風(fēng)電場對電網(wǎng)的影響.ppt

第五講 風(fēng)電場對電網(wǎng)的影響,5.1風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)過程對電網(wǎng)的沖擊 5.2對電網(wǎng)頻率的影響 5.3對電網(wǎng)電壓的影響 5.5對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響 5.5對電網(wǎng)繼電保護裝置的影響 5.6對電能其它質(zhì)量的影響（見第三講） 5.7對配電網(wǎng)損耗的影響,引言,風(fēng)力發(fā)電特點： 原動力風(fēng)的隨機波動性和間歇性決定了風(fēng)力發(fā)電機的輸出特性也是波動的和間歇的 風(fēng)能資源地往往在電網(wǎng)相對薄弱的地方，對開發(fā)風(fēng)能資源構(gòu)成了技術(shù)約束 風(fēng)力發(fā)電機多為異步發(fā)電機，在發(fā)出有功功率的同時還要從系統(tǒng)吸收無功功率，其無功需求是隨有功輸出的變化而變化的 風(fēng)電場容量在系統(tǒng)中所占比例的增加，風(fēng)力發(fā)電對系統(tǒng)的影響就會越來越顯著。 并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機組對電力系統(tǒng)的影響： 風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)過程對電網(wǎng)的沖擊 對電網(wǎng)頻率的影響 對電網(wǎng)電壓的影響 對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響 對電網(wǎng)繼電保護裝置的影響 對電能其它質(zhì)量的影響（第三講） 對配電網(wǎng)損耗的影響,異步發(fā)電機有功無功曲線,5.1 風(fēng)電并網(wǎng)過程對電網(wǎng)的沖擊,感應(yīng)發(fā)電機的并網(wǎng)條件是： 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向應(yīng)與定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)向一致，即感應(yīng)發(fā)電機的相序和電網(wǎng)相序相同。 發(fā)電機轉(zhuǎn)速應(yīng)盡可能接近同步速（98100同步速）。 并網(wǎng)的第一個條件必須滿足，否則電機并網(wǎng)后將處于電磁制動狀態(tài)。第二個條件不是非常嚴格，但越接近同步速并網(wǎng)，并網(wǎng)沖擊電流越小且衰減時間越短。 風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)沖擊電流產(chǎn)生的原因是異步電機作為發(fā)電機運行時，本身沒有勵磁機構(gòu)，并網(wǎng)時發(fā)電機本身無電壓，故并網(wǎng)時必然伴隨一個過渡過程（一般零點幾秒即可轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)）。試驗證明，直接并網(wǎng)時，風(fēng)機起動產(chǎn)生的沖擊電流是額定電流的58倍。,異步發(fā)電機功率關(guān)系與簡化等值電路,功率關(guān)系與簡化等值電路,沖擊電流的影響因素和危害,影響異步發(fā)電機并網(wǎng)時的沖擊電流大小的因素： 發(fā)電機本身暫態(tài)電抗， 小，電流大； 并網(wǎng)時的電壓大小，U大，電流大； 其有效值還與并網(wǎng)時的滑差S，S越大，交流暫態(tài)衰減時間越長，并網(wǎng)時沖擊電流有效值也就越大。 風(fēng)力發(fā)電機組與大電網(wǎng)并聯(lián)時，合閘瞬間的沖擊電流對發(fā)電機及電網(wǎng)系統(tǒng)安全運行不會有太大影響。 對小容量的電網(wǎng)系統(tǒng)或接入點短路容量很小時，并網(wǎng)瞬間會引起電網(wǎng)電壓大幅度下跌，從而影響接在同一電網(wǎng)上的其他電氣設(shè)備的正常運行，有可能導(dǎo)致電機保護開關(guān)動作，使并網(wǎng)失敗，甚至?xí)绊懙叫‰娋W(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定與安全。