探析风力发电对电网的影响

探析风力发电对电网的影响
发表时间：2017-04-26T16:24:48.550Z 来源：《电力设备》2017年第3期作者：张宝珍[导读] 本文主要围绕风力发电对电网的影响进行简要的分析与研究。

（华能偏关风力发电有限公司太原 036400）摘要：随着世界范围内的能源问题以及环境问题变得越来越严重，世界各国都在大力发展可再生能源。

风力发电因为较容易开发，并且绿色环保，故此得到了世界各国的高度的重视，是当前发展最快的一种可再生资源。

本文主要围绕风力发电对电网的影响进行简要的分析与研究。

关键词：风力发电；电网运行；协调发展前言
近些年来，随着全球石油等能源日益匮乏，加上日本福岛大地震所带来的核电警示，加快了安全性清洁能源产业的大力发展。

大规模的风力发电能够缓解能源紧张问题，但是风电发电的实现并网运行，国外一些风电大国尽管在风力发电上有一些管理经验，但是因为我国电网毕竟结构存在着一定的特殊性，故此，风力发电和电网运行如何协调发展，已经成为风电场设计运行中的一个重要研究课题。

1、风力发电的主要特点
有专家学者认为，人们对风能的最早利用，可以追溯到三千年之前，最早出现在古埃及。

在历史发展的过程中，风能被用于以下几方面的领域，（1）磨坊、（2）提水、（3）助航、（4）发电等。

在19世纪中期，风车的使用使欧洲达到了顶峰，当时，在整个欧洲，有20万座风车运行，用来驱动大型的机械【1】。

然而，随着蒸汽时代的来临，风车时代宣告结束。

直到20世纪70年代，能源危机爆发，作为可再生能源，风能成为其中的重要组成部分，逐渐被世界各国所重视，并取得了较大程度的发展。

其中，风力发电有着许多的优势，主要体现在以下几点：第一，风能是一种无污染的可再生能源，其对环境的影响较小。

第二，风能的分布非常广泛，非常容易进行开发，并且完全免费，此外，也无需进行输送以及存储。

第三，风力发电的建设周期非常短，这是水电与核电所难以比拟的。

第四，随着科学技术的不断发展，风力发电的技术也变得越来越成熟，产品质量也非常可靠，可用率更是高达95%，成为了一种非常安全可靠的可再生能源，在许多发达国家得到了非常广泛的应用。

第五，风力发电的成本正在逐渐的降低，经济型日益提高，此外，风电场的投资规模也非常的灵活。

2、影响我国风电发展的主要因素 2.1政策性因素
在影响风电发展的因素中，国家政策是一个非常重要的因素。

由于建设风电场的成本较高，促使风电电价较高，这也导致风电的使用受到了一定的限制。

这主要包括以下几点原因：（1）风力发电机组的投资较大，许多进口设备价格都非常的昂贵，而国产机组的容量较小，很难适应当前风电发展的趋势。

（2）单个风电场的规模较小，这就促使设备价格下降的非常缓慢，一些相关辅助设施等费用的比例较高。

2.2技术性因素
在受到政策影响的同时，风力发电还受到技术问题的影响与制约，主要包括以下几点：（1）风能评估以及测量是否准确、（2）风电场接入电网之后，能否可靠的运行，（3）是否会对电网以及环境产生影响等等。

3、我国风力发电对电网运行的主要影响 3.1对电网调度的影响
（1）对于风能资源较为丰富的地区，通常存在以下几种特点：第一，人口稀少、第二，负荷量小、第三，电网结构薄弱等，风电功率的输入，也就预示着要改变这种电网潮流的分布，对局部电网的节点电压也会有所影响。

（2）风能本身属于不可控制的能源，它是否处于发电状态，主要取决于其风速的状况，而风速的以下两种特性【2】，一种是不稳定性，另一种是间歇性，决定了风电机组发电量具有较大的波动性，同时具有较大的间歇性，并网后的风电场具有反调节特性，相当于电网的随机扰动源，需电网侧预留出更多的调峰容量以及更多的备用电源，因为风力发电具有较强的不稳定性，这也就促使风力发电调度的难度有所增加。

3.2对电能质量的影响
（1）风电机组输出功率具有一定的波动性，这就促使风电机组在运行过程中会受到以下几种效应的影响，第一，湍流效应、第二，尾流效应、第三，塔影效应，造成了以下几种现象的出现，第一，电压偏差、第二，电压波动、第三，电压闪变、第四，周期性电压脉动等，尤其是以下两种现象的出现会对电网电能质量产生非常严重的影响，一种是电压波动、另一种是闪变。

