风力发电对电力系统的影响

风力发电对电力系统的影响

摘要

风力发电总是依赖于气象条件，并逐渐以大规模风电场的形式并入电网，给电网带来各种影响。因此，电网并未专门设计用来接入风电，如果要保持现有的电力供应标准，不可避免地需要进行一些相应的调整.本论文依据正常条例讨论了风电设计和设备网络的开发所遇到的一些问题和解决风电场并网时遇到的各种问题。由于风力发电具有大容量、动态和随机性的特性,它给电力系统的有功/无功潮流、电压、系统稳定性、电能质量、短路容量、频率和保护等方面带来影响，针对这些问题提出了相应的对策，以期待更好地利用风力发电。

关键词:风力发电；电力系统;影响；风电场

1. 引言

人们普遍接受，可再生能源发电是未来电力的供应。由于电力需求快速增长，对以化石燃料为基础的发电是不可持续的。相反的，风电作为一种有发展前景的可再生能源备受人们关注。当由于工业发展和世界大部分地区经济的增长而引起电力的需求稳步增长时，它有抑制排放和降低不可替代燃料储备消耗的潜力。

当大型风电场(几百兆瓦)成为一个主流时，风力发电越来越受欢迎。2006年间，包括世界上超过70个国家在内的风能发展，装机容量从2005年的59091兆瓦达到74223兆瓦.2006年的巨大增长表明，决策者们开始重视风能发展能够带来的好处。由于到2020年12%的供电来于1250Gw的安装风电装机，将积累节约10771百万吨的二氧化碳，这个报道是人类减少温室气体排放的一个重要手段。

大型风电场的电力系统具有很高的容量、动态随机性能，这将会挑战系统的安全性和可靠性。而提供电力系统清洁能源的同时，风电场也会带来一些对电力系统不利的因素。随着风力发电的膨胀和风电在电力系统中比重的增加，影响将很可能成为风力集成的技术性壁垒。因此,应该探讨其影响并提出解决这些问题的对策。

风能已经从25年前的原型中走了很长的路，而且在未来的二十年里它也会继续前进.有一系列的问题与风电系统的运作和发展。虽然风力发电的渗透可能会取代传统的植物产生大量的能量,关注的重点是风力发电和电网之间的相互作用.本文提供了一个概述风力发电对电力系统的影响，并建议相应的对策来处理这些问题，以适应电力系统中的风力发电.

根据上述问题,本文从总体上讨论了风力发电项目开发过程中遇到的问题，以及在处理项目时，将风电场与电力系统相结合的问题。由于风力发电具有容量大、动态、随机性等特点，其影响主要包括有功、无功功率流、电压、系统稳定性、电能质量、短路容量、系统备用、频率和保护.针对这些问题，提出相应的对策建议，以适应电力系统的风力发电。

本文的组织如下.第2节给出了风力发电的发展情况。在第3节介绍了风力发电的特点.在4节中，详细讨论了风力发电对电力系统的影响。在第5节中，提出了减少风力发电的影响的对策.最后，第6节总结本文.

2。风力发电的发展现状

从风能委员会的报告中显示，拥有最高装机容量总数的国家是德国（20621MW),西班牙(11615MW），美国（11603MW），印度(6270MW)和丹麦（3136MW）。世界范围内十三个国家现在可以算是达到1000兆瓦的风力发电能力，法国和加拿大在2006年达到这一值.如图一所示，截止到2006年12月世界累计装机容量前十名。

图1 截止到2006年12月世界累计装机容量前十名

中国很晚才开始发展风电。直到90年代才步入市场化的发展和规模化的建设。这些年新增累积装机容量如图2显示。单一机组容量从100千瓦，200千瓦，300千瓦到600千瓦，750千瓦，1500千瓦逐渐增加。

图2 在中国累计和新增加安装的风力发电能力

2006年中国安装了1347兆瓦的风电机组,从而使总装机容量增加了一倍以上，比去年的数值增长了70％。这给中国带来了多达2604兆瓦的发电能力，是中国成为世界上第六大市场.2006年中国市场大幅度增长,并且预计增长将会继续甚至会加快.根据经批准的和在建的项目中的数据显示，在2007年将安装超过1500兆瓦.到2010年底中国的风电装机目标容量将达到5000兆瓦。

3。风力发电的特点

从风能角度来看,风能资源最显著的特点是它的变化性。风电场输出的随机性变化主要来源于风速的波动和方向。无论是地理性还是时间性，风是很容易变的。此外,无论是在空间上还是时间上，这种变化性持续的范围非常广泛。

风速是以一个高度和时间函数的形式不断变化的。风速变化的时间尺度显示在图3所示的频谱图上。在一秒到一分的范围内阵风引起波动的高峰。每日的波动峰值取决于每天的风速变化，天气的峰值取决于天气的变化,通常因为每天或每周而异，但也包括季节性周期。

图3 布鲁克海文国家实验室工作的基础上的农场风谱图

从电力系统的角度来看，波动的峰值可能会影响风力发电的电能质量。电能质量波动的影响主要依赖于涡轮机技术的应用.例如,在风力发电机组传动系统中,风力变速涡轮机可以通过直接储存能量来吸收短期的电力变化。这意味着固定速度的风力涡轮机比网格耦合涡轮机的电力输出平滑的多。然而，昼夜高峰，可能会影响长期的电力系统的平衡，在这样的系统中风速预测起着显著的作用.

