對電網(wǎng)電能質(zhì)量產(chǎn)生的顯著影響之一便是電壓波動與閃變。風電場出力的波動是導致這一問題的根本原因，而風電場出力波動主要源于風速的隨機性和間歇性。風速作為影響風電場出力的關(guān)鍵因素，其變化極為復雜且難以準確預測。當風速發(fā)生變化時，風電機組的輸出功率會隨之改變，這是因為風電機組的機械功率與風速的三次方近似呈正比關(guān)系，即P=\frac{1}{2}\rhoAv^3C_p(\lambda,\beta)，其中P為風電機組輸出功率，\rho為空氣密度，A為葉片掃風面積，v為風速，C_p為風能利用系數(shù)，它是葉尖速比\lambda和槳距角\beta的函數(shù)。從這一公式可以明顯看出，風速的微小變化都可能導致風電機組輸出功率的大幅波動。例如，當風速突然增大時，風電機組捕獲的風能迅速增加，輸出功率也會急劇上升；反之，當風速突然減小時，輸出功率則會大幅下降。這種因風速變化引起的風電場出力波動，會直接導致電網(wǎng)電壓的波動。風電場的運行特性也會對出力波動產(chǎn)生影響。在風電機組持續(xù)運行過程中，受塔影效應、偏航誤差和風剪切等因素的作用，風電機組在葉輪旋轉(zhuǎn)一周的過程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定，進而造成風電機組輸出功率的波動。塔影效應是指風電機組塔筒對空氣流動的阻礙作用，當葉片經(jīng)過塔筒時，受到塔筒的遮擋，風速會發(fā)生變化，導致葉片所受的氣動力改變，從而使產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩減小。偏航誤差則是指風電機組的偏航系統(tǒng)未能準確跟蹤風向變化，使得風輪不能正對來風方向，導致風能捕獲效率降低，輸出功率波動。風剪切是由于大氣邊界層中垂直風速梯度的存在，使得風輪不同部位所受的風速不同，引起轉(zhuǎn)矩波動。這些因素產(chǎn)生的波動隨湍流強度的增加而增加，進一步加劇了風電場出力的不穩(wěn)定性。風電場出力波動引發(fā)電壓波動和閃變的原理如下：在電網(wǎng)中，電壓降落主要由有功電流和無功電流引起。當風電場輸出功率波動時，有功電流和無功電流隨之變化，從而導致電網(wǎng)電壓波動。以一個簡單的單條輸電線路連接風電場和電網(wǎng)的模型為例，設(shè)線路電阻為R，電抗為X，風電場輸出的有功功率為P，無功功率為Q，根據(jù)電壓降落公式\DeltaU=\frac{PR+QX}{U}（其中U為線路額定電壓），可以清晰地看出，當P和Q發(fā)生波動時，\DeltaU也會相應改變，即電網(wǎng)電壓會發(fā)生波動。而閃變則主要是由于電壓波動在電氣照明設(shè)備上產(chǎn)生的視覺效應，表現(xiàn)為燈光照度不穩(wěn)定造成的視覺感受。人對照度波動的最大覺察頻率范圍為0.05-35Hz，其中閃變敏感的頻率范圍約為6-12Hz。當風電場出力波動引起的電壓波動頻率在這一敏感范圍內(nèi)時，就容易產(chǎn)生明顯的閃變現(xiàn)象。以我國某大規(guī)模雙饋型風電場為例，該風電場裝機容量為500MW，接入當?shù)?20kV電網(wǎng)。在實際運行過程中，當風速在短時間內(nèi)從8m/s快速變化到12m/s時，風電場輸出功率從200MW迅速增加到350MW。通過監(jiān)測電網(wǎng)電壓數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，電網(wǎng)電壓在這一過程中出現(xiàn)了明顯的波動，電壓幅值從額定值的100\%下降到95\%，隨后又快速上升到103\%，波動范圍超出了國標規(guī)定的允許范圍。同時，由于電壓波動頻率在閃變敏感范圍內(nèi)，附近居民反映家中燈光出現(xiàn)明顯的閃爍現(xiàn)象，嚴重影響了用戶的用電體驗。電壓波動和閃變對電網(wǎng)和用戶設(shè)備都具有嚴重的影響。對于電網(wǎng)而言，頻繁的電壓波動會使電氣設(shè)備的絕緣性能下降，縮短設(shè)備使用壽命。長期處于電壓波動環(huán)境下的變壓器，其繞組絕緣會因頻繁的電應力變化而逐漸老化，增加故障發(fā)生的概率。電壓波動還可能導致電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量下降，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性。當電壓波動過大時，可能引發(fā)電網(wǎng)的電壓崩潰事故，嚴重威脅電力系統(tǒng)的安全運行。對于用戶設(shè)備來說，電壓波動和閃變會影響設(shè)備的正常工作。例如，對于一些對電壓穩(wěn)定性要求較高的精密儀器和電子設(shè)備，電壓波動和閃變可能導致其測量精度下降、工作異常甚至損壞。在工業(yè)生產(chǎn)中，電壓波動和閃變可能影響自動化生產(chǎn)線的正常運行，導致產(chǎn)品質(zhì)量下降，生產(chǎn)效率降低。3.1.2諧波污染大規(guī)模雙饋型風電場接入電網(wǎng)后，除了會引發(fā)電壓波動與閃變問題外，還會帶來諧波污染，對電網(wǎng)的電能質(zhì)量造成嚴重影響。雙饋型風電場中的諧波主要來源于雙饋變流器等設(shè)備，其產(chǎn)生的原因和特性較為復雜。雙饋變流器是雙饋型風電機組實現(xiàn)變速恒頻控制的關(guān)鍵部件，由轉(zhuǎn)子側(cè)變流器（RSC）和電網(wǎng)側(cè)變流器（GSC）組成。在變流器的工作過程中，由于電力電子器件的開關(guān)動作，會使電流和電壓的波形發(fā)生畸變，從而產(chǎn)生諧波。以絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）為例，它在開通和關(guān)斷瞬間，電流和電壓的變化率極高，會導致電流和電壓波形偏離理想的正弦波，產(chǎn)生大量的諧波成分。這些諧波成分的頻率通常為基波頻率的整數(shù)倍或非整數(shù)倍，形成了復雜的諧波頻譜。從數(shù)學原理上分析，假設(shè)變流器輸出的理想正弦電壓為u(t)=U_m\sin(\omegat)，當存在電力電子器件的開關(guān)動作時，實際輸出電壓u'(t)可表示為u'(t)=U_m\sin(\omegat)+\sum_{n=2}^{\infty}U_{mn}\sin(n\omegat+\varphi_n)，其中U_{mn}為第n次諧波的幅值，\varphi_n為第n次諧波的相位。這表明實際輸出電壓中除了基波分量外，還包含了一系列的諧波分量，這些諧波分量的存在使得電壓波形發(fā)生畸變。雙饋變流器產(chǎn)生的諧波具有一定的特性。