風力發(fā)電對電力系統(tǒng)運行的影響

1、風力發(fā)電對電力系統(tǒng)運行的影響摘要:風力發(fā)電作為一種綠色能源有著改善能源結構，經濟環(huán)保等方而的優(yōu)勢，也是未來能源電力發(fā)展的一個趨勢，但風力發(fā)電技術要具備與傳統(tǒng)發(fā)電技術相當?shù)母偁幜?，還存在一些問題有待解決，本文從風力發(fā)電對電力系統(tǒng)的影響入手，總結了風電網并入電網主要面臨的一些技術問題，如風力發(fā)電場的規(guī)模問題，對電能質量的影響，對穩(wěn)定性的影響，對保護裝置的影響等;然后針對這此技術問題，綜合比較了各國研究和工程技術人員在理論和實際運行方面的相關解決方案，指出各方案的優(yōu)缺點，期待更加成熟的風力發(fā)電技術的形成，以建設我國具有自主產權的風電產業(yè)。關鍵詞:風力發(fā)電，電能質量，穩(wěn)定性，解決方案0引言 能源是推動

2、社會進步和人類賴以生存的物質基礎。目前，全球能源消耗速度逐年遞增，大量能源的消耗，已帶來十分嚴重的環(huán)境問題，如氣候變暖、生態(tài)破壞、大氣污染等，并且傳統(tǒng)的化石能源儲量有限，過度的開采利用將加速其耗竭的速度。在中國由于長期發(fā)電結構不合理，火電所占比例過大，由此帶來了日益嚴重的燃料資源缺乏和環(huán)境污染問題。對于可再生能源的開發(fā)和利用變得頗為急切。在各種可再生能源利用中，風能具有很強的竟爭力。風能發(fā)電在技術上日趨成熟，商業(yè)化應用不斷提高，是近期內最具有大規(guī)模開發(fā)利用前景的可再生資源。經濟性方面，風力發(fā)電成本不斷降低，同時常規(guī)能源發(fā)電由于環(huán)保要求增高使得成本進一步增加;而且隨著技術的進步，風力發(fā)電的成本將

3、有進一步降低的巨大潛力。我國的海洋和陸地風能資源很豐富，江蘇位于東南沿海，海上風能資源有很大的開發(fā)潛力。江蘇省如東縣建設了我國第一個風電場特許權示范項目。該項目是國內迄今為止最大的風電場項目，其一期建設規(guī)模為100MW，單機容量1MW，100臺風機，全部采用雙饋感應發(fā)電機。江蘇省鹽城也正在準備建風電場，但目前江蘇乃至全國的風力發(fā)電技術都還不成熟。 大規(guī)模的風力發(fā)電必須要實現(xiàn)并網運行。風電場接入電力系統(tǒng)的分析是風電場規(guī)劃設計和運行中不可缺少的內容，是風力發(fā)電技術的三大課題之一(其余兩項為風能儲量調查與風力發(fā)電機組技術)。盡管歐美的風電大國對風力發(fā)電的建設和運行已經有一些實際經驗和技術規(guī)定，但由于

4、和我國電網結構的實際情祝差別很大，并不能完全適合我國的情況。本文主要介紹風力風電并網對電力系統(tǒng)的影響。1風力發(fā)電對電力系統(tǒng)的影響 風力發(fā)電在電力中的比例逐年增加，而在風力資源豐富地區(qū)，電網往往較弱，風力發(fā)電對電網間的影響也是應該考慮的問題。風電場并入電網主要會面臨以下一些技術問題：風力發(fā)電場的規(guī)模問題，對電能質量的影響，對穩(wěn)定性的影響，對保護裝置的影響等。1.1風力發(fā)電場的規(guī)模問題 目前，我國正在進行全國電網互聯(lián)，電網規(guī)模日益增大。對于接入到大電網的風電場，其容量在電網總裝機容量中占的比例很小，風電功率的注入對電網頻率影響甚微，不是制約風電場規(guī)模的主要問題。然而，風能資源豐富的地區(qū)人口稀少，負