（2）在风力发电机中，异步电动机没有独立的励磁装置，在并网之前，本身无电压，在并网时，要伴随高于额定电流5~6倍的冲击电流，如此就导致电网电压有着较大幅度的下跌。

（3）在变速风电机组中，电力电子变频设备会产生谐波以及间谐波，而这两者的出现，则会对电压波形产生重要的影响，会导致其发生畸变。

3.3对电网安全稳定性的影响
（1）电网发在一开始的规划设计时，未能考虑到风电机组接入电网末端所造成的影响，接入到电末端会改变配电网功率单向流动，从而促使潮流流向和分布发生了改变，继而影响风电场附近的电网电压，促使电网电压超出了安全的范围，情节严重会导致电压发生崩溃【3】。

（2）风力发电电量如果规模较大，那么在注入电网之后，肯定会对电网暂态稳定性造成一定的一个像，也会对电网的频率稳定性有所影响。

（3）当短路电流超过以下几种设备的遮断容量时，就会对电网的安全产生一定的影响，一种是附近变电站母线、另一种是变电站的开关。

4、风力发电与电网运行产生不协调的主要原因 4.1风力发电与电网建设不统一
对于风力发电项目而言，其前期工作的流程较为简单，建设周期也较短，而电网接入系统在以下几方面都非常复杂，（1）项目审查、（2）方案确定、（3）工程建设等，220KV及以下电网可以由各省核准，330KV以上电网则需全部报国家能源局核准。

而且，电网的核准程序较为复杂，塔基在经过每个村庄时，都需要取得乡级、县级、市级、省级的支撑性文件，所经历的时间较长，这样一来就导致接入系统工程与风电场建设难以同时完成，会导致建设工期难以想匹配。

在我国，1个风电场首台机组建设周期一般至少需要六个月，全部风电场建设完成至少需要耗时一年，但是在电网工程建设中，其建设周期要更长，尤其是输电线路的建设，由于需要跨地区，所以协调的工作难度比较大。

220kv输电工程，其合理工期为一年左后，750kv的合理工期为至少两年左右。

因此，甚至出现风电项目倒逼电网那个建设的问题。

4.2风电发展规划侧重于资源规划
以内蒙古地区为例，在“十一五”期间，在蒙西电网内，火电新增装机21GW，电力负荷增长较为快速，增长速度超过了20%【4】。

蒙西电网第三个外送通道没有实施，而且仅有的两条东送华北电力通道，其站点较少，网架结构比较薄弱，其输送能力尽管有4300MW，但是输送计划潮流仅有低谷2500MW，高峰3900MW，需安排打开机，才能够保证东送潮流的稳定，这样一来就难以完全实现各地区的电力交换，难以实现各地区的向外送通道汇集电力，使得大量电力装机出力受限，难以实现电力向缺电省份的优化配置。

为了使风电接入，电网一方面需要加大500KV主网架的投资，另一方面需要加强电网结构与电网的改造，投资能力不足，也就加大了电网压力。

4.3风力发电调峰容量不足
从电力电量平衡来进行考虑，电网难以完全消纳风电资源，要想实现风电的充分利用，良好的电源结构是其中的重要基础，另外，充足的备用也起到了重要的保障作用，风电具有以下几种特点，（1）随机性、（2）间歇性、（3）波动速度较快等，如此就需要相应规模的灵活调节电源与其相配。

以山西地区为例，该地区拥有结构合理的坚强现代化电网，且有多条高电压等级外送通道。

2016年底在全省发电装机中，火电机组占其中的83%，在火电机组中，供热机组又占据其中的约50%以上，供热机组完全不参与调峰。

进入冬季供热期之后，山西电网的水电站以及抽水蓄能机组的调峰深度可以达到百分之百，。

再加之山西电网近年来光伏的大面积投产也对风电造成了不小的冲击，尽管电网逐年在进行优化调度，但是为了使供热需求得到满足，留给风电的负荷裕度在逐年减少，特别是春节前后一个月时间内，电网根本无法满足风电全额上网的要求。

5、发电企业应该采取的相应措施
5.1要尽可能的降低对电能质量的影响
（1）风电场应该加装必要的无功补偿装置，或者是采用双向晶闸管控制的软启动装置，也可以采用无功控制的双馈变速风电机组。

