浅谈规模化风电接入对电网安全稳定运行的影响

浅谈规模化风电接入对电网安全稳定运行的影响

沙德武

沙德武

身份证号码：342623198710127115

摘要：尽管目前风电并没有成为大多数国家最为主要的电能来源，但风电在总体供电量中的比重正在逐步上升是谁也不能否认的事实。然而，由于风电受到风向、风力等因素的影响较大，如何确保风电的稳定性和质量这个问题必须得到解决。笔者对规模化风电接入电网的可行性进行了深入剖析，并就其对于电网的影响和制约因素谈了自己的认识和理解，希望能够对风电的开发和规划起到一定的帮助作用。

关键词：规模化风电；电网安全；电网稳定性；影响

风力发电作为运用新能源进行发电的诸多技术类别中最为成熟的一项，具有较短的建设周期、较为灵活的装机规模、较高的经济效益、较小的占地面积等众多优势。但我们在看到风电优势的同时，也不能忽视风电的局限性，最为突出的一点在于：风速、风向的不稳定将会造成风电场的不稳定，而对其进行并网必将对电网整体的稳定性造成冲击。因此，规模化风电接入使电网的安全、稳定运行面临着严峻的挑战。

1风电运行特点及要求

1.1风电运行特点

风力发电具有以下几个特点：（1）风电因风的不确定性而存在较为明显的间歇性、随机性。（2）风电可能会出现与主电网的负荷呈反调节现象的问题。（3）风电较容易受到气象的影响，气候突变甚至能使风电从有到无或者从无到有。（4）一年中能够利用风力进行发电的时间相对有限。（5）风电无法做到火电的可持续和可控制，对于风电进行控制和调节相对较难实现，功率调节也只能在极有限的范围内进行。

1.2风机运行对风速的要求

要想保证风机正常运行就需要将其风速控制在3m/s-25m/s，对应（3-10）级的风速等级，风机的额定风速要控制在12m/s（6级风），如今我国中广核的风机容量为850kW的风机，山东风机的容量主要以1.5MW、2.0MW为主。此过程中还要对风速进行有效控制，当风速<12m/s时，风机维护工作可以正常进行，当风速≥12m/s时，在机舱外的一切维修工作将停止，当风速≥15m/s时，在机舱内的一切维修工作将停止，当风速≥18m/s时，请勿攀登风机进行工作。

2风电的规模化接入对于电网造成的影响

2.1对网损的影响

根据实际情况来看，在我国境内风能较为丰富且能将其较好地运用于风力发电领域的地区基本上都在主电网末端，通过风电电网的接入能够有效降低主网对这些地区的功率输送值，进而降低在输送过程中产生的电压降低和网损。这样，风电的接入相当于是对当地电网进行了良好的补充，对于该地区的电能供应意义非凡。具体来说，电网的损耗程度因介入了规模化的风电而产生了变化，至于这个变化是积极的还是消极的，则要看风电机组的功率及其接入位置。

2.2电压偏差、冲击、波动造成的电能质量改变

因电压偏差需要在接入电网的过程中吸收大量的无功功率，这会导致风力发电设备所在的地区电压相对较低，这种情况在当地的电力容量和电力等级都较小时体现得尤为明显，因此在接入风电设备时必须进行无功功率的补偿。然而，在将风电接入局与电网之后，因风电设备会吸收大量的无功功率，这也就造成了在风速相对较大时，电压的偏差也会随之增大，在极端状况下甚至会造成电压崩溃的情况。

电压冲击的出现则是由于在将风力发电设备进行并网、脱网，以及对电容器进行无功补偿和切换等工序时，都会对主电网的稳定性造成较大的冲击。

风电机组功率的波动会造成电网电压的波动，而风电机组的功率是由风的有无、风速的大小以及风力发电设备的机械特性等因素综合影响的。

另外，电能质量还需要考虑谐波问题的影响，由于在机组中使用了电子装置，线路电抗能与机组并联的电容器产生谐振。另外，如果对电子设备控制装置的设计流程把握不好，还会造成波形的畸变，以至于更加恶劣的后果发生。