在諧波頻率分布方面，主要以低次諧波為主，如5次、7次、11次、13次等諧波含量相對較高。這些低次諧波在電網(wǎng)中傳播時，會與電網(wǎng)中的電感、電容等元件相互作用，引發(fā)諧振現(xiàn)象，進一步放大諧波的影響。諧波的幅值與變流器的控制策略、運行工況以及負載特性等因素密切相關(guān)。當變流器采用不同的調(diào)制方式時，諧波的幅值和分布會有所不同。例如，采用正弦脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)時，諧波主要集中在載波頻率及其附近的邊頻帶；而采用空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）技術(shù)時，諧波分布相對較為均勻，且總諧波畸變率（THD）相對較低。在風電機組不同的運行工況下，如不同的風速、有功功率和無功功率輸出時，變流器產(chǎn)生的諧波幅值也會發(fā)生變化。當風電機組處于低風速運行狀態(tài)時，變流器的調(diào)制比相對較低，諧波幅值可能會相對較高。諧波污染對電網(wǎng)設(shè)備壽命和繼電保護裝置等會產(chǎn)生諸多危害。對于電網(wǎng)設(shè)備而言，諧波電流會導致設(shè)備的額外損耗增加，從而縮短設(shè)備的使用壽命。以變壓器為例，諧波電流會使變壓器的鐵芯損耗和繞組銅損增加，導致變壓器溫度升高。根據(jù)焦耳定律Q=I^2Rt，諧波電流I的增加會使損耗Q大幅上升。長期處于高溫運行狀態(tài)下的變壓器，其絕緣材料會加速老化，降低絕緣性能，增加故障發(fā)生的風險。諧波還會影響變壓器的正常運行，導致其噪聲增大、振動加劇。對于電動機來說，諧波會使電動機的效率降低，轉(zhuǎn)矩脈動增大。諧波電流在電動機繞組中產(chǎn)生的額外損耗會使電動機發(fā)熱，降低其運行效率。同時，諧波產(chǎn)生的脈動轉(zhuǎn)矩會使電動機產(chǎn)生振動和噪聲，影響其正常工作，嚴重時甚至可能導致電動機損壞。諧波對繼電保護裝置的正常運行也會產(chǎn)生干擾，可能導致保護裝置誤動作或拒動作。傳統(tǒng)的繼電保護裝置通常是基于基波分量進行設(shè)計和整定的，當電網(wǎng)中存在諧波時，諧波會影響保護裝置的測量精度和動作特性。例如，諧波會使電流互感器和電壓互感器的測量誤差增大，導致保護裝置接收到的電流、電壓信號失真。如果諧波含量過高，可能會使保護裝置誤判故障，從而發(fā)出錯誤的跳閘信號，導致不必要的停電事故；另一方面，諧波也可能使保護裝置對真正的故障信號不敏感，出現(xiàn)拒動作的情況，無法及時切除故障，擴大事故范圍。在某實際雙饋型風電場中，通過對電網(wǎng)諧波的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，在風電場滿負荷運行時，電網(wǎng)中5次諧波含量達到了基波的8%，7次諧波含量達到了基波的6%。由于諧波含量超標，該風電場附近的一臺變壓器出現(xiàn)了油溫過高的現(xiàn)象，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)是諧波電流導致的額外損耗增加所致。同時，該風電場的繼電保護裝置也出現(xiàn)了幾次誤動作，給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行帶來了嚴重威脅。3.2對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響3.2.1電壓穩(wěn)定性大規(guī)模雙饋型風電場接入電網(wǎng)后，對電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的影響是一個復雜且關(guān)鍵的問題，涉及多個方面的因素和作用機制。以某實際電網(wǎng)為例，該電網(wǎng)為一個省級電網(wǎng)，總裝機容量為50000MW，其中火電占比70%，水電占比20%，風電占比10%，雙饋型風電場總裝機容量為5000MW，通過220kV和500kV輸電線路接入電網(wǎng)。從理論角度來看，當風電場接入電網(wǎng)后，其輸出功率的變化會直接影響電網(wǎng)的潮流分布，進而對電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。根據(jù)電力系統(tǒng)分析理論，電網(wǎng)中的電壓降落主要由有功功率和無功功率的傳輸引起。在該省級電網(wǎng)中，風電場接入后，由于風電場輸出功率的隨機性和間歇性，導致電網(wǎng)中的有功功率和無功功率分布發(fā)生變化。當風電場輸出功率增加時，電網(wǎng)中的有功功率潮流增大，可能導致輸電線路上的電壓降落增大，從而使電網(wǎng)節(jié)點電壓降低；反之，當風電場輸出功率減少時，可能會引起節(jié)點電壓升高。風電場的無功功率特性對電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性有著重要影響。雙饋型風電機組雖然具有一定的無功調(diào)節(jié)能力，但在某些情況下，可能無法滿足電網(wǎng)對無功功率的需求。在風速較低時，風電機組為了保持運行，可能需要從電網(wǎng)吸收無功功率，這會導致電網(wǎng)無功功率缺額增加，電壓下降。當電網(wǎng)中無功功率不足時，電壓穩(wěn)定性會受到嚴重威脅，可能引發(fā)電壓崩潰等事故。例如，在該省級電網(wǎng)中，曾發(fā)生過一次因風電場在低風速時段大量吸收無功功率，導致局部電網(wǎng)電壓急劇下降，雖然后期通過緊急投入無功補償裝置，才避免了電壓崩潰事故的發(fā)生，但也對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行造成了極大的沖擊。電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)也是影響電壓穩(wěn)定性的重要因素。在該省級電網(wǎng)中，部分地區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)相對薄弱，輸電線路較長，線路電阻和電抗較大。當風電場接入這些地區(qū)的電網(wǎng)時，由于線路的電壓降落較大，風電場輸出功率的波動對電壓穩(wěn)定性的影響更為顯著。根據(jù)電網(wǎng)潮流計算和電壓穩(wěn)定性分析方法，通過建立電網(wǎng)的數(shù)學模型，利用牛頓-拉夫遜法等算法進行潮流計算，可以得到電網(wǎng)各節(jié)點的電壓幅值和相角。