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,
利用风电场的输电线路比.当发生频率急剧下降时，电力系统的惯性是决定频率下降率的决定性的.较低的总惯性，更快的频率下降。

在电力系统中，任何减少惯性的反应是危险的,严重的频率事故。

风电机组的不同类型有不同的频率响应特性.固定转速风力发电机组的转子速度与系统频率强烈地耦合，以便当频率下降时，风力涡轮机减速，以释放其动能的一部分，并提供惯性响应。

相反,双馈变速风力发电机组对不能提供电网的惯性反应时，由于其频率变化的有功功率和无功功率控制解耦，这不能帮助电网放慢频率变化率。

在传统的植物是由风电场组成的变速风力发电机组取代，惯量的减少为高风电穿透系统的系统容量小、低负荷条件下的频率稳定度是非常不利的。

（4）电能质量
在风力发电和相关联的电力传输（交流或直流)的波动、供电质量有直接的结果，其结果是，大的电压波动，可能会导致在调节范围以外的电压变化，以及违反闪烁和其他电源质量标准。

在连续运行和切换操作中，风力发电机组引起电压波动和闪变，是风电并网对电网电能质量产生不利影响的主要原因。

对变速恒频风力发电机,转换器造成的谐波问题也应考虑。

风力发电机组或风电场的风电场的干扰有不同的原因，其中大多是涡轮机本体。

有关参数列于表一。

平均功率生产，剪切是指由气象和地理条件确定引起湍流强度、风.所有其他的原因不仅是由于电气元件的特点，如发电机，变压器等，也由转子和驱动列车的空气动力学和机械性能。

涡轮机的类型（即变量与固定的速度失速与间距调节)的风力涡轮机和风力发电场的功率质量特性的主要重要性。

变速风力涡轮机可以控制的逆变器系统的功率输出的间距控制,从而平滑功率波动以及功率峰值.因此,功率峰位于额定功率的范围内。

固定速度的风力涡轮机的瞬时功率峰值经常超过额定功率30％个或更多，即使在变速控制的情况下，固定速度的风力涡轮机.风力发电场的风力涡轮机的数量是非常重要的平滑功率峰值。

最近，变速涡轮机配备自换相逆变器系统，这主要是PWM逆变器,采用绝缘栅双极晶体管。

这种逆变器具有的优点是可以调节的有功功率和无功功率。

然而，它有缺点,它产生的谐波电流。

因此，过滤器是必要的，以减少谐波。

闪烁是由风力涡轮机的有功和/或无功功率的波动引起的.在固定速度的风力涡轮机，闪烁的主要原因是塔的尾流而变速风力发电机,快速功率波动平滑和塔后不影响输出功率.因此,变速风力发电机组的闪烁一般比定速风力涡轮机的闪烁低.在风电场，功率波动平滑，因为事实上风力涡轮机的相关性。

表1。

风力发电机和风力发电厂对电网造成的影响
参数原因电压升高电能生产
开关操作
塔影效应电压波动和闪烁叶片调节误差
偏航误差
风切变
风速波动
谐波变频器
晶闸管控制器电压峰值和谷值开关操作
（5）短路容量
往往大多数的风力发电厂远离负荷中心建造，这意味着他们之间的电力系统的电气之间
的距离是相当远的。

长电距离使电压变大，但短路问题较小。

然而，风力发电场将能够给未来电力系统运行中的短路电流计算提供越来越重要的影响.原因是双重的.一个是上述事实，风力发电站通常是除了传统的电力中心。

这意味着，短路电流的分布可能会导致急剧变化,导致一个完全不同的短路容量地图。

另一个原因是，越来越多的风力发电，今天特别是所谓的大型风力发电场(数百兆瓦）的形式。

在风电场中，大量的单个单元被连接在一起，总发电量将大幅上升。

然而，风力发电场将能够给未来电力系统运行中的短路电流计算提供越来越重要的影响。

在重负载条件下的不连续的风波动在每个单元可能会大幅影响相互补偿产生的短路电流.当风电场组成的双馈变速风电机组并入电力系统,他们也可在短路故障为短路电流持续贡献。

风电场对相邻节点的短路容量影响较大，而对远离PCC节点的影响不大［9 ］。

因此，当风力发电场具有巨大的容量被集成到电网，相邻的变压器和开关的能力可能需要增加。

要进一步研究如何确定风力发电对现有电力设备的短路电流额定值的影响。

（6）电能质量
没有电源是100%可靠。

即使是巨大的核电站，他也能通过保护或撤回的服务被绊倒,以允许他进行维修。

然而，由于一个跳闸的后果，可以使用旋转备用，在维护过程中，替代代可以在服务。

虽然大型发电机保持在公用事业网，这些需求将继续覆盖在风力发电的旋转备用盖。

然而,如果风能成为能源的主要来源，它的损失，这是依赖于天气和风力资源的变化，不能以这种方式处理.如果风力发电场之间存在很强的互联网络,将有可能导致发电机的地理分布，导致一个平滑的能量传递到网络，一旦某个数字已被开发。