5、荷量小，電網結構相對薄弱，風電功率的注入改變了電網的潮流分布，對局部電網的節(jié)點電壓產生較大的影響，成為制約風電場規(guī)模的重要問題。 風力發(fā)電的原動力是自然風，因此風電場的選址主要受風資源分布的限制，在規(guī)劃建設風電場時，首先要考慮風能儲量和地理條件。然而風力資源較好的地區(qū)往往人口稀少，負荷量小，電網結構相對薄弱，風電功率的注入改變了局部電網的潮流分布，對局部電網的電壓質量和穩(wěn)定性有很大影響，限制了風電場接入系統(tǒng)的方式和規(guī)模。 另外風力發(fā)電的原動力是不可控的，它是否處于發(fā)電狀態(tài)以及出力的大小都決定于風速的狀況，風速的不穩(wěn)定性和間歇性決定了風電機組的出力也具有波動性和間歇性的特點。在現(xiàn)有的技術水平下風

6、力發(fā)電還無法準確預報，因此風電基木上是不可調度的。從電網的角度看，并網運行的風電場相當于一個具有隨機性的擾動源，對電網的可靠運行造成一定的影響。由此可見，確定一個給定電網最大能夠承受的風電注入功率成為風電場規(guī)劃設計階段迫切需要解決的問題。1.2對電能質量的影響 風資源的不確定性和風電機組本身的運行特性使風電機組的輸出功率是波動的，可能影響電網的電能質量，如電壓偏差、電壓波動和閃變、諧波以及周期性電壓脈動等。電壓波動和閃變是風力發(fā)電對電網電能質量的主要負面影響之一。電壓波動的危害表現(xiàn)在照明燈光閃爍、電視機畫面質量下降、電動機轉速不均勻和影響電子儀器、計算機、自動控制設備的正常工況等。影響風力發(fā)電

7、產生波動和閃變的因素有很多：隨著風速的增大，風電機組產生的電壓波動和閃變也不斷增大。并網風電機組在啟動、停止和發(fā)電機切換過程中也產生電壓波動和閃變。風電機組公共連接點短路比越大，風電機組引起的電壓波動和閃變越小。另外，風電機組中的電力電子控制裝置如果設計不當，將會向電網注入諧波電流，引起電壓波形發(fā)生不可接受的畸變，并可能引發(fā)由諧振帶來的潛在問題。 異步電機作為發(fā)電機運行時，沒有獨立的勵磁裝置，并網前發(fā)電機本身沒有電壓，因此并網時必然伴隨一個過渡過程，流過56倍額定電流的沖擊電流，一般經過幾百毫秒后轉入穩(wěn)態(tài)。風力發(fā)電機組與大電網并聯(lián)時，合閘瞬間的沖擊電流對發(fā)電機及電網系統(tǒng)安全運行不會有太大影響。

8、但對小容量的電網而言，風電場并網瞬間將會造成電網電壓的大幅度下跌，從而影響接在同一電網上的其他電器設備的正常運行，甚至會影響到整個電網的穩(wěn)定與安全。1.3對穩(wěn)定性的影響 風力發(fā)電通常接入到電網的末端，改變了配電網功率單向流動的特點，使潮流流向和分布發(fā)生改變，這在原有電網的規(guī)劃和設計時是沒有預先考慮的。因此，隨著風電注入功率的增加，風電場附近局部電網的電壓和聯(lián)絡線功率將會超出安全范圍，嚴重時會導致電壓崩潰。 由于采用異步發(fā)電機，風電系統(tǒng)在向電網注入功率的同時需要從電網吸收大量的無功功率。因此，為了補償風電場的無功功率，每臺風力發(fā)電機都配有功率因數(shù)校正裝置，目前常用的是分組投切的并聯(lián)電容器。電容器

9、的無功補償量的大小與接入點電壓的平方成正比，當系統(tǒng)電壓水平較低時，并聯(lián)電容器的無功補償量迅速下降，導致風電場對電網的無功需求上升，進一步惡化電壓水平，嚴重時會造成電壓崩潰。 由于異步發(fā)電機的功率恢復特性，當電網發(fā)生短路故障時，若故障切除不及時，也將容易導致暫態(tài)電壓失穩(wěn)。 另一方面，隨著風電場規(guī)模的不斷擴大，風電場在系統(tǒng)中所占的比例不斷增加，風電輸出的不穩(wěn)定性對電網的功率沖擊效應也不斷增大，對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響就更加顯著，嚴重情況下，將會使系統(tǒng)失去動態(tài)穩(wěn)定性，導致整個系統(tǒng)的瓦解。1.4對保護裝置的影響 為了減少風電機組的頻繁投切對接觸器的損害，在有風期間風電機組都保持與電網相連，當風速在起動風速附