當風電場接入后，改變電網(wǎng)的功率注入，重新進行潮流計算，對比接入前后節(jié)點電壓的變化情況，能夠直觀地看出風電場對電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的影響。風電場接入電網(wǎng)的位置也至關(guān)重要。如果風電場接入電網(wǎng)的薄弱節(jié)點，或者靠近負荷中心，其輸出功率的波動對電壓穩(wěn)定性的影響會更加明顯。在該省級電網(wǎng)中，有一個風電場接入了靠近負荷中心的220kV變電站，由于該變電站周邊電網(wǎng)負荷較重，且無功補償能力有限，當風電場輸出功率波動時，該變電站母線電壓波動較大，嚴重影響了周邊用戶的用電質(zhì)量和電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性。通過采用短路比（SCR）等指標來評估風電場接入位置對電壓穩(wěn)定性的影響，短路比定義為系統(tǒng)短路容量與風電場額定容量之比。短路比越大，說明風電場接入點的電網(wǎng)強度越強，對電壓穩(wěn)定性的影響相對較??；反之，短路比越小，風電場接入對電壓穩(wěn)定性的影響越大。為了提高電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性，針對雙饋型風電場接入后的情況，可以采取多種措施?？梢詢?yōu)化風電場的無功功率控制策略，使風電機組能夠根據(jù)電網(wǎng)電壓的變化實時調(diào)整無功功率輸出，以維持電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定。在該省級電網(wǎng)的部分風電場中，采用了基于電壓偏差的無功功率控制策略，當檢測到電網(wǎng)電壓低于設(shè)定值時，風電機組自動增加無功功率輸出，反之則減少無功功率輸出，取得了較好的效果。也可以配置靜止無功補償器（SVC）、靜止同步補償器（STATCOM）等無功補償裝置，快速補償電網(wǎng)的無功功率缺額，增強電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性。在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱地區(qū)，通過加強電網(wǎng)建設(shè)，提高電網(wǎng)的輸電能力和抗干擾能力，也能夠有效提升電壓穩(wěn)定性。3.2.2頻率穩(wěn)定性大規(guī)模雙饋型風電場接入電網(wǎng)后，對電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性的影響是一個復雜且關(guān)鍵的問題，其出力變化與電網(wǎng)頻率之間存在著緊密的聯(lián)系，同時在維持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定方面既發(fā)揮著一定作用，也面臨諸多挑戰(zhàn)。從理論上來說，電網(wǎng)的頻率主要取決于有功功率的平衡。當電網(wǎng)中的有功功率發(fā)電與負荷消耗相等時，電網(wǎng)頻率保持穩(wěn)定；而當有功功率發(fā)電與負荷消耗不匹配時，電網(wǎng)頻率就會發(fā)生變化。雙饋型風電場的出力具有隨機性和間歇性，這使得其輸出的有功功率難以精確預測和穩(wěn)定控制。當風速發(fā)生變化時，風電機組的輸出功率會隨之改變。在某一時刻，風速突然增大，風電機組捕獲的風能增加，輸出有功功率迅速上升；而在另一時刻，風速驟減，風電機組輸出有功功率則大幅下降。這種出力的快速變化會打破電網(wǎng)原有的有功功率平衡，從而導致電網(wǎng)頻率波動。以我國某區(qū)域電網(wǎng)為例，該電網(wǎng)總裝機容量為80000MW，其中雙饋型風電場裝機容量為10000MW，占比12.5%。在實際運行過程中，通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，當風電場出力在短時間內(nèi)發(fā)生較大變化時，電網(wǎng)頻率會出現(xiàn)明顯波動。在一次強風天氣過程中，該區(qū)域風電場出力在1小時內(nèi)從3000MW快速增加到6000MW，與此同時，電網(wǎng)頻率從額定的50Hz上升到50.2Hz。隨后，由于風速逐漸減小，風電場出力又在2小時內(nèi)從6000MW降至2000MW，電網(wǎng)頻率也隨之下降到49.8Hz。這表明風電場出力的大幅波動會直接引起電網(wǎng)頻率的顯著變化，對電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性構(gòu)成嚴重威脅。在維持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定方面，雙饋型風電場可以發(fā)揮一定的作用。部分雙饋型風電機組具備一定的頻率調(diào)節(jié)能力，通過調(diào)整風電機組的槳距角或控制變流器的運行方式，能夠在一定程度上響應電網(wǎng)頻率的變化，參與電網(wǎng)的一次調(diào)頻。當電網(wǎng)頻率下降時，風電機組可以通過增大槳距角，減少風能捕獲，降低輸出有功功率，從而減輕電網(wǎng)的功率缺額，抑制頻率進一步下降；反之，當電網(wǎng)頻率上升時，風電機組可以減小槳距角，增加輸出有功功率，平衡電網(wǎng)的功率過剩，穩(wěn)定電網(wǎng)頻率。然而，雙饋型風電場在維持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定方面也面臨著諸多挑戰(zhàn)。風電場的出力主要取決于風速，而風速的變化具有不確定性，這使得風電場難以按照電網(wǎng)的需求精確調(diào)整出力，實現(xiàn)有效的頻率控制。當風速快速變化時，風電機組的響應速度往往無法跟上風速的變化，導致其對電網(wǎng)頻率的調(diào)節(jié)效果不佳。在某些極端情況下，如強風突變或陣風沖擊時，風電場出力可能會在短時間內(nèi)發(fā)生劇烈變化，超出風電機組自身的調(diào)節(jié)能力范圍，從而對電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性造成更大的沖擊。風電場的規(guī)模和布局也會影響其對電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的作用。大規(guī)模風電場集中接入電網(wǎng)時，其出力的波動對電網(wǎng)頻率的影響更為顯著，可能會超出電網(wǎng)的頻率調(diào)節(jié)能力。如果多個風電場之間的出力變化存在相關(guān)性，同時發(fā)生出力大幅波動，會進一步加劇電網(wǎng)頻率的不穩(wěn)定。