同时，随着风力发电量的增加,系统负荷预测将可能变得不准确，这反过来又影响电力系统运行方案和机组的承诺.在发电储量预测的情况下，这可以转化为更高的储备水平的要求，以覆盖不确定性的风力发电的可用性［8 ]。

大规模风电场的短期输出变化不那么大,约3％的装机容量，由于它们之间的相互作用。

在风力发电迅速增长的过程中，电力系统不仅需要积极的储备,当实际风力发电低于预测值，但也负储备时,风电功率高于预测值。

（7）频率调节
在电力系统中，频率是一个指标的平衡或生产和消费之间的不平衡。

对于正常电力系统的运行,频率应接近其标称值。

风电场输出的波动可能导致额外的不平衡。

由于风力涡轮机使用其他发电技术比传统的发电厂，他们有一个有限的能力，在相同的方式，传统的发电机参与的基本频率控制。

由于风不能被控制,在正常频率的电力生产将故意不保持较低的可能，为了在风电场，以提供二级控制在频率下。

丹麦法规还要求风电场在岛上的频率控制（二级控制)的一部分.
为了控制在规定的标准范围内的电力系统频率，电网公司需要一些电厂提供频率控制的配套服务.然而，由于风力发电总量的增加，其输出的变化将有一个更显着的影响频率[ 8 ]. 间歇性风力发电的渗透,将增加连续频率调节的需要。

风力发电也可以增加对频率响应的需求，虽然这取决于在一定程度上风力发电将能够满足未来的电网代码要求。

个别风力发电机的输出的快速变化的影响将是相对较小的，因为个别风电场的波动之间的相关性将是小的时间范围内考虑(几秒到一分钟）。

它遵循的直接影响的风力发电的动态频率控制服务可能是小。

然而，随着风力发电量的增加,其总产量的预测误差也将增加。

这将增加调度错误,这将被中和由自动总督行动，对连续频率响应的附加要求[ 12 ]。

（8）保护
至于任何建议扩展的实用程序网格，有问题要解决的每个应用程序的连接.对于连接到配电系统，建议发电必须有一个相对低的容量。

总的来说，网络的这一部分是径向和保护将
分级预期故障电流向外流动供应点绿巨人。

引入一个发电机的径向网络意味着故障电流，现在可以提供不流动的预期方向.因此需要一个详细的检查，在网络模型中的建议发电机的保护设置。

这张支票的结果可能表明,保护功能，相当充分，因为它是。

在另一个极端，它可能会显示，现有的继电器不能保护网络，而新一代和重新设计的保护是必要的[ 7 ］。

风电场与电网之间的功率流是双向的，在保护设计和配置中应考虑。

在风力发电机组中，无论采用哪种发电机，风力发电都会增加电网的故障水平,进而影响电网原有保护装置的继电保护设置。

它可能需要添加新的保护装置和/或修改原始保护装置的继电保护装置.特别是当风电场接入配电网时，随着风电场装机容量的增加，断路器的过载可能会发生［8 ]。

5. 减轻风力发电的影响的对策
无功补偿设备的应用，如静止无功补偿器（SVC）和静止同步补偿器（STATCOM）发挥了重要作用,风力发电，减轻其对电力系统的影响。

为了保持电压水平，电网公司可以提供额外的或升级的电压控制设施。

无功补偿设备应安装在风电场升压变电站,具有快速响应特性和连续可调，如SVC和STA TCOM，为了减轻风力发电引起的电压波动和闪变、速度控制和俯仰角控制进行改进，同时最大限度地提高风机输出减少风电出力的波动。

同时，对风电场如SVC和能量存储装置也可以减轻电压波动和闪变的辅助设备的安装.在大多数情况下，快速的无功补偿设备，包括SVC和STATCOM，应包括提高网络的暂态稳定性。

新技术和先进技术在电力系统中的风力发电的发展也有好处。

桨调节的涡轮机可以加快故障后的风力涡轮机的速度恢复和改善的稳定性。

变速风力发电机组的优点使功率波动以及功率峰值，提高系统的暂态电压稳定性的系统,减少对电力系统的闪烁和罢工等。

从风力发电侧，它可以提高电力系统的电压稳定性，提高风电穿透功率的恒定功率因数控制或恒定电压控制。

从网格的侧面，对加强和改变当前的网络具有重要意义。

电压源变换器（VSC）的高压直流输电(VSC-HVDC）是一个不需要任何额外补偿传输系统,因为这是转换器的[ 13 ］控制固有的。

因此，它将是一个很好的工具,使风力发电成为一个网络，即使在网络中的薄弱点，而不必提高短路比。

VSC-HVDC的有功功率控制能力,可以是一个完美的工具，用于处理有功功率/频率控制。

它能够处理风电,并能迅速反应，以抵消电压变化，这可以提高系统的稳定性和电能质量.
6。

结论
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。

有许多关于整合风电系统的运作和发展的问题。

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。

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