,抑制并網(wǎng)沖擊電流的方法,在感應(yīng)發(fā)電機與三相電網(wǎng)之間串接電抗器，使系統(tǒng)電壓不致下跌過大，待并網(wǎng)過渡過程結(jié)束后，再將其短接。 人工干預(yù)使風(fēng)電場的風(fēng)電機組不同時起動，限制風(fēng)機啟動時對電網(wǎng)的沖擊。 采用雙向晶閘管控制的軟并網(wǎng)方式（soft start）。目前軟并網(wǎng)技術(shù)的控制方式有兩種，一是電壓諧波方式，另一種是限流方式。整個軟啟動過程可以在幾百毫秒到一秒鐘內(nèi)完成，也就是在十幾個周波到幾十個周波內(nèi)完成。,軟起動并網(wǎng)原理與過程,風(fēng)力機將發(fā)電機帶到同步速附近，發(fā)電機輸出端斷路器閉合，發(fā)電機經(jīng)一組雙向晶閘管與電網(wǎng)連接，雙向晶閘管的觸發(fā)角由180o向0o打開，雙向晶閘管的導(dǎo)通角由0o至180o逐漸增大。 電流反饋對雙向晶閘管導(dǎo)通角的控制，沖擊電流限制在1.52倍額定電流以內(nèi)，從而得到一個比較平滑的并網(wǎng)過程。 并網(wǎng)過程結(jié)束后，將雙向晶閘管短接。,52 對電網(wǎng)頻率的影響,風(fēng)速的隨機性決定著風(fēng)機出力的隨機性。風(fēng)機的并網(wǎng)與脫網(wǎng)很難預(yù)測，風(fēng)電實際上是系統(tǒng)的一個干擾源。 當(dāng)風(fēng)電容量在系統(tǒng)中所占的比例較大時，其輸出功率的隨機波動性對電網(wǎng)頻率的影響就是顯著的，影響了電網(wǎng)的頻率質(zhì)量和一些頻率敏感負荷的正常工作。 當(dāng)風(fēng)電由于停風(fēng)或大風(fēng)失速而失去出力后，會使電網(wǎng)頻率降低，特別是當(dāng)風(fēng)電比重較大時，會影響到系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。 頻率穩(wěn)定分析的基本原則是：失去風(fēng)電出力后，電網(wǎng)頻率不能低于允許值。 當(dāng)電力系統(tǒng)較大、聯(lián)系緊密時，頻率問題是不顯著的。,消除風(fēng)電對系統(tǒng)頻率影響的主要措施,要求電網(wǎng)中其他常規(guī)機組有較高的頻率響應(yīng)能力，能進行跟蹤調(diào)節(jié)，抑制頻率的波動 提高系統(tǒng)的備用容量 采取優(yōu)化的調(diào)度運行方式。,53 對電網(wǎng)電壓的影響,風(fēng)電出力變動大，多數(shù)采用感應(yīng)電機，需從電網(wǎng)吸收無功建立磁場： 大多在電網(wǎng)的邊緣即電網(wǎng)的薄弱點（短路容量較小的點）聯(lián)網(wǎng)，所以在聯(lián)網(wǎng)時必然會影響電網(wǎng)的電壓質(zhì)量和電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性。 影響有慢的（穩(wěn)態(tài)）的電壓波動，快的電壓波動（導(dǎo)致閃爍），波形畸變（即諧波），電壓不平衡（即負序電壓），瞬態(tài)電壓波動（即電壓跌落和凹陷）等。例如： 由于風(fēng)速變化、風(fēng)機投切、風(fēng)湍流等引起電壓波動。當(dāng)無功補償不足時，有功和無功潮流都有發(fā)生反向的可能性，在這種情況下，電壓的升降和輸電線的R/X有關(guān)系。 風(fēng)電的出力中存在周期短（1Hz級）且變動大的功率波動現(xiàn)象，所以容易發(fā)生電壓脈動。主要起因是由于塔架遮蔽造成的氣流紊亂。 由于電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可控硅控制元件和電容器產(chǎn)生的諧波電壓。 起動時需要較大的起動電流，有引起系統(tǒng)瞬時電壓下降的危險。,對電網(wǎng)電壓的影響（續(xù)）,從經(jīng)驗看，大量引入風(fēng)電產(chǎn)生的聯(lián)網(wǎng)問題主要是薄弱系統(tǒng)的電壓問題，逆潮流引起的靜態(tài)電壓問題較多，其次是閃變問題， 解決辦法：加裝無功補償設(shè)備和調(diào)相設(shè)備或減少系統(tǒng)阻抗 風(fēng)力資源大都分布在沿海和一些邊遠地區(qū)，這些地區(qū)沒有主干電網(wǎng)，地區(qū)電網(wǎng)短路容量水平較低，R/X比值較大， 起動時的問題已經(jīng)用軟起動等技術(shù)基本解決,風(fēng)電場對電壓影響：慢速電壓變化,慢速電壓變化可用潮流計算來分析。