風電場與電網(wǎng)之間的通信和協(xié)調(diào)控制也存在一定困難，這可能導致風電場在響應電網(wǎng)頻率變化時出現(xiàn)延遲或誤動作，影響頻率控制的效果。為了應對這些挑戰(zhàn)，提高電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性，可以采取一系列措施?？梢约訌妼︼L電場的功率預測，通過采用先進的數(shù)值天氣預報技術(shù)和機器學習算法，結(jié)合風電場的歷史運行數(shù)據(jù)，提高對風電場出力的預測精度，為電網(wǎng)調(diào)度提供更準確的信息，以便提前做好頻率調(diào)整的準備。也可以優(yōu)化風電場的控制策略，提高風電機組的響應速度和調(diào)節(jié)精度，增強其對電網(wǎng)頻率變化的適應能力。例如，采用智能控制算法，根據(jù)電網(wǎng)頻率變化和風速情況，實時優(yōu)化風電機組的槳距角和變流器控制參數(shù)，實現(xiàn)更高效的頻率調(diào)節(jié)。還可以通過建立風電場與電網(wǎng)之間的快速通信和協(xié)調(diào)控制機制，確保風電場能夠及時準確地響應電網(wǎng)的頻率調(diào)節(jié)指令，實現(xiàn)風電場與電網(wǎng)的協(xié)同運行，共同維持電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定。3.3對電網(wǎng)繼電保護的影響3.3.1故障電流特性雙饋型風電場在不同故障情況下的短路電流特性與傳統(tǒng)電源存在顯著差異，深入了解這些特性對于保障電網(wǎng)繼電保護的可靠運行至關(guān)重要。在正常運行時，雙饋型風電機組通過變流器實現(xiàn)對有功功率和無功功率的精確控制，其運行狀態(tài)相對穩(wěn)定。當電網(wǎng)發(fā)生故障時，如三相短路、兩相短路、單相接地短路等，雙饋型風電場的短路電流特性會發(fā)生復雜變化。以三相短路故障為例，在故障瞬間，雙饋型風電機組的定子和轉(zhuǎn)子電流會迅速增大。由于雙饋型風電機組的轉(zhuǎn)子通過變流器與電網(wǎng)相連，其短路電流不僅包含基頻分量，還含有多種頻率的非周期分量和諧波分量。從數(shù)學模型角度分析，基于雙饋感應發(fā)電機在dq坐標系下的動態(tài)方程，當發(fā)生三相短路故障時，定子電流的暫態(tài)分量可以表示為多個指數(shù)衰減分量和正弦分量的疊加。這些分量的幅值和衰減時間常數(shù)與發(fā)電機的參數(shù)、短路前的運行狀態(tài)以及故障類型等因素密切相關(guān)。在某一特定的雙饋型風電場中，當發(fā)生三相短路故障時，通過仿真計算得到短路電流的表達式為：i_{sabc}(t)=I_{s0}+I_{s1}e^{-\frac{t}{\tau_{s1}}}\cos(\omegat+\varphi_{s1})+I_{s2}e^{-\frac{t}{\tau_{s2}}}\cos(2\omegat+\varphi_{s2})+\cdots，其中i_{sabc}(t)為定子三相電流，I_{s0}為直流分量，I_{s1}、I_{s2}等為各次諧波分量的幅值，\tau_{s1}、\tau_{s2}等為相應的衰減時間常數(shù)，\omega為電網(wǎng)角頻率，\varphi_{s1}、\varphi_{s2}等為各次諧波分量的初相位。與傳統(tǒng)同步發(fā)電機的短路電流相比，雙饋型風電場的短路電流具有以下特點：幅值特性：雙饋型風電場的短路電流幅值并非固定不變，而是受到多種因素的影響。在某些情況下，其短路電流幅值可能小于傳統(tǒng)同步發(fā)電機的短路電流幅值。當風電機組處于低風速運行狀態(tài)時，由于其輸出功率較低，短路時提供的短路電流也相對較小。風電機組的控制策略和變流器的性能也會對短路電流幅值產(chǎn)生影響。采用不同的控制算法或變流器參數(shù)設(shè)置，短路電流幅值會有所不同。在某實際風電場中，當風電機組采用最大功率跟蹤控制策略時，在低風速下發(fā)生短路故障，其短路電流幅值僅為額定電流的2倍左右，而相同容量的傳統(tǒng)同步發(fā)電機在類似故障情況下，短路電流幅值可達額定電流的5-6倍。頻率特性：雙饋型風電場短路電流中含有豐富的非周期分量和多種頻率的諧波分量，這與傳統(tǒng)同步發(fā)電機短路電流主要以基頻分量為主有很大區(qū)別。這些非周期分量和諧波分量的存在，會使短路電流的波形發(fā)生嚴重畸變。在某雙饋型風電場的仿真研究中，當發(fā)生兩相短路故障時，通過頻譜分析發(fā)現(xiàn)，短路電流中除了基頻分量外，還存在5次、7次、11次等諧波分量，且各次諧波分量的幅值隨時間變化。這些諧波分量會對繼電保護裝置的測量精度和動作特性產(chǎn)生干擾，增加了保護裝置正確動作的難度。衰減特性：雙饋型風電場短路電流中的非周期分量和部分諧波分量具有衰減特性，其衰減速度與發(fā)電機的參數(shù)、短路前的運行狀態(tài)以及故障類型等因素有關(guān)。在某些情況下，非周期分量的衰減時間常數(shù)較大，可能導致短路電流在較長時間內(nèi)保持較高幅值。在某風電場的實際故障案例中，由于短路前風電機組處于高負荷運行狀態(tài)，短路后非周期分量的衰減時間常數(shù)達到了0.5s，使得短路電流在0.5s內(nèi)一直維持在較高水平，對電網(wǎng)設(shè)備造成了較大沖擊。在不同故障類型下，雙饋型風電場的短路電流特性也有所不同。在單相接地短路故障中，短路電流的大小和相位與故障點的位置、過渡電阻以及風電場的接線方式等因素密切相關(guān)。在某雙饋型風電場采用Y-Y接線方式接入電網(wǎng)時，當發(fā)生單相接地短路故障且故障點靠近風電場側(cè)時，短路電流中會出現(xiàn)較大的零序電流分量，且零序電流的幅值和相位會隨著過渡電阻的變化而變化。通過對該風電場的實際運行數(shù)據(jù)監(jiān)測和分析，發(fā)現(xiàn)當過渡電阻為10Ω時，零序電流幅值為額定電流的1.5倍；當過渡電阻增大到50Ω時，零序電流幅值降至額定電流的0.8倍。3.3.2對繼電保護裝置的影響大規(guī)模雙饋型風電場接入電網(wǎng)后，對距離保護、電流保護、差動保護等繼電保護裝置的正常運行產(chǎn)生了多方面的影響，可能導致保護裝置出現(xiàn)誤動作、拒動作等問題，嚴重威脅電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。對于距離保護裝置，其工作原理是基于測量故障點到保護安裝處的阻抗來判斷故障位置，并根據(jù)預設(shè)的動作阻抗值來決定是否動作。