大规模风电并入电网对电力系统的影响

大规模风电并入电网对电力系统的影响

史百贺

北京京能新能源有限公司沈阳分公司辽宁沈阳110000

摘要：风力发电是可再生能源发电形式中技术最成熟、最具开发规模和商业化发展前景的，然而风电场的出力不可控，为配合风电场出力的频繁波动，需要其他常规发电厂出力及系统备用的频繁改变。随着新能源风电总装机容量的增加，这些问题将会严重影响电力系统的安全性、可靠性、经济性等指标。分析风电并入电网后对电力系统的影响对于新能源应用水平的提高和我国电力事业的发展都有着积极的意义。针对于此本文就大规模风电并入电网对电力系统的具体影响进行了分析。

关键词：风力发电；电力系统；电能质量

随着风力发电技术的快速发展和国家在政策上对可再生能源发电的重视，我国风力发电建设已进入了快速发展的时期。我国风资源较丰富，但适合大规模开发风电的地区一般都处于电网末端，由于此处电网网架结构较薄弱，因此大规模风电接入电网后可能会出现电网电压水平下降、线路传输功率超出热极限、系统短路容量增加和系统暂态稳定性改变等一系列问题。

一、风电对电力系统电压的影响

电压稳定问题取决于风电场及接入电网的无功特性。由于一般风能资源丰富地区距离负荷中心较远，大规模的风力发电是无法就地消纳的，需要通过输电网远距离输送到负荷中心。在风电场的风电出力较高时，大量风电功率的远距离输送往往会造成线路压降过大，风电场的无功需求及电网线路的无功损耗增大，电网的无功不足，局部电网的电压稳定性受到影响、稳定裕度降低。随着接入风电容量的增大。风电场从系统中吸收的无功功率逐渐增大，如果系统不能提供充足的无功，网内相关节点电压会逐渐降低。电网的电压稳定极限限制了风电场最大的装机容量，在电网规划没有与风电规划协调时，往往电网接纳风电的能力不能适应风电规划的发展，接入的风电场容量受到电网自身条件的限制。通过采用一定的无功补偿手段，可以增加电网的电压稳定裕度，提高风电场的最大装机容量。如果在风电场中安装一定容量的无功补偿装置（如并联电容器组）来提高风电场并网点的电压水平，能够改善风电接人地区的电压水平，提高电压稳定裕度，增加风电场的最大装机容量。另外，加强网架结构、采用具有电压无功控制能力的双馈变速风电机组，都可以更好地改善风电接入地区电网的电压水平与电压稳定性。

二、风电对电力系统稳定性的影响

2.1对稳态电压分布的影响

稳态情况下，风电并网的一个显著特点就是引起接入点的稳态电压上升。对于大规模分布式发电并入电网，只要其注入的功率大约小于所接入电网的整体负荷功率的，就可以减少线路上的功率损失，从而提升电压水平，因此风力发电并入电网总体上来说是会改善系统的稳态电压分布状态的，但其改善程度随风力发电机的类型、风电场的接入位置、风电场的容量、接入电网系统的比值的不同而有差别，如果选择不当会导致过电压。风电并网对电网静态电压稳定性的影响可以是正面的也可以是负面的，它跟风力发电机的运行点是密切相关的。

2.2对电网调频调峰的影响

风力发电接入电网运行对电力系统的影响是多方面的。风力发电接入电网后，电力网络由一个放射状网络变为一个遍布电源和用户互联的网络。传统配电网中的功率方向总是由配电变压器流向用户侧，接入风电后功率就有可能反向流过变压器，这样对电力系统设计与分析时就不能采用传统的方法，从而带来不便。另外，由于风能的随机性，风电场不利于电网的调频、调峰。在风电机达到额定转速前，其功率与风速的立方成正比，即风速增加一倍，输出功率增加）倍。由于风能的不可预测，风能分布的随机性等因素，风电的出力变化也在相当程度上不可预测和控制。同时，风电的出力变化与电网负荷变化一般都是相反的，即风电功率大时，电网的负荷往往是在下降的，尤其是在一些农灌负荷占相当比重的电网中。在风电场装机总量占全网比重不大的情况下，风电场不会对电网的调频、调峰造成太大的影响，反之就会有不利影响。

2.3对保护装置的影响

为了减少风电机组的频繁投切对接触器的损害，在有风期间风电机组都保持与电网相连，当风速在起动风速附近变化时，允许风电机组短时电动机运行，因此风电场与电网之间联络线的功率流向有时是双向的。因此，风电场继电保护装置的配置和整定应充分考虑到这种运行方式。异步发电机在发生近距离三相短路故障时不能提供持续的故障电流，在不对称故障时提供的短路电流也非常有限。因此风电场保护技术的困难是如何根据有限的故障电流来检测故障的发生，使保护装置准确而快速的动作。另一方面，尽管风力发电提供的故障电流非常有限，但也有可能会影响现有配电网络保护装置的正确运行，这在最初的配电网保护配置和整定时往往没有考虑。

三、风电对电力系统运行的影响

3.1对电能质量的影响

对于风电机组来说，发电机本身产生的谐波是可以忽略的，谐波电压是由电能转换系统、电力电子控制元件和电容器产生的。一台风机在运行期间产生的各种扰动的程度，主要依赖于其装备的电能转换系统的形式。异步发电机启动时从电网大量吸收无功，并网瞬间产生的冲击电流为额定电流的2～3倍，脱网时引起电网电压升高可达4%，严重时可能超过10%。大量分布式风电通过变流器接入配网，特别在风速高度不确定性下，对涌流、电压跌落、电压闪烁、谐波，及瞬时供电中断等电能质量问题都有较大影响。

3.2对电网调度方面的影响

对于传统的调度而言，它是基于负荷的相关可测性以及电源出力的相关可控性之上，因为风能的间歇性以及随机性，会给风电场的出力预测带来一定的难度，给发电的计划制定带来一定的困难。在大容量的风电场并网以后，如果系统的相关运行方式不能够对风电功率的相关变化进行追踪，不能够对发电计划作出相应的调整，那么系统的动态稳定性以及电能质量会受到非常显著的影响。

四、结束语

风电场接入电网对系统的稳定性与电能质量的影响是不可忽视的，这些问题处理不当不仅会危害用户的正常用电甚至会造成整个电网的瓦解，而且也严重制约了风能的有效利用。明确各种因素对风力发电引起的电能质量的影响，尽可能量化这些影响，确定各种影响因素之间的相互关系和它们联合作用下的效果。综合应用变流器控制和桨距角控制来调节风电机组的输出功率，确定变流器控制和桨距角控制的控制策略以使风电机组的输出功率最优，电能质量最优，是迫切需要解决的问题。

参考文献：

[1]李润良.大规模风电场集群并网的电力系统小扰动稳定分析[J].科技创新导报，2017（14）

[2]王金星.基于UPFC/BESS的大电网新能源系统功率波动柔性跟踪控制研究[J].电力建设，2017（38）