風(fēng)電并網(wǎng)對電力系統(tǒng)的影響及改善措施

1、風(fēng)電并網(wǎng)對電力系統(tǒng)的影響及改善措施 中國電力工程顧問集團(tuán)公司-王敏摘要：由于風(fēng)電場是一種依賴于自然能源的分散電源，同時目前大多采用恒速恒頻異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其并網(wǎng)運(yùn)行降低了電網(wǎng)的穩(wěn)定性和電能質(zhì)量。著眼于并網(wǎng)風(fēng)電場與電網(wǎng)之間的相互影響，特別是對系統(tǒng)穩(wěn)定性以及電能質(zhì)量的影響，對大型風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行中的一些基礎(chǔ)性的技術(shù)問題進(jìn)行了研究。關(guān)鍵詞:風(fēng)電場；并網(wǎng)；現(xiàn)狀分析。 一、引言風(fēng)力發(fā)電作為一種重要的可再生能源形式，越來越受到人們的廣泛關(guān)注,并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電以其獨(dú)特的能源、環(huán)保優(yōu)勢和規(guī)?；б?，得到長足發(fā)展,隨著風(fēng)電設(shè)備制造技術(shù)的日益成熟和風(fēng)電價格的逐步降低，近些年來，無論是發(fā)達(dá)國家還是發(fā)展中國家都在大力發(fā)

2、展風(fēng)力發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電之所以在全世界范圍獲得快速發(fā)展，除了能源和環(huán)保方面的優(yōu)勢外，還因?yàn)轱L(fēng)電場本身所具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)：(1)風(fēng)能資源豐富，屬于清潔的可再生能源；(2)施工周期短，實(shí)際占地少，對土地要求低；(3)投資少，投資靈活，投資回收快；(4)風(fēng)電場運(yùn)行簡單，風(fēng)力發(fā)電具有經(jīng)濟(jì)性；(5)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)相對成熟。自20世紀(jì)80年代以來，大、中型風(fēng)電場并網(wǎng)容量發(fā)展最為迅猛，對常規(guī)電力系統(tǒng)運(yùn)行造成的影響逐步明顯和加大,隨著風(fēng)電場規(guī)模的不斷擴(kuò)大，風(fēng)電特性對電網(wǎng)的負(fù)面影響愈加顯著，成為制約風(fēng)電場建設(shè)規(guī)模的嚴(yán)重障礙。因此深入研究風(fēng)電場與電網(wǎng)的相互作用成為進(jìn)一步開發(fā)風(fēng)電所迫切要求解決的問題。其局限性主要表現(xiàn)在：(

3、1)風(fēng)能的能量密度小且不穩(wěn)定，不能大量儲存；(2)風(fēng)輪機(jī)的效率較低；(3)對生態(tài)環(huán)境有影響，產(chǎn)生機(jī)械和電磁噪聲；(4)接入電網(wǎng)時，對電網(wǎng)有負(fù)面影響。二、我國風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量現(xiàn)狀根據(jù)中國風(fēng)能協(xié)會發(fā)布2012年中國風(fēng)電裝機(jī)容量統(tǒng)計(jì)報告中數(shù)據(jù)顯示，2012年，中國（不包括臺灣地區(qū)）新增安裝風(fēng)電機(jī)組7872臺，裝機(jī)容量12960MW，同比下降26.5%；累計(jì)安裝風(fēng)電機(jī)組53764臺，裝機(jī)容量75324.2MW，同比增長20.8%。2001-2012 年中國新增及累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量區(qū)域裝機(jī)情況圖（引自2012年中國風(fēng)電裝機(jī)容量統(tǒng)計(jì)）2006-2012 年中國各區(qū)域累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量圖（引自2012年中國風(fēng)電