在傳統(tǒng)電網(wǎng)中，故障電流主要由同步發(fā)電機提供，其幅值和相位相對穩(wěn)定，距離保護裝置能夠較為準確地測量故障阻抗。當雙饋型風電場接入后，由于其短路電流特性的復雜性，使得距離保護裝置的測量阻抗受到干擾，可能導致保護誤動作或拒動作。雙饋型風電場短路電流中含有的非周期分量和諧波分量會使電流互感器和電壓互感器的測量誤差增大，從而影響距離保護裝置對故障阻抗的準確測量。在某實際電網(wǎng)中，當雙饋型風電場附近發(fā)生短路故障時，由于短路電流中的諧波分量導致電壓互感器的測量誤差達到了10%，使得距離保護裝置測量的故障阻抗與實際值偏差較大，從而誤判故障位置，導致保護裝置誤動作，切除了正常運行的線路。風電場的接入位置和運行狀態(tài)也會對距離保護產(chǎn)生影響。如果風電場接入在距離保護的保護范圍內(nèi)，且風電場的出力發(fā)生變化時，會改變電網(wǎng)的潮流分布，進而影響距離保護裝置的測量阻抗。在某電網(wǎng)中，當風電場出力增加時，電網(wǎng)潮流發(fā)生改變，導致距離保護裝置測量的阻抗值減小，當減小到動作阻抗值以下時，保護裝置誤動作，切除了本不該切除的線路。為了解決這些問題，可以采用自適應距離保護算法，根據(jù)電網(wǎng)實時運行狀態(tài)和雙饋型風電場的出力情況，動態(tài)調(diào)整保護裝置的動作特性，提高保護的準確性和可靠性。電流保護是電網(wǎng)中常用的繼電保護方式之一，它通過比較故障電流與預設(shè)的動作電流來實現(xiàn)保護功能。在傳統(tǒng)電網(wǎng)中，電流保護裝置的整定計算相對簡單，能夠有效地保護電網(wǎng)設(shè)備。雙饋型風電場接入后，其短路電流特性的變化給電流保護帶來了諸多挑戰(zhàn)。由于雙饋型風電場短路電流幅值的不確定性，可能導致電流保護裝置的動作電流整定困難。如果動作電流整定過大，可能會導致保護裝置在故障時拒動作；如果動作電流整定過小，又可能會在正常運行時誤動作。在某風電場接入電網(wǎng)后，由于對風電場短路電流幅值估計不足，將電流保護的動作電流整定得過小，導致在一次正常的負荷波動中，保護裝置誤動作，造成了不必要的停電事故。雙饋型風電場短路電流中的非周期分量和諧波分量也會影響電流保護裝置的動作特性。這些分量可能會使電流保護裝置的測量元件誤判電流大小，從而導致保護裝置誤動作或拒動作。在某雙饋型風電場的實際運行中，由于短路電流中的非周期分量較大，使得電流保護裝置的電磁式電流繼電器在故障時未能及時動作，延誤了故障切除時間，擴大了事故范圍。為了應對這些問題，可以采用濾波技術(shù)，對短路電流中的非周期分量和諧波分量進行濾除，提高電流保護裝置的測量精度和動作可靠性。也可以采用基于微處理器的數(shù)字式電流保護裝置，利用其強大的計算和邏輯判斷能力，對復雜的短路電流進行準確分析和判斷，實現(xiàn)更可靠的保護功能。差動保護是一種基于比較被保護設(shè)備各側(cè)電流大小和相位的保護方式，常用于變壓器、母線等重要設(shè)備的保護。在傳統(tǒng)電網(wǎng)中，差動保護能夠快速、準確地切除故障設(shè)備，保障電網(wǎng)的安全運行。雙饋型風電場接入后，對差動保護裝置的影響主要體現(xiàn)在不平衡電流的增大。雙饋型風電場的短路電流特性與傳統(tǒng)電源不同，其各側(cè)電流的大小和相位關(guān)系更為復雜，容易導致差動保護裝置產(chǎn)生較大的不平衡電流。在某含雙饋型風電場的電網(wǎng)中，當風電場發(fā)生故障時，由于風電場各側(cè)電流的非周期分量和諧波分量不同，使得變壓器差動保護裝置的不平衡電流增大到正常運行時的5倍，超出了保護裝置的動作門檻，導致保護裝置誤動作，切除了正常運行的變壓器。風電場的運行工況變化，如風速變化導致風電機組出力波動，也會引起差動保護裝置的不平衡電流變化。在某風電場中，當風速快速變化時，風電機組的出力在短時間內(nèi)發(fā)生大幅波動，使得連接風電場與電網(wǎng)的母線差動保護裝置的不平衡電流隨之波動，增加了保護裝置誤動作的風險。為了減小不平衡電流對差動保護裝置的影響，可以采用高精度的電流互感器和電壓互感器，提高測量精度；也可以通過改進差動保護的算法，如采用自適應加權(quán)算法，根據(jù)電網(wǎng)運行狀態(tài)和雙饋型風電場的特性，動態(tài)調(diào)整差動保護的動作門檻和制動特性，增強保護裝置的抗干擾能力，確保其在復雜工況下能夠準確動作。四、大規(guī)模雙饋型風電場接入電網(wǎng)面臨的問題與挑戰(zhàn)4.1間歇性和隨機性帶來的挑戰(zhàn)風能的間歇性和隨機性是大規(guī)模雙饋型風電場接入電網(wǎng)過程中面臨的首要挑戰(zhàn)，這一特性直接導致風電場出力的不穩(wěn)定，進而對電網(wǎng)的調(diào)度和電力平衡產(chǎn)生深遠影響。風能的間歇性和隨機性源于其形成機制和自然環(huán)境的復雜性。風是由太陽輻射造成地球表面各部分受熱不均勻，引起大氣層中壓力分布不平衡，在水平氣壓梯度的作用下，空氣沿水平方向運動形成的。由于太陽輻射強度、地球表面地形地貌以及大氣環(huán)流等因素的不斷變化，導致風速和風向時刻處于動態(tài)變化之中，難以準確預測和控制。不同地區(qū)的風能資源分布差異顯著，即使在同一地區(qū)，不同季節(jié)、不同時段的風能特性也截然不同。在我國西北地區(qū)，冬季風能資源豐富，但風速波動較大；而在沿海地區(qū)，夏季受臺風等天氣系統(tǒng)影響，風能的隨機性更為突出。這種間歇性和隨機性使得風電場的出力呈現(xiàn)出不穩(wěn)定的狀態(tài)。風電場出力與風速密切相關(guān)，當風速低于切入風速時，風電機組無法啟動發(fā)電；在切入風速和額定風速之間，風電機組輸出功率隨風速的增加而增大；當風速超過額定風速時，為了保護風電機組，通常會采取變槳距或其他控制措施，使輸出功率保持在額定值；而當風速超過切出風速時，風電機組將停止運行。由于風速的隨機變化，風電場出力可能在短時間內(nèi)發(fā)生大幅波動，從滿發(fā)狀態(tài)迅速降至零，或者從零快速上升至滿發(fā)。以某大型雙饋型風電場為例，在一天內(nèi)，風速可能會在幾小時內(nèi)從5m/s快速增加到12m/s，然后又在短時間內(nèi)降至8m/s，導致風電場出力在100MW至300MW之間頻繁波動。風電場出力的不穩(wěn)定給電網(wǎng)調(diào)度帶來了極大的困難。在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，發(fā)電計劃的制定通常基于常規(guī)電源的可調(diào)度性和負荷的可預測性。當大規(guī)模雙饋型風電場接入后，由于風電場出力的不確定性，使得電網(wǎng)調(diào)度部門難以準確預測電力供應，無法合理安排發(fā)電計劃。