在最高（對應(yīng)最小負荷和風(fēng)電最大）和最低（對應(yīng)最大負荷和沒有風(fēng)電）兩種電壓水平情況下的電壓分布。節(jié)點1是高壓變壓器的中壓節(jié)點，其電壓設(shè)定為常值1.0（p.u）。五臺750kW的風(fēng)機所構(gòu)成的風(fēng)電場連接于節(jié)點54-58，而所有其它節(jié)點通過低壓變壓器和低壓線與用戶相連。,改善電壓措施：功率因數(shù)校正電容器,每臺風(fēng)力發(fā)電機都設(shè)有無功補償裝置：可投切電容器，SVC 最大無功補償量是根據(jù)額定功率時無功補償量必須保證功率因數(shù)達到設(shè)計的額定功率因數(shù)，一般為大于0.98。 丹麥N43/600kW異步風(fēng)力發(fā)電機組的功率因數(shù)是0.620.87，每臺風(fēng)力發(fā)電機都裝有電力電容器200300kvar。 采用分步補償方式，根據(jù)運行工況進行自動分組投切。當(dāng)電機滿載時，功率因數(shù)一般都能補償?shù)?.95以上，補償結(jié)果： 發(fā)電機負荷（%） 0 25 50 75 100 125 補償后功率因數(shù)（cos）1.0 1.0 1.0 0.99 0.99 0.98,54 對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響,風(fēng)電接入系統(tǒng)引起的穩(wěn)定問題主要是電壓穩(wěn)定問題。 正常運行時風(fēng)電穿透功率過大會引起電壓崩潰。因為普通的無功補償方式為電容器補償，補償量與接入點的電壓的平方成正比，當(dāng)系統(tǒng)電壓水平不高時，無功補償量下降很多，而風(fēng)電場對電網(wǎng)的無功凈需求反而上升，進一步惡化電壓水平，造成電壓崩潰，風(fēng)機被迫停機。 在故障和操作后未發(fā)生功角失穩(wěn)的情況下，部分風(fēng)電機組由于自身的低電壓保護而停機，系統(tǒng)失去部分無功負荷，導(dǎo)致電壓水平偏高，甚至使風(fēng)電場母線電壓越限。 故障切除不及時，會發(fā)生暫態(tài)電壓失穩(wěn)。,系統(tǒng)穩(wěn)定性算例,考慮停運一條132kV饋線作為緊急事故狀態(tài)； 當(dāng)?shù)刎摵珊彤?dāng)?shù)匕l(fā)電量均很少； 在高風(fēng)電穿透功率下在非停運饋線（節(jié)點1至節(jié)點2）會造成熱過負荷； 當(dāng)風(fēng)電功率超過100MW時嚴重電壓跌落 當(dāng)風(fēng)電發(fā)電量超過140MW時將發(fā)展為電壓崩潰,電壓隨風(fēng)電注入功率的變化 V= V1-V0= (PR-XQ)/V0,風(fēng)電場接入通常使電壓升高,55對電網(wǎng)繼電保護裝置的影響,輻射配電網(wǎng)的大多數(shù)保護都是假定潮流從電網(wǎng)供電點流向下游的低電壓網(wǎng)絡(luò)，保護通常采用過電流繼電器； R是有時間延遲的過電流繼電器，RN是有時間延遲的接地故障過電流繼電器。 對于保護所在地下游的故障，該保護會動作，清除故障部分，造成部分網(wǎng)絡(luò)停電，上游及相鄰無故障部分維持供電,對電網(wǎng)繼電保護裝置的影響（續(xù) ）,風(fēng)電揚的保護配置：33/11kV變壓器中心點直接接地或經(jīng)電阻接地，兩側(cè)裝有斷路器。11kV/0.69kV變壓器中性點可直接接地或不接地，兩側(cè)裝有負荷開關(guān)。發(fā)電機中性點不接地。 系統(tǒng)通常配置斷路器和熔斷器，采用電流速斷和延時過流（反時限特性）保護等。 與常規(guī)配電網(wǎng)保護不同，風(fēng)電是間隙性的，風(fēng)電場中有些元件通過的潮流可能是雙向的。風(fēng)力發(fā)電機組在有風(fēng)期間都是和電網(wǎng)相連的，當(dāng)風(fēng)速在起動風(fēng)速附近變化時，為防止風(fēng)電機組頻繁投切對接觸器的損害，允許風(fēng)電機組短時電動機運行。此時會改變系統(tǒng)的潮流方向，容易引起保護裝置的誤動作。,風(fēng)電引起的保護問題,風(fēng)電接入配電網(wǎng)，則由繼電器感知的故障電流可能增加或減少，取決于發(fā)電機和故障的位置； K1處故障，由10KV饋線繼電器看到的故障電流增加了，而在K2處故障，由10KV饋線繼電器看到的故障電流可能減少了，因為風(fēng)電的接入，K2處故障時，風(fēng)電接入點殘壓提高了，由系統(tǒng)提供的短路電流小了。