4、裝機(jī)容量統(tǒng)計(jì)）三、風(fēng)電并網(wǎng)對電力系統(tǒng)的影響風(fēng)力發(fā)電是一種特殊的電力，它以自然風(fēng)為原動力，風(fēng)資源的隨機(jī)性和間歇性決定了風(fēng)電機(jī)組的輸出特性也是波動和間歇的。作為發(fā)電機(jī)構(gòu)的異步發(fā)電機(jī)在發(fā)出有功功率的同時，需要從系統(tǒng)吸收無功功率，且無功需求隨有功輸出的變化而變化。當(dāng)風(fēng)電場的容量較小時，這些特性對電力系統(tǒng)的影響并不顯著，但隨著風(fēng)電場容量在系統(tǒng)中所占比例的增加，風(fēng)電場對電力系統(tǒng)的影響會越來越顯著。本文主要從以下幾個方面討論并網(wǎng)風(fēng)電場對電力系統(tǒng)的影響，包括并網(wǎng)過程對電網(wǎng)的沖擊、對電網(wǎng)頻率、電網(wǎng)電壓、電網(wǎng)穩(wěn)定性、電能質(zhì)量以及繼電保護(hù)的影響。1、并網(wǎng)過程對電網(wǎng)的沖擊異步電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行時，沒有獨(dú)立的勵磁裝置，

5、并網(wǎng)前發(fā)電機(jī)本身沒有電壓，因此并網(wǎng)時必然伴隨一個過渡過程。直接并網(wǎng)時，流過58倍額定電流的沖擊電流，一般經(jīng)過幾百毫秒后轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)。異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時沖擊電流的大小，與并網(wǎng)時網(wǎng)絡(luò)電壓的大小、發(fā)電機(jī)的暫態(tài)電抗以及并網(wǎng)時的滑差有關(guān)?；钤酱?，則交流暫態(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(jī)組與大電網(wǎng)并聯(lián)時，合閘瞬間的沖擊電流對發(fā)電機(jī)及電網(wǎng)系統(tǒng)安全運(yùn)行不會有太大影響。但對小容量電網(wǎng)而言，風(fēng)電場并網(wǎng)瞬間將會造成電網(wǎng)電壓的大幅度下跌，從而影響接在同一電網(wǎng)上的其他電器設(shè)備的正常運(yùn)行，甚至?xí)绊懙秸麄€電網(wǎng)的穩(wěn)定與安全。目前可以通過加裝軟起動裝置和風(fēng)機(jī)非同期并網(wǎng)來削弱沖擊電 流，但會給電網(wǎng)帶來一定的

6、諧波污染。2、對電網(wǎng)頻率的影響風(fēng)電場對系統(tǒng)頻率的影響取決于風(fēng)電場容量占系統(tǒng)總?cè)萘康谋壤?。?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(jī)波動性對電網(wǎng)頻率的影響顯著，影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量和一些對頻率敏感負(fù)荷的正常工作。這就要求電網(wǎng)中其他常規(guī)機(jī)組有較高的頻率響應(yīng)能力，能進(jìn)行跟蹤調(diào)節(jié)，抑制頻率的波動。考慮到風(fēng)電的不穩(wěn)定性，當(dāng)風(fēng)電由于停風(fēng)或大失速而失去出力后，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。消除該影響的主要措施是提高系統(tǒng)的備用容量和采取優(yōu)化的調(diào)度運(yùn)行方式。當(dāng)然，當(dāng)電力系統(tǒng)較大、聯(lián)系緊密時，頻率問題不顯著。3、對電網(wǎng)電壓的影響風(fēng)力發(fā)電出力隨風(fēng)速大小等因素而變化，同時

7、由于風(fēng)力資源分布的限制，風(fēng)電場大多建設(shè)在電網(wǎng)的末端，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較薄弱(短路容量較小)，因此在風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行時必然會影響電網(wǎng)的電壓質(zhì)量和電壓穩(wěn)定性。另外，風(fēng)力發(fā)電機(jī)多采用感應(yīng)發(fā)電機(jī)，感應(yīng)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行需要無功支持，因此并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)對電網(wǎng)來說是一個無功負(fù)荷。為滿足風(fēng)力發(fā)電場的無功需求，每臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)都配有無功補(bǔ)償裝置。目前常用的是分組投切電容器，其最大無功補(bǔ)償量是根據(jù)異步發(fā)電機(jī)在額定功率時的功率因數(shù)設(shè)計(jì)的。即在額定功率時無功補(bǔ)償量必須保證功率因數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)的額定功率因數(shù)，一般大于098。由于分組投切電容器不能實(shí)現(xiàn)快速連續(xù)的電壓調(diào)節(jié)，對快速的電壓變化無能為力。風(fēng)力發(fā)電對電網(wǎng)電壓的影響主要有慢的(

