浅谈风电场并网对电网电能质量的影响

浅谈风电场并网对电网电能质量的影响

赵磊

广州发展新能源股份有限公司510623

摘要：对风电场并网运行后的电网电能质量进行分析和计算，首先对风电场并网运行引起闪变和谐波的原因进行了分析，根据ＩＥＣ标准和有关国家标准给出闪变和谐波的计算方法，最后结合实际算例对风电场并网运行后的电能质量计算分析方法进行了说明。研究表明，风电场并网运行所带来的电能质量问题与风电机组类型以及网络结构有关，应在风电场的规划阶段做好电能质量的评估工作，防止风电场接入电网后出现电能质量问题。

关键词：风力发电；电能质量；谐波；闪变

随着国家对风力发电的支持，风电场的容量在系统中所占的比例不断增加，风力发电对系统的影响越来越显著。电力系统对风力发电机的联网有着严格的要求：（1）有功功率的控制。要求风电场的出力变化速度（细分为爬坡和下降速率）低于一定限制；在极限风速条件下一个风电场内的风机不可以同时退出运行，以确保其他常规机组有足够的反应时间拾取负荷。不同容量风电场的标准也各不相同。（2）频率调节。由于风速的不可控性，要求风电场的实际出力水平将当时风速条件下的可出力水平下调一定的百分点，以保证在系统频率偏低的情况下风电场具备一定的有功备用参与一次调频。在频率偏高的情况下通过切机实现风电场参与二次调频。（3）电压控制。对风电场的无功补偿、电压波动、闪变、谐波、变压器分接头的调节提出明确要求，以确保风电场母线电压稳定在一定范围内，电能质量合格。

1风电场并网运行的特点

（1）风能的能量密度小。为了得到相同的发电容量，风力发电机的风轮尺寸比相应的水轮机大几十倍。

（2）风能的稳定性差。风能属于过程性能源，具有随机性、间歇性、不稳定性，风速和风向经常变动，它们对风力发电机的工况影响很大。为得到较稳定的输出电能，风力发电机必须加装调速、调向和刹车等调节和控制装置。

（3）风能不能储存。对于单机独立运行的风力发电机组，要保证不间断供电，必须配备相应的储能装置。

（4）风轮的效率较低。风轮的理论最大效率为59.3%，实际效率会更低一些，统计显示，水平轴风轮机最大效率通常在30%至47％。

（5）风电场的分布位置经常偏远。例如，我国的风电资源虽然比较丰富，但多数集中在西北、华北和东北“三北地区”。

由于风能具有以上特点，使得利用风能发电比用水力发电困难得多。总之，风电的最大缺点是不稳定，风电系统所发出的电能，若直接并人电网，将影响局部电网运行的稳定性。

2风电场并网对电网电能质量的影响

随着越来越多的风电机组并网运行，风力发电对电网电能质量的影响引起了广泛关注”。风资源的不确定性和风电机组本身的运行特性使风电机组的输出功率呈波动性，可能会影响电网的电能质量，如电压偏差、电压波动和闪变、谐波等。风力发电机组大多采用软启动并网方式，但是在启动时仍然会产生较大的冲击电流。当风速超过切出风速时，风机会从额定出力状态自动退出运行。如果整个风电场所有风机几乎同时动作，这种冲击对配电网的影响十分明显。不但如此，风速的变化和风机的塔影效应都会导致风机出力的波动，而其波动正好处在能够产生电压闪变的频率范围内，因此，风机在正常运行时也会给电网带来闪变问题。目前，电压波动和闪变是风力发电对电网电能质量的主要负面影响之一。风电给系统带来谐波的途径主要有两种一种是风力发电机本身配备的电力电子装置，可能带来谐波问题。对于直接和电网相连的恒速风力发电机，软启动阶段要通过电力电子装置与电网相连，会产生一定的谐波，不过过程很短，通常可以忽略。变速风力发电机通过整流和逆变装置接入系统，如果电力电子装置的切换频率恰好在产生谐波的范围内，则会产生很严重的谐波问题。另一种是风力发电机的并联补偿电容器可能和线路电抗发生谐振，在实际运行中，曾经观测到在风电场出口变压器的低压侧产生大量谐波的现象。