,風(fēng)電引起的保護問題,鄰近饋線故障，風(fēng)電也提供短路電流引起不必要的斷開風(fēng)電,瞬時故障跳閘后又重合于故障,對電網(wǎng)繼電保護裝置的影響（續(xù) ）,并網(wǎng)運行的異步發(fā)電機沒有獨立的勵磁機構(gòu)，在電網(wǎng)發(fā)生短路故障時由于機端電壓顯著降低，發(fā)電機失去勵磁，很難向電網(wǎng)輸送短路電流。異步發(fā)電機在三相短路故障時僅能提供很小的持續(xù)短路電流（I0），兩相短路時異步發(fā)電機提供的短路電流最大。 風(fēng)機出口電壓是低壓系統(tǒng)如0.69kV，折算到35kV(或更高電壓等級)側(cè)時其阻抗需乘以K2（U35U0.69）2，因此從35kV側(cè)的等值電路來看，風(fēng)力發(fā)電機及相應(yīng)的低壓電纜相當(dāng)于一個很大的限流電抗，短路電流無法送出。 風(fēng)電場故障電流主要是公用電網(wǎng)電源提供的。風(fēng)電場保護的困難是要根據(jù)有限的故障電流識別故障的發(fā)生。,5.7 風(fēng)力發(fā)電對配電網(wǎng)損耗的影響,風(fēng)力發(fā)電接入配電網(wǎng)將改變有功和無功功率的流動，因此將改變網(wǎng)絡(luò)中的電氣損耗。 沒有風(fēng)電場時，當(dāng)向負荷提供有功功率負荷P，無功功率Q時，經(jīng)配電饋電線電阻R，在電路中的電功率損耗為W=I2R，近似等于 W=(P2 +Q2)R/V02 如果風(fēng)電機連接于母線，輸出有功功率p和輸入無功功率q，則損耗近似為 W=(P- p)2 +(Q + q)2R/V02,風(fēng)力發(fā)電對配電網(wǎng)損耗的影響(續(xù)),功率損耗取決于有功和無功負荷與風(fēng)電場發(fā)電量的相對大小， W=(P2 +Q2)R/V02 網(wǎng)絡(luò)損耗可能降低，也可能增加。因此一年中有的時期可能 損耗增加，而另外的時期損耗可能降低。 W=(P- p)2 +(Q + q)2R/V02 網(wǎng)絡(luò)中的電氣損耗是因風(fēng)電的存在而變化的，所以如果損耗降低了，風(fēng)電場可受得到獎勵；如果損耗增加了，風(fēng)電場必須支付該費用。 如何確定風(fēng)電場的影響? “置換法” :簡單的方法是分別計算有和沒有風(fēng)力發(fā)電時網(wǎng)絡(luò)損耗，計算可以針對一個典型網(wǎng)絡(luò)負荷和發(fā)電機（風(fēng)電場）輸出進行。 在英國置換法被用來計算損耗調(diào)節(jié)因子。損耗調(diào)節(jié)因子用來對配電網(wǎng)絡(luò)和輸電網(wǎng)絡(luò)連接點負荷需求/發(fā)電量也就是配電網(wǎng)損耗總加。英國損耗調(diào)節(jié)因子510%范圍。 目前，許多國家并不考慮風(fēng)電引起的網(wǎng)絡(luò)損耗的變化。 風(fēng)電發(fā)電對輸電系統(tǒng)損耗也有改善。,無功功率負荷和電壓控制,損耗計算公式還表明，如果要使網(wǎng)絡(luò)損耗最小化，就希望風(fēng)電機盡可能運行在單位功率因數(shù)（即q = 0)。 降低無功流動反映在許多公司的電價中，用戶要承擔(dān)一個周期內(nèi)吸取的無功電量(kVArh)或峰值無功功率(kVAr)(這樣的電價通常用于有功和無功都向同一個方向流動的情況)。 常規(guī)配電網(wǎng)中無功潮流的任何減少都將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)上較小的電壓波動（有負荷時電壓跌落）。然而當(dāng)用于風(fēng)力發(fā)電時，它們也可能有不同的結(jié)果，風(fēng)力發(fā)電送出有功時，為網(wǎng)絡(luò)電壓控制而吸取一些無功功率，因而限制電壓升高可能是值得的。 這種情況下，發(fā)電機吸取無功功率以控制由于有功功率輸出引起的電壓升高，但要為這些無功需求收費。,無功功率負荷和電壓控制 V= V1-V0= (PR-XQ)/V0,有風(fēng)電時，配電網(wǎng)的設(shè)計趨勢受電壓考慮的驅(qū)動而不是由設(shè)備的熱極限來驅(qū)動。風(fēng)電場并網(wǎng)常常受電壓波動考慮的制約。