8、穩(wěn)態(tài))的電壓波動、快的電壓波動(1lJ閃變)、波形畸變(1llJ諧波)、電壓不平衡(即負(fù)序電壓)、瞬態(tài)電壓波動(1lJ電壓跌落和凹陷)等。4、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。這是由于： (1)普通的無功補(bǔ)償方式為電容器補(bǔ)償，補(bǔ)償量與接入點(diǎn)電壓的平方成正比，當(dāng)系統(tǒng)電壓水平降低時，無功補(bǔ)償量下降很多，而風(fēng)電場對電網(wǎng)的無功需求反而上升，進(jìn)一步惡化電壓水平，嚴(yán)重時會造成電壓崩潰，風(fēng)機(jī)被迫停機(jī)；(2)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(jī)組由于自身的低電壓保護(hù)而停機(jī)，風(fēng)電場有功輸出減少，相應(yīng)地系統(tǒng)失去部分無功負(fù)荷，從而導(dǎo)致電壓水平偏高，甚至使風(fēng)電場母線電壓越限；

9、(3)故障切除不及時，會發(fā)生暫態(tài)電壓失穩(wěn)；(4)風(fēng)電場出力過高有可能降低電網(wǎng)的電壓安全裕度，容易導(dǎo)致電壓崩潰?？偠灾?，并網(wǎng)型風(fēng)電場對于電網(wǎng)穩(wěn)定性的主要威脅，一方面是風(fēng)速的波動性和隨機(jī)性引起風(fēng)電場出力隨時問變化且難以準(zhǔn)確預(yù)測，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電接入系統(tǒng)時潛在安全隱患；另一方面是弱電網(wǎng)中風(fēng)電注入功率過高引起的電壓穩(wěn)定性降低。5、對電能質(zhì)量的影響風(fēng)電對于電力系統(tǒng)是一個干擾源。風(fēng)電對電能質(zhì)量的影響主要有以下三方面(前述對電壓的影響是最重要的方面)：(1)風(fēng)速變化、湍流以及風(fēng)力機(jī)尾流效應(yīng)造成的紊流，會引起風(fēng)電功率的波動和風(fēng)電機(jī)組的頻繁啟停，風(fēng)機(jī)的桿塔遮蔽效應(yīng)使風(fēng)電機(jī)組輸出功率存在周期性的脈動；(2)軟起動并

10、網(wǎng)時，由軟起動裝置引起的各次諧波；(3)風(fēng)電經(jīng)ACDCAC并網(wǎng)時，由于脈寬調(diào)制變換器產(chǎn)生的諧波。諧波的次數(shù)和大小與采用的變換裝置和濾波系統(tǒng)有關(guān)。6、對繼電保護(hù)裝置的影響與常規(guī)配電網(wǎng)保護(hù)不同，通過風(fēng)電場與電力系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線的潮流有時是雙向的。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在有風(fēng)期間都和電網(wǎng)相連，當(dāng)風(fēng)速在起動風(fēng)速附近變化時，為防止風(fēng)電機(jī)組頻繁投切對接觸器的損害，允許風(fēng)電機(jī)組短時電動機(jī)運(yùn)行，此時會改變聯(lián)絡(luò)線的潮流方向，繼電保護(hù)裝置應(yīng)充分考慮到這種運(yùn)行方式。其次，并網(wǎng)運(yùn)行的異步發(fā)電機(jī)沒有獨(dú)立的勵磁機(jī)構(gòu)，在電網(wǎng)發(fā)生短路故障時，由于機(jī)端電壓顯著降低，異步發(fā)電機(jī)僅能提供短暫的沖擊短路電流。此外， 由于目前一般風(fēng)機(jī)出口電壓大都是6