另一个重要的问题是风能资源的长期变化。应该知道风力加速中心的高度从而预测风电场的输出。大量的风速测量表明,风速在一年中大多时候是柔和的，介于0到25米每秒的概率是相当大的；年均风速受制于威布尔分布，如公式（1)。

（1）

其中：v是平均风速；k是形态参数；c是尺度参数。

风力涡轮机的输出Pw和风速集线器V的高度之间的关系可近似表示为风力发电机的输出与风速或分段函数的曲线,如公式（2）。

(2）

其中：是额定功率的风力发电机组的功率；V是风速高达枢纽的高度；是停机风速；是切出风速；为风速。

4。风力发电对电力系统的影响

在电力系统中，风电的高渗透力面临着大型风电场对电网一体化的基础技术限制。风力发电对电力系统的包括对无功功率和有功功率、电压、系统稳定性、电能质量、短路容量、电力系统储备和基础设施的影响归因于风力发电的高容量、动态性和随机性的特点。技术方面，它通过以下方式影响且必须进行详细的研究.

（1）有功无功潮流

风电是一种间歇性和随机性的能源，从而使得功率潮流复杂化。因为为了获得更多的风能资源，许多的风电场建在远离负荷中心的地方,于是造成了风电输送的障碍.当引进额外的风力发电时，一些输配线路和电气设备可能会过载运行。因此，要确保输配电线路运行不过载。有功和无功要求都要进行调查.无功功率不仅仅在PCC中产生,而且还会通过整个网络产生，并且应该进行本地补偿。

用于常规发电机的分析方法是固定不变的，从而忽略了不确定性的风速和负荷的预测。因此，概率统计法是比较适合风力发电的。这种模型以公式（1）进行分布。这种约束以概率的形式进行描述,并且诸如电压和功率的预期参数值是可以被计算的。

（2）电压调节

一旦风电场已经确定了其地点，连接到电网的点必须确定。对于小型风力发电厂可以在低电压下连接,从而节省了开关设备、电缆和变压器的成本。如果拟议的发展规模太大导致不能与当地分布电压连接，今儿不能满足较高的电压传输网络的需求.

故障发生后，如果电力系统不发生暂态失稳，一些风力涡轮机会由于低电压保护而关断。然后输出风电场降低，这意味着电力系统失去无功负荷。然后风电场输出电压降低,这意味着电力系统失去无功负荷。

电容器补偿是常用的无功功率补偿方法。当电压水平下降，补偿量减少了很多。然而，在风电场中使用的异步电机时无功功率的需求将增加时。所以电压水平下降更多，甚至超越了风电场母线的下限。

随着风力发电装机容量的增加，风力发电的变化会导致电压水平的变化,特别是如果并入到电网中，这可能不是专门设计的，以满足高可变风力发电引起的显着和可能快速负载变化（相比）.因此，需要采取监管措施，是电压水平保持在一个特定的范围内。然而，风力发电的变化可能性较大，为了控制电压，这可能会导致增加对无功功率的增值服务。

（3）系统的稳定性

在高风电穿透功率系统中,风电并网的暂态稳定、电压稳定和频率稳定,不仅是因为风电功率的变化会改变整个电力系统的功率流分布、传输功率，而且还因为风力发电机在稳态或暂态过程中有不同的表现。

对于当前风电场的操作，保护通常切断风电场和电网之间的连接，当发生大扰动时。这相当于在大扰动后引起新的发电机跳闸扰动。因此，在这一时刻的暂态稳定是非常关键的,特别是当大型风力发电场的集成。相比基于双馈感应发电机的变速风力发电机（DFIG）与固定转速风电机组基于感应电机，前者是更强大的短路故障后,可以加强与保持足够的稳定裕度，系统的稳定性.然而，风电整合，也可能使系统暂态稳定性较差，由于电网结构。因此，不同电力系统的暂态稳定性分析.

固定转速风电机组在输出有功功率时吸收无功功率。一种无功功率风电场整体需求量是相当大的,这导致在PCC区域的电压稳定性降低.相反，双馈变速风力发电机组对无功功率有一定的控制能力。根据不同的操作和控制方案，该风力发电机可以吸收或输出无功功率来控制电压，从而有利于电压稳定。电压稳定也与PCC的短路容量相关，R / X和无功补偿方法,