当风力机将发电机同步速附近之时，发电机的输出端断路器就会自动闭合，促使发电机与电网相连接，再通过电流反馈，对双向晶闸管导通角进行控制，当并网结束之后，双向晶闸管短接，取得了较为平滑的并网过程，以促使风电并网对电网电能质量的影响进一步降低。

（2）通过人工干预的方式，促使同一个区域的风电机组在不同的时候启动【5】，如此，能够进一步减小启、停风力发电机对电能质量的影响。

5.2进一步降低对电网调度的影响
针对电网系统的以下几方面问题，第一，潮流分布问题、第二，电网的调压问题、第三，调频问题，可以通过风电电能的预测来进行缓解。

近些年来，预测风电场电力输出的技术得到了较大的发展，利用风电场的数据，以及利用附近气象站所预报的数据，能够起到预测风电场出力变化的作用。

5.3进一步降低对电网安全稳定性的影响
（1）充分运用分组投切电容器组的方法，以实现对系统进行无功补偿，但是它不能够实现连续的电压调节，并且其电容器投切的次数有着一定的限制。

故此，对于因为风速变化过快继而产生的电压波动，它不能够进行控制。

（2）在风电场的出口，安装无功补偿装置进行补偿，以风电场接入点的电压偏差量为根据，来对SVG无功补偿的无功功率进行控制，对风电场的出线电压进行稳定，以促使风电功率波动对电网电压的影响能够进一步的降低，继而促使电网系统的稳定性得到改善。

（3）在风电场出口处，采用基于GTO逆变器的双桥结构换流装置，超导储能装置利用其以下几方面的能力，第一，有功综合调节能力、第二，无功综合调节能力，使风电场输出功率波动有所降低，与此同时，实现对电压以及频率的同步控制，以促使风电场电压能够得到进一步的稳定。

6、电网企业所要采取的相关措施
6.1进一步降低对电能质量的影响
（1）进一步改善电网结构。

对于并网风力发电机组而言，其公共连接点短路比越大，那么所引起的电压波动就会越小，其所引起的闪变也会越小，一个合适的电网线路X/R，能够促使有功功率引起的电压波动被另一种电压波动补偿掉，也就是无功功率所引起的电压波动，其闪变值也会降低【6】。

故此，通过调节合适的X/R，能够使风力发电对电能质量的影响有所降低。

（2）将电网的电压等级进行提高，将高压输电进行改变，将其变为超高压输电，建设新的输电线路，并且在其中安装相应的自动控制装置，以促使风力发电传输对电能质量的影响有所降低。

6.2尽可能的降低对电网调度的影响
（1）对电网接纳能力，要加强对它的研究，要尽可能的提高电网对风力发电电量的接纳能力。

对于电网所能够接纳的最大风电装机容量，要从整体上予以确定，以便为风电发展的规划与设计提供参考依据【7】，通过权威风电并网的技术评价机构，为风电的合理接入提供最为重要的技术保障。

（2）要完善电网调度管理措施，以风电场的风功率预测作为依据，对其他类型发电机组发电出力进行更优化安排。

6.3促使对电网安全稳定性的影响有所降低
（1）针对风力发电对电网以下几方面的影响进行深入的研究，第一，运行方式、第二，频率控制、第三，潮流分布、第四，故障水平、第五、稳定性等。

（2）对电网接纳风电能力进行深入的分析与研究。

（3）通过升级改造，促使电气设备能力得到进一步的提升【8】，对风电场附近开关的遮断容量进行增加。

（4）加装滤波器，以有效的防止电网谐波超标。

结语
要想促使风力发电与电网运行实现协调发展，就需要我国电网企业与电源企业共同对风电发展技术进行深入的研究与分析，对于风电发展的技术特点以及技术瓶颈，要予以有效把握以及攻克技术难题。

尽可能的将风力发电对电网所造成的不利影响要予以消除，以保证风力发电企业的利益能够最大化，促使电网企业的利益能够最大化。

参考文献：
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[2]王海涛.风力发电对电网电压的影响及对策研究[D].重庆大学，2001.
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[4]刘阳.风力发电对电网继电保护及自动装置的影响[D].天津大学，2012.
[5]王传波，舒仨东，毕晓颖.我国风力发电对电网运行的影响[J].华电技术，2011，12：78-80+84.
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[7]王雨涵.风力发电接入电网对电网安全性评价的研究[D].华北电力大学（北京），2009.
[8]高源.风力发电对整体电网及地区电网的影响[J].科技创新与应用，2015，17：160.。