11、90V，折算到35kV(威更高電壓等級)側(cè)時其阻抗需乘以 =(u35Uo 6 ),因此從35kV側(cè)的等值電路來看，風(fēng)力發(fā)電機(jī)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，因此風(fēng)電接入點(diǎn)的保護(hù)配置要考慮到風(fēng)電場的這一特點(diǎn)?？傊L(fēng)電場故障電流主要由公用電網(wǎng)電源提供，風(fēng)電場保護(hù)的技術(shù)困難是如何根據(jù)有限的故障電流來識別故障的發(fā)生，從而使保護(hù)裝置快速而準(zhǔn)確地動作。7、大容量風(fēng)電并網(wǎng)電網(wǎng)故障對潮流的影響在電網(wǎng)發(fā)生事故時，系統(tǒng)電壓瞬時發(fā)生變化，風(fēng)機(jī)在自身保護(hù)特性的作用下，降低了出力，系統(tǒng)潮流重新分布，重要聯(lián)絡(luò)線潮流變化明顯。通過電網(wǎng)實(shí)際故障經(jīng)模擬計(jì)算故障情況下風(fēng)電機(jī)組出力變化對系統(tǒng)潮流的影響

12、，因此在各種工況計(jì)算時，應(yīng)充分考慮風(fēng)電機(jī)組出力對計(jì)算結(jié)果的影響。積累風(fēng)電運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對故障期間風(fēng)電受低電壓能機(jī)組的實(shí)際動作、出力變化情況提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以提高仿真計(jì)算的精確度，更好地掌握在風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)時的系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。8、電網(wǎng)電壓不平衡對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的影響潮流計(jì)算是獲取電網(wǎng)運(yùn)行情況和分析電網(wǎng)穩(wěn)定狀態(tài)的基礎(chǔ)工具, 一些風(fēng)力發(fā)電的相關(guān)研究已經(jīng)使用了潮流計(jì)算。這些研究近似認(rèn)為系統(tǒng)三相平衡, 潮流可以采用單相代表三相來處理, 然而為了研究電網(wǎng)的三相不平衡運(yùn)行, 三相必須分別計(jì)算。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)電壓取決于系統(tǒng)電壓, 而風(fēng)力發(fā)電機(jī)組吸收的無功功率及機(jī)端電容補(bǔ)償?shù)臒o功功率與并網(wǎng)點(diǎn)電壓有關(guān)。因此風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

13、母線電壓、無功均為未知量。風(fēng)力異步發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng), 發(fā)出有功功率, 吸收無功功率。同時電網(wǎng)通過發(fā)電機(jī)終端電壓影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)的關(guān)系實(shí)際上是功率和電壓之間的關(guān)系, 通過適當(dāng)連接電網(wǎng)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的模型可以進(jìn)行綜合仿真. 仿真步驟如下:(1) 設(shè)t=t0(t0 是仿真周期的起始時間) , 給出各母線電壓各相初始值；(2) 應(yīng)用t 時刻風(fēng)速和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組終端電壓當(dāng)前值, 進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組動態(tài)仿真, 計(jì)算出風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有功、無功功率；(3) 進(jìn)行電網(wǎng)三相潮流計(jì)算, 得到修正后電壓；(4) 應(yīng)用t 時刻風(fēng)速和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組終端電壓當(dāng)前值, 進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組動態(tài)仿真, 計(jì)算出風(fēng)力發(fā)