除此之外风电场往往地处偏远，且风电场中多采用异步发电机，它需要从电网中吸收无功功率，研究在风电的渗透率水平较高或接入弱电网时，系统发生扰动或故障情况下的风电场变化特性及其对系统稳定性的影响是一个重要的课题。在风电的稳定性研究中，通常用单机模型来代替整个风电场作动态特性研究。而单机模型对风电场的稳定性研究来说过于简化，因此需要建立一种既能反映风电场内部机组的联系、又能降低复杂性的综合模型，以保证对风电模拟分析的有效性。

3风力发电并网性能的建议

目前，大部分用于改善和提高电能质量的补偿装置都具有抑制电压波动与闪变的功能，如静止无功补偿器、有源滤波器、动态电压恢复器，以及配电系统电能质量统一控制器等。电压闪变是电压波动的一种特殊反映，闪变的严重程度与负荷变化引起的电压变动相关，在高电压或中压配电网中，电压波动主要与无功负荷的变化量及电网的短路容量有关。在电网短路容量一定的情况下，电压闪变主要是由于无功负荷的剧烈变动所致。因此，对于电压闪变的抑制，最常用的方法是安装静止无功补偿装置，目前这方面的技术已相当成熟。有源电力滤波器的工作原理与传统的完全不同，它采用可关断的电力电子器件，其作用原理是利用电力电子控制器代替系统电源向负荷提供所需的畸变电流，从而保证系统只须向负荷提供正弦的基波电流。动态电压恢复器是将一台由个单相电压源变流器构成的三相变流器串联接人电网与欲补偿的负荷之间。统一电能质量控制器结合了串、并联补偿装置的特点，具有对电压、电流质量问题统一补偿的功能，属于综合的补偿装置。

此外，并网风电机组的公共连接点短路比和电网的线路比是影响风电机组引起的电压波动和闪变的重要因素。风电机组公共连接点短路比越大，风电机组引起的电压波动和闪变越小。合适的电网线路比可以使有功功率引起的电压波动被无功功率引起的电压波动补偿掉，从而使整个平均闪变值有所减轻。

分组快速投切电容器组可以系统进行无功补偿并且价格比较便宜，因此得到了广泛的应用。但是这种分组投切的电容器不能实现连续的电压调节，其电容器的投切次数有一定的限制，其动作也有一定延时，因此对于风速的快速变化造成的电压波动是无能为力的SVC可以快速平滑地调节无功补偿功率的大小，提供动态的电压支撑，改善系统的运行性能。将SVC安装在风电场的出口，根据风电场接人点的电压偏差量来控制SVC补偿的无功功率，能够稳定风电场节点电压，降低风电功率波动对电网电压的影响。具有有功无功综合调节能力的超导储能装置能量密度高，而且能够快速吞吐有功功率。在风电场出口安装SNES装置可充分利用SNES有功无功综合调节的能力，降低风电场输出功率的波动，稳定风电场电压，同时是一种有源的补偿装置，与SVC相比其无功补偿量对接入点电压的依赖程度小，在低电压时补偿效果更好。高级的风力发电机的励磁控制系统对稳定性的作用也是研究的热点之一。

结语

风电的最大缺点是不可控性和间歇性，将风能与其他能源组成互补系统是一种解决的技术途径。另一种技术途径是风电的直接应用与大规模蓄能技术相结合。风能应用除了发电外，还将应用在海水淡化、制氢储能等诸多方面。风力发电机组的发展趋势主要有两个方面。一方面开发单机容量越来越大的级大型风电机组，另一方面开发分散式小型、微型风力发电系统。大型化的风电设备可降低风力发电的成本，分散式风力发电机组则可解决边远分散地区就地供电问题，省去投资庞大且很难有经济效益的供电网络的规划与建设。

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