10、近變化時，允許風電機組短時電動機運行，因此風電場與電網之間聯(lián)絡線的功率流向有時是雙向的。因此，風電場繼電保護裝置的配置和整定應充分考慮到這種運行方式。 異步發(fā)電機在發(fā)生近距離三相短路故障時不能提供持續(xù)的故障電流，在不對稱故障時提供的短路電流也非常有限。因此風電場保護的技術困難是如何根據(jù)有限的故障電流來檢測故障的發(fā)生，使保護裝置準確而快速的動作。另一方面，盡管風力發(fā)電提供的故障電流非常有限，但也有可能會影響現(xiàn)有配電網絡保護裝置的正確運行，這在最初的配電網保護配置和整定時是沒有考慮到的。2解決措施2.1風力發(fā)電場的規(guī)模問題 衡量風力發(fā)電規(guī)模的兩個指標 國內外的學者和工程技術人員通常采用以下兩個指標

11、來表征電力系統(tǒng)中風力發(fā)電規(guī)模的大小，以此作為計算分析和進行評價的依據(jù): (1)風電穿透功率極限：風電穿透功率(wind power penetration)是指系統(tǒng)中風電場裝機容量占系統(tǒng)總負荷的比例。風電穿透功率極限定義為在滿足一定技術指標的前提下接入系統(tǒng)的最大風電場裝機容量與系統(tǒng)最大負荷的百分比。表征系統(tǒng)能夠承受的最大風電場裝機容量。根據(jù)歐洲國家的一些統(tǒng)計數(shù)據(jù)，風電穿透功率達到10%是可行的。 （2）風電場短路容量比：定義為風電場額定容量Pwind與該風電場與電力系統(tǒng)的連接點-PCC（ Point of Common Coupling)的短路容量Ssc之比。短路容量表示網絡結構的強弱，短路容

12、量大說明該節(jié)點與系統(tǒng)電源點的電氣距離小，聯(lián)系緊密。風電場接入點的短路容量反映了該節(jié)點的電壓對風電注入功率變化的敏感程度。風電場短路容量比小表明系統(tǒng)承受風電擾動的能力強。對于風電場的短路容量比這一指標，歐洲國家給出的經驗數(shù)據(jù)為3.3%5%，日本學者認為短路比在10%左右也是允許的。 風電場最大注入功率的影響因素和計算方法 風電場的最大注入功率不僅取決于風電場的運行特性和系統(tǒng)中其它發(fā)電設備的調節(jié)能力，還與風電接入的系統(tǒng)的網絡結構等諸多因素密切相關。主要的因素有:風電場接入點負載能力的強弱;風電場與電網的聯(lián)接方式;系統(tǒng)中常規(guī)機組的調節(jié)能力的大小;風電機組的類型和無功補償狀況;地區(qū)負荷特性等。分析風電

13、場最大注入功率的主要方法有：時域仿真法，穩(wěn)態(tài)潮流仿真法，靜態(tài)安全約束和優(yōu)化的方法，穩(wěn)態(tài)頻率約束的方法，各種方法重點考慮的影響因素不同，適用的范圍也不同，也可以將其中兩種或兩種以上進行組合計算。具體的方法分析如表1所示。 文獻21給出了包含風電場的電力系統(tǒng)潮流的交替迭代計算方法，結合實際系統(tǒng)分析了影響風電機組最大注入功率的各種因素。分析計算表明，制約風機一異步發(fā)電機組的最大注入功率的主要原因是風電功率注入引起的節(jié)點電壓越限。風電機組的最大注入功率是風電場接入地區(qū)的中樞點電壓水平、風電系統(tǒng)負荷的輕重、風電場的無功補償容量大小以及風電場接入系統(tǒng)的聯(lián)絡線的x/r的大小等因素綜合作用的結果。提高風電接入

