风电并网对电力系统的影响及其抑制措施

风电并网对电力系统的影响及其抑制措施

张小坡1,谷永春2,安鹏3

(1.国华能源投资有限公司山东分公司, 250002;2.南京供电公司,210002;3.国网山东省电

力公司发展策划部,250001)

摘要：风速具有间歇性和波动性的特点，导致在风力发电中，具有较大的不确定性。为保证电力系统的安全可靠运行，研究风电并网对电力系统的影响具有重要的意义。本文介绍了目前风电发展状况，分析了风能发电的特点，研究了大型风电场并网给电网造成的影响。最后，针对目前风电并网的问题，为了提高电能质量；提出了具体的补救措施。

关键词：电力系统；风电并网；风能发电；电能质量

中图分类号：TM614 文献标识码：A

0 引言

风力发电可以作为化石能源的替代能源，成为21世纪较为重要的绿色能源。各国为了解决能源问题，保证能源的可持续利用，纷纷加大了对风能的利用，其中最直接的就是风力发电的应用。欧盟各国将风能作为新能源的领头羊，仅风电装机容量就占新装机容量的40%；美国的风装机量在全球已知领先，仅次于天然气。

风能具有间歇性、不确定性的特点，这样，就会增加风电在相位、频率及电压上的难度，当风能在电力系统中的比重超过10%时，会大大影响电力系统的稳定和电能质量。我国风电场单装机容量较小，850kW以下风电组大部分是异步发电机组，电力系统常常需要提供无功补偿装置。故提高风电的稳定性，有效的抑制风电并网所带来的电压波动和闪变是目前研究的重要问题[1-4]。

本文对目前风电并网情况进行了阐述，对风能发电的特点进行了研究，并提出了合理的措施，以改进并网后系统的电能质量。

1 风电并网发展

欧洲及美国是风能开发较早的国家，近年来，越来越重视风电并网的影响。其中，美国研究风电并网的主要目的是：建立风电并网的成本估算模型；2 对电力系统所能够接纳的风电成本进行研究。欧洲一些国家从风电接入系统、风能价格、能源政策等方面，对风电经济性指标进行了研究。而我国对风电并网方面的研究较晚，但发展较快，目前的研究大多主要在风电场本身，或者对风电储能等个别方面进行研究。

2 风电场并网对电力系统的影响

2.1 风电并网对电能质量的影响

大型风电场的并网在一定质量上对电能质量会造成一定影响。风电机组的控制方式、类型、线路参数及系统容量等因素会影响到频率、谐波、电压暂降及闪变等方面。

(1)频率。与常规电源的区别是风电场输出功率的间歇性问题，使得大型风电场所接入的电力系统的潮流常常处于重新分配的过程，影响电压和系统的频率。在一个地区，若风力发电的容量超过这个地区总装机容量的某个比例，就需要采取措施增加调频容量。其中有专家提出了用飞轮辅助的方法，对风力发电—飞轮系统频率和功率综合控制方法。结果表明：风力发电—飞轮系统在飞轮的辅助下，可以按要求输出较为平稳的功率，并且能够参与电网的频率控制。

(2)谐波。发电机自身产生的谐波，不论对于何种风电机组而言，都是可以忽略的，风力发电机组中的电力电子元件是谐波电流的真正来源，其受干扰的程度取决于变流装置和滤波系统的结构。同时，还与风电机组的输出功率及电网的短路容量有关。在持续运行过程中，固定转速的风电机组没有电力电子元件的参与，一般不会产生谐波电流。由于运行过程中，变速恒频风电机组变流器一直处于工作状态，所以，实际中往往

需要对谐波干扰进行考虑。合理设计滤波器以及使用PWM开关变流器，能够减小谐波的畸变。

(3)电压暂降。风电机组突然启动会引起电力系统的电压暂降，倘若固定转速的风电机组以感应电机作为其发电机，在运行时，引起的电压暂将往往较为严重。减小操作不当引起的电压暂将，常运用风电场管理系统来对机组启动的电压和出力进行控制，这种方法适用于各种类型的大风电机组的风电场。下图1所示为某地区大型风电机组并网后对线路暂态电压的影响。

图1 风电场电压跌落图

(4)无功电压。在电网中，出现电压偏差，一般属于稳定问题。波动较大的风速会造成风电机组出力波动大，故风电功率波动引起电网内某节点电压偏差超出规定的限值。若出现这种状况，可以在风电场装设无功补偿装置来改善电压，或可以使得注入电网的风电功率相对减少，从而起到缓解对系统的影响。

2.2 风电并网对继电保护的影响

大机组的风电场进行并网，对线路保护装置的灵敏度以及保护范围都会产生影响。下图2所示为某线路发生故障时，风力发电对系统保护的影响。

图2 线路故障原理图

如上图所示线路图，有一个风电机组连接在距离线路末端X处，在线路的末端发生了短路故障，这时故障点将会出现短路电流，以此相应的就减小了线路保护K所能够检测的故障电流值，降低了保护装置K的灵敏度。

在系统线路中的个别位置，无法启动速断保护装置，这样就形成了速断保护的死区，线路的故障就不能得到及时的切除。当线路中出现并网点处于线路速断保护的死区时，若不改变保护系统，通过后备电流保护动作来切出故障，这样会大大增加对电网的影响。采取对速断保护整定值进行调整，则会造成过流保护、速断以及其它控制装置间的无法协调，造成保护误操作。

2.3 风电并网对运行和电网调度的影响

（1）对系统运行成本的影响。与传统的火力发电相比，风力发电的运行成本非常低，带来的经济效益相对较为客观。但是风力发电具有间歇性和波动性的特点，使得风电场功率输出表现出较强的随随机性现象，就目前的研究水平而言，预报水平不能够满足系统实际运行需要。为了保证系统的稳定性，风电并网要在原有基础上，采用一些容量的备用来保证功率平衡和稳定。由此可知，风电并网对系统主要存在两个方面的影响：（1）分担了机组的一部分负荷，减少了系统燃料成本的代价；（2）在某种程度上也增加了系统的可靠性成本。

（2）对电网运行调度的影响。风电并网所带来的调度问题主要是风的间歇性与随机性所造成的。目前的研究远不能合理的预测风电功率，并网地区的系统常常预留一些备用容量来平衡风电功率引起的波动。若可以在一定精度上预测风电功率时，就可以按照传统的系统调度方式，根据所预测的风电功率，合理的安排各机组的发电计划，降低电网运行的费用。

2.4 风电对电网动态安全的影响

分析频域和时域可以发现，倘若风电可以稳定发电，那么在保证各个断面潮流固定，风机转速稳定的情况下，风电机组开机可以提高系统动态稳定水平以及阻尼特性。分析频域，风电机组开机时，对系统的影响如图3所示。