在制定次日發(fā)電計劃時，需要考慮風電場的預測出力，但由于風能的隨機性，預測誤差往往較大，這就導致發(fā)電計劃可能與實際電力供應存在較大偏差。如果預測風電場出力過高，而實際出力不足，可能會導致電網(wǎng)出現(xiàn)電力短缺，影響電力供應的可靠性；反之，如果預測風電場出力過低，而實際出力過高，可能會造成電力過剩，增加電網(wǎng)的運行成本。為了應對風電場出力的不確定性，電網(wǎng)需要配備更多的旋轉(zhuǎn)備用容量。旋轉(zhuǎn)備用是指在電網(wǎng)運行中，為了應對負荷變化和發(fā)電設(shè)備故障等情況，隨時可以投入運行的發(fā)電容量。由于風電場出力的波動，電網(wǎng)需要預留足夠的旋轉(zhuǎn)備用容量，以確保在風電場出力不足時能夠及時補充電力。然而，增加旋轉(zhuǎn)備用容量會增加電網(wǎng)的建設(shè)和運行成本。旋轉(zhuǎn)備用容量需要配備相應的發(fā)電設(shè)備和維護人員，這不僅增加了設(shè)備投資，還增加了運行維護費用。過多的旋轉(zhuǎn)備用容量也會降低電力系統(tǒng)的運行效率，因為這些備用容量在大部分時間內(nèi)處于閑置狀態(tài)。風電場出力的不穩(wěn)定還會對電網(wǎng)的電力平衡產(chǎn)生不利影響。電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行依賴于發(fā)電與負荷之間的實時平衡。當風電場出力波動時，會打破原有的電力平衡，導致電網(wǎng)頻率和電壓出現(xiàn)波動。當風電場出力突然增加時，電網(wǎng)中的有功功率過剩，可能會導致電網(wǎng)頻率升高；反之，當風電場出力突然減少時，電網(wǎng)中的有功功率不足，可能會導致電網(wǎng)頻率降低。這些頻率和電壓的波動會影響電力設(shè)備的正常運行，降低電能質(zhì)量，甚至可能引發(fā)電網(wǎng)故障。在一些對電能質(zhì)量要求較高的工業(yè)生產(chǎn)中，電網(wǎng)頻率和電壓的波動可能會導致生產(chǎn)設(shè)備停機或產(chǎn)品質(zhì)量下降，給企業(yè)帶來經(jīng)濟損失。4.2弱饋性問題4.2.1弱饋性的產(chǎn)生原因大規(guī)模雙饋型風電場接入電網(wǎng)后，弱饋性問題逐漸凸顯，其產(chǎn)生原因主要與風電場容量、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)以及短路阻抗等因素密切相關(guān)。風電場容量相對電網(wǎng)系統(tǒng)較小是導致弱饋性的重要原因之一。在我國一些風電發(fā)展初期的地區(qū)，風電場的裝機容量相對整個電網(wǎng)系統(tǒng)的容量占比較低。當風電場送出線路發(fā)生故障時，由于風電場自身提供的短路電流有限，相對于電網(wǎng)系統(tǒng)強大的電源支撐，風電場側(cè)呈現(xiàn)出明顯的弱饋特性。以某地區(qū)電網(wǎng)為例，該地區(qū)電網(wǎng)總裝機容量為10000MW，而接入的雙饋型風電場裝機容量僅為500MW，占比5%。當風電場送出線路發(fā)生短路故障時，電網(wǎng)系統(tǒng)能夠提供大量的短路電流，而風電場提供的短路電流相對較少，導致風電場側(cè)短路電流幅值遠小于電網(wǎng)側(cè)，呈現(xiàn)出弱饋狀態(tài)。電網(wǎng)結(jié)構(gòu)也對弱饋性產(chǎn)生重要影響。在一些偏遠地區(qū)，電網(wǎng)建設(shè)相對滯后，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱，往往采用單電源開網(wǎng)串帶方式，沒有形成環(huán)網(wǎng)。這種薄弱的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)使得風電場接入后，其送出線路的短路容量較小，當發(fā)生故障時，風電場難以提供足夠的短路電流支持，從而加劇了弱饋性。某偏遠地區(qū)的風電場通過一條長距離的單回輸電線路接入電網(wǎng)，由于該地區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱，輸電線路電阻和電抗較大，當線路發(fā)生故障時，風電場側(cè)的短路電流受到線路阻抗的限制，難以有效增大，導致風電場側(cè)呈現(xiàn)弱饋特性。短路阻抗在弱饋性的產(chǎn)生中也起著關(guān)鍵作用。當風電場送出線路發(fā)生故障時，故障點的短路電流大小與系統(tǒng)的正序、負序和零序阻抗密切相關(guān)。在雙饋型風電場中，由于風電機組的電氣特性，其正序、負序和零序阻抗與傳統(tǒng)同步發(fā)電機存在差異?？紤]撬棒電路投入時，風電場側(cè)零序電流比重很大，但三相電流幅值近似相等，導致風電場在故障時的短路電流特性與傳統(tǒng)電網(wǎng)不同，呈現(xiàn)出明顯的弱饋性。在某雙饋型風電場中，當發(fā)生單相接地故障時，由于風電場的零序阻抗較小，零序電流在短路電流中占比較大，而正序電流分量降低幅度較大，使得三相電流幅值差異不大，相位基本相同，表現(xiàn)出弱饋特性。4.2.2對電網(wǎng)保護控制的影響雙饋型風電場的弱饋性對電網(wǎng)保護控制裝置產(chǎn)生了多方面的影響，尤其是對突變量保護元件和方向元件，可能導致其出現(xiàn)誤判動作，嚴重威脅電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。突變量保護元件在電網(wǎng)保護中起著重要作用，其工作原理是基于故障時電氣量的突變量來判斷故障的發(fā)生和性質(zhì)。在常規(guī)電網(wǎng)中，等效系統(tǒng)正負序阻抗近似相等，突變量保護元件能夠準確地判別故障相和故障類型。當雙饋型風電場接入后，由于風電場的弱饋性，導致等效系統(tǒng)正負序阻抗差異較大。風電異步電動機的大電阻造成轉(zhuǎn)差率明顯，使得等效系統(tǒng)正負序阻抗不同，風電基地側(cè)短路電流分布系數(shù)也出現(xiàn)較大差異。在某雙饋型風電場中，當發(fā)生故障時，由于正負序阻抗差異，故障點的正、負、零序電流差異不大，但風電基地側(cè)短路電流分布系數(shù)卻有很大不同，這使得基于相間電流幅值實現(xiàn)選相的突變量選相元件出現(xiàn)誤判。在單相接地故障時，突變量選相元件可能會因為電流分布系數(shù)的異常而錯誤地判斷故障相，導致保護裝置誤動作。方向元件也是電網(wǎng)保護控制裝置的重要組成部分，其利用電壓和電流突變量的相位關(guān)系來分析判別故障的正反方向。