3风电的规模化接入对电网稳定性的影响

3.1对风电电压稳定性的影响

由于主电网和风电相互制约，主电网的极限电压能够对风力发电的机组容量产生极大地束缚，而且风电设备所在地区的电网条件一般跟不上风电的发展速度，风电的电能产出量受风速等因素的影响而发生变化，又因为大部分风电场多位于主电网末端，因此其电网的结构相对较为薄弱，因而局部的电压较容易产生不稳定的波动，进而对主网的正常运转造成影响。正如上文所说，发电机组吸收无功功率的多少由风力大小决定，也就是说，若风力电场的容量大，整个电网的电压下降，无功功率的补偿量自然也会随之降低，同时又因为无功功率补偿电容会造成无功功率的补偿不足，进而造成了整个电场对于无功功率需求的急剧提升，对电压造成更大的影响。如果风电场的规模很大，那么主网上电压的些微变动就会受到风电场的放大，严重时还会造成电压的崩溃。这时部分设备就会由于电压较低而自动停机，在这种情况下，所需的无功功率便会降低，电网中的电压则会再次升高，造成二次影响，这两次影响的叠加会造成更加严重的后果。因此对于不同的区域电网要给予相应的调度体系，具体如图1所示。由于风力、风速等因素造成的负面影响则类似于主网的电压波动，所以在风力发电的电场内部也需要安装有无功功率补偿装置，实现在风速或主网电压出现波动时的无功功率快速支撑。

图1区域电网的风电调度框架

3.2对整个系统暂态稳定性的影响

在对风力发电的设备和机组进行并网之后，其对于系统暂态稳定性的影响主要是由主电网的网络强度决定的，如果主电网足够强，在风力发电机组受到较大的扰动之后，整个系统可以在故障的排除和机端电压的恢复之后重新正常运转。如果主电网强度不足，那么风电机组就无法在恢复正常后重新进行机端电压的建立，进而造成对于整个电网系统暂态稳定性的破坏。

3.3对系统频率稳定性的影响

由于电力系统在初始频率下工作时会受到一定程度的扰动作用，在扰动消失足够长的时间之后，如果其能够以一定的精确度回到其初始状态，那么就可以说这个系统频率是稳定的，反之则不稳定。风电的不稳定性决定了系统频率因风电系统的接入而面临了严峻的挑战，系统的频率会因风速的变动而受到极大的影响，极端情况下甚至会造成系统失稳的严重后果。另外，风电在无风和有风之间的变动过程中，会对电网频率造成相当大的影响。如果风电的电场容量较小，主网还能够将这一部分波动吸收，但是如果风电电场较大，风电的不稳定必将对主网的频率造成极大地影响。要想消除这一影响，就必须将主网建设得更加牢固。表1描述的是不同风电穿透功率下频率质量的合格率。

表1不同风电穿透功率下频率质量合格率

接入风机台数频率质量合格率（％）

20099．46

40098．35

60097．6l

4风电规模化接入的影响因素

风电接入的规模大小由主网能够并入多少风电决定，而对风电并入的容量能够造成影响的因素有：线路的输送能力、电网的网络结构、机组的最低出力以及电网的备用容量。风力起始出力较低，之后缓慢升高，而主电网要想实现发电和用电的功率平衡，就必须降低出力，这时对风电的接入容量产生制约的因素就是机组的最低出力。在负荷相对较低时，水电、火电等电厂已降低其出力水平，如果这时风电出力增加，那么风电接入的制约因素就在于其他电厂能不能实现其出力水平的进一步压缩。另外，当风力发电的输出从有到无或从大到小的时候，系统的备用容量能否实现有功空缺的及时弥补，也是一个重要的影响因素。

5结语

由于目前风电还存在着相当明显的波动性和间歇性，因此其对于整个电网的质量造成了不小的影响。所以，要想实现规模化风电的接入，就必须考虑其对于系统正常运行所造成的影响，并综合分析风力发电电场容量的诸多影响因素，同时注重风电场内设备的保养和与主电网之间联系的加强。从长远角度来看，风力发电的电能质量肯定不能一直这样难以控制，要想解决这一点，有关政府部门和科研机构必须对这个问题有足够的重视和关注。

参考文献:

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