14、電機(jī)組有功、無功功率；(5) 如果有功和無功功率的初始值與修正后的修正值非常接近(誤差tend(tend 仿真周期的截止時間),如果此式成立, 進(jìn)入第8步,否則返回第2 步。四、改善風(fēng)電場對電網(wǎng)影響的措施風(fēng)力發(fā)電的并網(wǎng)對電網(wǎng)的電能質(zhì)量和安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來的負(fù)面影響，可以通過一些有效措施得到改善，進(jìn)一步降低風(fēng)電對電網(wǎng)的影響。1、無功補(bǔ)償技術(shù)改善風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行性能的無功補(bǔ)償技術(shù)包括風(fēng)電場出口安裝動態(tài)的無功調(diào)節(jié)裝置(svc)、具有有功無功綜合調(diào)節(jié)能力的超導(dǎo)g(SMES)裝置等措施。靜止無功補(bǔ)償器(svc)可以快速平滑地調(diào)節(jié)無功補(bǔ)償功率的大小，提供動態(tài)的電壓支撐，改善系統(tǒng)的運(yùn)行性能。將SVC安裝在風(fēng)電場的

15、出口，根據(jù)風(fēng)電場接入點(diǎn)的電壓偏差量來控制svcl,償?shù)臒o功功率，能夠穩(wěn)定風(fēng)電場節(jié)點(diǎn)電壓，降低風(fēng)電功率波動對電網(wǎng)電壓的影響。SMES可以在四象限靈活調(diào)節(jié)有功和無功功率，為系統(tǒng)提供功率補(bǔ)償，跟蹤電氣量的波動。在風(fēng)電場出口安裝SMES裝置，充分利用SMES有功無功綜合調(diào)節(jié)的能力，可以降低風(fēng)電場輸出功率的波動，穩(wěn)定風(fēng)電場電壓。2、風(fēng)電場通過輕型直流輸電(HVDC Light)與電網(wǎng)相連輕型直流輸電(HVDC Light)是在電壓源換流器(VSC)技術(shù)、門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)及絕緣柵雙極晶體管(IGBT)等全控型功率器件基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。由于使用了基于PWM控制的VSC結(jié)構(gòu)，HVDCLight具有直

16、流輸電的優(yōu)點(diǎn)。HVDC Light不僅解決了分散電源接入的輸電走廊問題，而且其靈活的無功、電壓調(diào)節(jié)能力，打破了短路容量比對風(fēng)電場容量的限制，同時也改善了交流系統(tǒng)的穩(wěn)定性和電能質(zhì)量，是風(fēng)力發(fā)電等分散電源與電網(wǎng)相連的一種理想選擇。3、變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組隨著電力電子元件的性價比不斷提高，未來幾年變速恒頻電機(jī)、雙饋電機(jī)等新型發(fā)電機(jī)組開始在風(fēng)機(jī)上推廣應(yīng)用，風(fēng)電場可以像常規(guī)機(jī)組一樣，承擔(dān)電壓及無功控制的任務(wù)，以最大限度提高風(fēng)能的利用效率。使用變速恒頻風(fēng)電機(jī)組有幾種方案可供選擇：采用通過電力電子裝置與電網(wǎng)相連的同步發(fā)電機(jī)；或者采用變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)以最佳葉尖比運(yùn)行，比變槳距控制的實(shí)現(xiàn)更簡單、更經(jīng)濟(jì)。五、結(jié)論風(fēng)力發(fā)電是一種新能源,風(fēng)能是近期最有大規(guī)模開發(fā)利用前景的可再生能源,許多國家都制定了風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展規(guī)劃和激勵政策,以加快技術(shù)改進(jìn)和市場開拓。目前并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電是大規(guī)模利用風(fēng)能最經(jīng)濟(jì)的方式,隨著技術(shù)的發(fā)展和規(guī)模的擴(kuò)大,風(fēng)力發(fā)電的成本還將繼續(xù)下降。中國電力部年決定加快風(fēng)力發(fā)電的商業(yè)化進(jìn)程,將清潔的風(fēng)能作為世紀(jì)能源可持續(xù)發(fā)展的一個重要組成部分,所以研究風(fēng)力發(fā)電技術(shù)刻不容緩。但隨著風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量和風(fēng)電場規(guī)模的不斷增大,風(fēng)電也對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來一定的影響。風(fēng)電機(jī)組對電網(wǎng)功率因數(shù)的影響和導(dǎo)致局部電網(wǎng)