在傳統(tǒng)電網(wǎng)中，系統(tǒng)正負序阻抗相等，方向元件能夠正確地判斷正反向故障。雙饋型風電場接入后，由于基地側(cè)正負序阻抗差異較大，導致故障電壓、電流相位出現(xiàn)差異。當風電場送出線路發(fā)生故障時，由于正負序阻抗的不同，使得故障點的電壓和電流相位關(guān)系發(fā)生改變，超出了方向元件的正常判斷范圍。在某電網(wǎng)中，當雙饋型風電場附近發(fā)生故障時，由于風電場的弱饋性導致故障電壓、電流相位異動，使得突變量方向元件產(chǎn)生誤判，將正向故障判斷為反向故障，從而使保護裝置拒動作，無法及時切除故障，擴大了事故范圍。4.3控制策略的復雜性大規(guī)模雙饋型風電場接入電網(wǎng)后，涉及到多種復雜的控制策略，這些策略的協(xié)調(diào)配合對于保障電網(wǎng)的穩(wěn)定運行至關(guān)重要，然而其協(xié)調(diào)過程卻面臨諸多挑戰(zhàn)。功率控制是雙饋型風電場接入電網(wǎng)控制策略中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其主要目標是實現(xiàn)風電機組的最大功率跟蹤（MPPT）以及對有功功率和無功功率的精確調(diào)節(jié)。在最大功率跟蹤方面，通常采用基于葉尖速比控制或功率信號反饋控制等方法。基于葉尖速比控制是通過實時監(jiān)測風速和風機轉(zhuǎn)速，調(diào)整風機的槳距角，使葉尖速比保持在最佳值附近，從而實現(xiàn)最大功率捕獲。當風速為10m/s時，根據(jù)風機的特性曲線，將葉尖速比調(diào)整為8，可使風機輸出功率達到最大值。功率信號反饋控制則是根據(jù)風機的輸出功率信號，通過控制算法自動調(diào)整風機的運行參數(shù)，以實現(xiàn)最大功率跟蹤。在有功功率和無功功率調(diào)節(jié)方面，雙饋型風電機組通過控制轉(zhuǎn)子側(cè)變流器（RSC）和電網(wǎng)側(cè)變流器（GSC）來實現(xiàn)。通過調(diào)節(jié)RSC的觸發(fā)角和控制策略，可以改變轉(zhuǎn)子電流的幅值和相位，從而實現(xiàn)有功功率和無功功率的解耦控制。當電網(wǎng)電壓較低時，風電機組可以通過增加無功功率輸出，提高電網(wǎng)電壓水平。電壓控制對于維持電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定至關(guān)重要，主要通過風電機組自身的無功調(diào)節(jié)能力以及配置無功補償裝置來實現(xiàn)。雙饋型風電機組在一定范圍內(nèi)能夠通過調(diào)節(jié)自身的無功功率輸出，來維持并網(wǎng)點的電壓穩(wěn)定。在風速變化導致風電場出力波動時，風電機組可以根據(jù)并網(wǎng)點電壓的變化，自動調(diào)整無功功率輸出，以保持電壓穩(wěn)定。當并網(wǎng)點電壓下降時，風電機組增加無功功率輸出，反之則減少無功功率輸出。還可以配置靜止無功補償器（SVC）、靜止同步補償器（STATCOM）等無功補償裝置來增強電壓控制能力。SVC通過控制晶閘管的導通角，調(diào)節(jié)接入電網(wǎng)的電抗器和電容器的容量，實現(xiàn)對無功功率的快速補償，從而穩(wěn)定電網(wǎng)電壓。STATCOM則基于電壓源型變流器技術(shù)，能夠更快速、精確地補償無功功率，有效抑制電壓波動和閃變。頻率控制是保障電網(wǎng)穩(wěn)定運行的重要環(huán)節(jié)，主要通過風電機組的一次調(diào)頻和二次調(diào)頻功能來實現(xiàn)。在一次調(diào)頻方面，雙饋型風電機組可以利用自身的慣性和儲能特性，在電網(wǎng)頻率發(fā)生變化時，自動調(diào)整有功功率輸出，以維持電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定。當電網(wǎng)頻率下降時，風電機組可以通過釋放部分動能，增加有功功率輸出，抑制頻率進一步下降。在二次調(diào)頻方面，需要電網(wǎng)調(diào)度中心根據(jù)電網(wǎng)頻率的變化，對風電場的有功功率進行統(tǒng)一調(diào)度和控制。電網(wǎng)調(diào)度中心根據(jù)電網(wǎng)頻率偏差和負荷變化情況，向風電場發(fā)送有功功率調(diào)節(jié)指令，風電場通過調(diào)整風電機組的運行參數(shù)，實現(xiàn)有功功率的精確調(diào)節(jié)。然而，這些控制策略之間的協(xié)調(diào)配合存在著諸多復雜性。不同控制策略的目標和調(diào)節(jié)方式存在差異，容易導致相互之間的沖突。在進行功率控制時，為了實現(xiàn)最大功率跟蹤，可能會導致風電機組的無功功率輸出發(fā)生變化，從而影響電壓控制的效果。當風速快速變化時，風電機組為了跟蹤最大功率，可能會迅速調(diào)整有功功率輸出，這可能會導致無功功率輸出不足，進而引起并網(wǎng)點電壓下降。在進行電壓控制時，可能會對頻率控制產(chǎn)生影響。當配置無功補償裝置進行電壓調(diào)節(jié)時，可能會改變電網(wǎng)的無功功率分布，從而影響電網(wǎng)的頻率特性?？刂撇呗缘膮f(xié)調(diào)還面臨著通信和信息交互的挑戰(zhàn)。風電場內(nèi)的風電機組數(shù)量眾多，且分布較為分散，不同風電機組之間以及風電場與電網(wǎng)調(diào)度中心之間需要進行大量的信息交互和通信。由于通信延遲、數(shù)據(jù)傳輸錯誤等問題，可能會導致控制指令的下達和執(zhí)行出現(xiàn)偏差，影響控制策略的協(xié)調(diào)效果。在某大規(guī)模雙饋型風電場中，由于通信系統(tǒng)出現(xiàn)故障，導致部分風電機組未能及時接收到電網(wǎng)調(diào)度中心的有功功率調(diào)節(jié)指令，從而無法有效參與電網(wǎng)的二次調(diào)頻，影響了電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定性。不同控制策略的響應速度和調(diào)節(jié)精度也存在差異，這增加了協(xié)調(diào)配合的難度。風電機組的一次調(diào)頻響應速度相對較快，但調(diào)節(jié)精度有限；而二次調(diào)頻的調(diào)節(jié)精度較高，但響應速度相對較慢。在實際運行中，需要根據(jù)電網(wǎng)的實時運行狀態(tài)，合理協(xié)調(diào)不同控制策略的響應速度和調(diào)節(jié)精度，以實現(xiàn)最優(yōu)的控制效果。