14、系統(tǒng)的電壓調整能力、適當增加風電場的無功補償量和采用x/r較小的聯(lián)絡線將有利于提高風電場的最大注入功率。文中最后根據(jù)我國實際情況，從風電場接入地區(qū)的局部電網的電壓水平和穩(wěn)定性出發(fā)，以風電場短路容量比為指標，用時域仿真和穩(wěn)態(tài)潮流仿真相結合的方法對某個實際的系統(tǒng)進行計算，計算結果表明，該系統(tǒng)中風電場的最大安裝容量可以突破短路比10%的限制。2.2改善電能質量問題 改善電網結構 并網風電機組的公共連接點短路比和電網的線路X/R比是影響風電機組引起的電壓波動和閃變的重要因素。風電機組公共連接點短路比越大，風電機組引起的電壓波動和閃變越小。合適的電網線路X/R比可以使有功功率引起的電壓波動被無功功率引起

15、的電壓波動補償?shù)簦瑥亩拐麄€平均閃變值有所減輕。研究表明，當線路X/R比很小時，并網風電機組引起的電壓波動和閃變很大。當線路X/R比對應的線路阻抗角為600700時，并網風電機組引起的電壓波動和閃變最小。另外通過人工干預使風電機組不同時啟停，可以減小啟停機對電網的影響。 安裝電力電子裝置 對于風電場并網過程對電網造成的沖擊，通常采用的是雙向晶閘管控制的軟啟動(Soft-Start)裝置。當風力機將發(fā)電機帶到同步速附近時，發(fā)電機輸出端斷路器閉合，使發(fā)電機經一組雙向晶閘管與電網連接，通過電流反饋對雙向晶閘管導通角進行控制，使雙向晶閘管的觸發(fā)角由1800向00逐漸打開，并網過程結束后，將雙向晶閘管短

16、接。通過采用這種軟啟動方式，可以將風電場并網時的沖擊電流限制在1.21.5倍額定電流以內，得到一個比較平滑的并網過程。2.3改善穩(wěn)定性問題 分組投切電容器 文獻23給出了分組快速投切電容器組對系統(tǒng)進行無功補償?shù)乃惴?，提及了風速和負荷變化對風電場輸出有功功率和無功功率影響。但是這種分組投切的電容器不能實現(xiàn)連續(xù)的電壓調節(jié)，其電容器的投切次數(shù)有一定的限制，其動作也有一定延時，因此對于風速的快速變化造成的電壓波動是無能為力的。 靜止無功補償器 靜止無功補償器 (SVC)可以快速平滑的調節(jié)無功補償功率的大小，提供動態(tài)的電壓支撐，改善系統(tǒng)的運行性能。將SVC安裝在風電場的出口，根據(jù)風電場接入點的電壓偏差量

17、來控制SVC補償?shù)臒o功功率，能夠穩(wěn)定風電場節(jié)點電壓，降低風電功率波動對電網電壓的影響。文獻17對某個具體的系統(tǒng)安裝SVC裝置前和安裝SVC裝置后進行了仿真計算，結果表明在安裝SVC裝置后，風電場節(jié)點電壓的波動明顯降低;當發(fā)生故障后，SVC的動態(tài)無功調節(jié)能力可以加快故障切除后風電場節(jié)點電壓的恢復過程，改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 超導儲能裝置 具有有功無功綜合調節(jié)能力的超導儲能裝置(SMES)能量密度高，其儲能密度可達108J/m3而且能夠快速吞吐有功功率。通過采用基于GTO的雙橋結構換流裝置，SMES可以在四象限靈活的調節(jié)有功和無功功率，為系統(tǒng)提供功率補償，跟蹤電氣量的波動。文獻25,26提出了在風電場出口安裝SMES裝置，充分利用SMES有功無功綜合調節(jié)的能力，可以降低風電場輸出功率的波動，穩(wěn)定風電場電壓。同時SMES是一種有源的補償裝置，與SVC相比其無功補償量對接入點電壓的依賴程度小，在低電壓時的補償效果更好。另外SMES代表了柔性交流輸電FACTS（Flexible ACTransmission System)的新技術方向，將SMES用于風力發(fā)電可以實現(xiàn)對電壓和頻率的同時控制。2.4保護裝置的調整 在風電場保護裝置的配置與整定方面，目前通常的做法是按照終端變電站的方案進行配置和整定。主要依靠配電網的保護來切除網絡的故障，然后由孤島保護、低電壓保護等措施來逐臺切除風電機組，