在電網(wǎng)頻率快速變化時，需要風電機組的一次調(diào)頻迅速響應，抑制頻率的大幅波動；而在頻率逐漸恢復穩(wěn)定的過程中，需要二次調(diào)頻發(fā)揮作用，精確調(diào)整有功功率，使電網(wǎng)頻率恢復到額定值。五、大規(guī)模雙饋型風電場接入電網(wǎng)的穩(wěn)定控制策略5.1功率控制策略5.1.1最大功率點跟蹤（MPPT）控制最大功率點跟蹤（MPPT）控制是雙饋型風電場功率控制策略中的關(guān)鍵技術(shù)，其核心目標是使風電機組在不同的風速條件下，都能最大限度地捕獲風能并轉(zhuǎn)化為電能輸出，從而顯著提高風電場的發(fā)電效率和經(jīng)濟效益。MPPT控制的原理基于風能與風電機組輸出功率之間的密切關(guān)系。風電機組捕獲的機械功率P_m可由公式P_m=\frac{1}{2}\rho\piR^2v^3C_p(\lambda,\beta)精確表示，其中\(zhòng)rho代表空氣密度，R為風輪半徑，v是風速，C_p為風能利用系數(shù)，它是葉尖速比\lambda和槳距角\beta的復雜函數(shù)。葉尖速比\lambda的計算公式為\lambda=\frac{\omegaR}{v}，其中\(zhòng)omega是風輪轉(zhuǎn)速。從這些公式可以清晰地看出，風能利用系數(shù)C_p會隨著葉尖速比\lambda和槳距角\beta的變化而顯著改變，進而影響風電機組捕獲的機械功率。在不同風速下，存在一個特定的葉尖速比\lambda_{opt}，此時風能利用系數(shù)C_p能達到最大值C_{p\max}，使得風電機組捕獲的機械功率達到最大值。例如，當風速為8m/s時，通過精確計算和實驗驗證，確定某型號風電機組的最佳葉尖速比\lambda_{opt}為7，此時對應的風能利用系數(shù)C_{p\max}為0.45，風電機組能夠捕獲到的最大功率為P_{m\max}。為了實現(xiàn)最大功率點跟蹤，需要采用一系列有效的控制方法，其中較為常見的有以下幾種：基于葉尖速比的控制方法：該方法的實現(xiàn)原理是通過實時監(jiān)測風速v和風輪轉(zhuǎn)速\omega，精確計算葉尖速比\lambda，并將其與最佳葉尖速比\lambda_{opt}進行對比。當計算得到的葉尖速比\lambda小于最佳葉尖速比\lambda_{opt}時，說明風電機組捕獲的風能尚未達到最大值，此時需要通過控制系統(tǒng)提高風輪轉(zhuǎn)速\omega，從而增大葉尖速比\lambda，使風電機組更接近最大功率點運行。具體的實現(xiàn)方式可以是通過調(diào)整變流器的控制參數(shù)，改變雙饋感應發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩，進而實現(xiàn)對風輪轉(zhuǎn)速的精確控制。在實際應用中，某風電場采用基于葉尖速比的控制方法后，在風速為6-10m/s的區(qū)間內(nèi)，風電機組的發(fā)電效率提高了約8%，有效提升了風電場的整體發(fā)電量。功率信號反饋控制方法：這種控制方法主要是依據(jù)風電機組的輸出功率信號來自動調(diào)整風電機組的運行參數(shù)。通過持續(xù)監(jiān)測風電機組的輸出功率P，當檢測到輸出功率P小于最大功率點對應的功率值時，控制系統(tǒng)會自動調(diào)整風輪轉(zhuǎn)速\omega或槳距角\beta。如果風電機組的輸出功率P低于最大功率點功率，控制系統(tǒng)可以通過增加風輪轉(zhuǎn)速\omega，提高風能捕獲效率，使輸出功率向最大功率點靠近。也可以通過微調(diào)槳距角\beta，優(yōu)化風輪對風能的捕獲，從而實現(xiàn)最大功率跟蹤。在某風電場的實際運行中，采用功率信號反饋控制方法后，風電機組在不同風速下都能更快速地跟蹤最大功率點，平均發(fā)電效率提高了約5%，并且在風速變化較為頻繁的情況下，依然能夠保持較好的功率跟蹤性能。在不同風速條件下，MPPT控制對風電機組功率輸出的優(yōu)化作用十分顯著。在低風速區(qū)域，由于風能資源相對較少，MPPT控制能夠精確調(diào)整風電機組的運行參數(shù)，使風電機組盡可能地捕獲更多的風能。當風速為4m/s時，采用MPPT控制的風電機組能夠通過調(diào)整風輪轉(zhuǎn)速和槳距角，使風能利用系數(shù)C_p保持在較高水平，從而實現(xiàn)對風能的有效利用，輸出功率相對穩(wěn)定且接近該風速下的最大功率。而在高風速區(qū)域，MPPT控制則能夠在保證風電機組安全運行的前提下，充分利用強大的風能資源。當風速達到12m/s時，MPPT控制一方面會根據(jù)風速的變化及時調(diào)整槳距角，防止風電機組因捕獲過多風能而導致過載；另一方面，通過精確控制風輪轉(zhuǎn)速，使風電機組始終運行在最大功率點附近，確保輸出功率達到該風速條件下的最大值。通過對某大規(guī)模雙饋型風電場的實際運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，在全年不同風速條件下，采用MPPT控制的風電機組相比未采用MPPT控制的風電機組，發(fā)電量平均提高了10%-15%，充分展示了MPPT控制在優(yōu)化風電機組功率輸出方面的強大優(yōu)勢。5.1.2基于風速預測的功率控制基于風速預測的功率控制是一種先進的風電場功率控制策略，它通過對風速的精準預測，實現(xiàn)對風電場功率的提前調(diào)控，有效減少功率波動對電網(wǎng)的沖擊，對于提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性具有重要意義。風速預測技術(shù)是實現(xiàn)基于風速預測的功率控制的關(guān)鍵。目前，常用的風速預測方法主要包括基于物理模型的預測方法、基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的預測方法以及混合預測方法?；谖锢砟Ｐ偷念A測方法，是依據(jù)大氣動力學和熱力學原理，通過建立復雜的數(shù)值天氣預報模型來預測風速。這些模型綜合考慮了大氣的運動方程、能量守恒方程以及水汽相變等多種物理過程，能夠較為準確地模擬大氣的運動狀態(tài)，從而預測未來的風速變化。WRF（WeatherResearchandForecasting）模型就是一種廣泛應用的基于物理模型的風速預測工具，它能夠提供高分辨率的風速預測數(shù)據(jù)，為風電場的功率控制提供重要依據(jù)?；跀?shù)據(jù)驅(qū)動的預測方法，則是利用機器學習、深度學習等人工智能技術(shù)，對大量的歷史風速數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)以及