风电对电力系统的影响

风电对电力系统的影响

1、引言

风力发电技术的快速发展以及国家在政策上对风电的扶持，使得我国风力发电建设进入了快速发展时期。我国风资源较丰富，但适合大规模开发风电的地区一般都处于电网末端，由于此处电网网架结构较薄弱，因此大规模风电接入电网后可能会出现电网电压水平下降、线路传输功率超出热极限、系统短路容量增加和系统暂态稳定性改变等一系列问题。另外，风力发电作为电源具有间歇性和难以调度的特性，是风电场电能质量不稳定的根本原因。风电机组由于风的随机性、运行时对无功的需求以及无功只能就地平衡等原因将对电网电压造成一定的影响；风电机组在连续运行或者切换操作的过程中还可能引起电压波动和闪变问题；由于采用了大功率的电力电子装置，变速风电机组在运行的过程中还将产生高次谐波注入电网。随着风电场装机容量的增加，以及风电装机在某个地区电网中所占比例的增加，风电并网等电气工程问题已经成为亟待解决的技术问题。因此当大规模的风电并入电网后，风电与电网间的相互影响及相互作用需要进一步研究。总体说来，风电对电力系统的稳定性会产生影响，对系统运行成本和电网调度会产生影响，对电能质量会产生影响，还有例如继电保护、网损等其他方面的影响。本文将从风电对电能质量影响的方面论述风电对电力系统的影响。

2、风电对电能质量的影响

2.1谐波及频率偏差

对于风电机组来说，发电机本身产生的谐波是可以忽略的，谐波电压是由电能转换系统、电力电子控制元件和电容器产生的。一台风机在运行期间产生的各种扰动的程度，主要依赖于其装备的电能转换系统的形式。对于定速风电机组来说，在连续运行过程中没有电力电子器件参与，因而也基本没有谐波产生。当机组进行投入操作时，软并网装置处于工作状态，将产生谐波电流，但由于投入的过程较短，这时的谐波注入可以忽略。变速风电机组则采用大容量的电力电子元件，直驱永磁同步风力发电机组的交直交变频器采用整流后接DC/DC 变换，在电网侧采用逆变器输出恒定频率和电压的三相交流电；双馈式异步风力发电机组定子绕组直接接入交流电网，转子绕组端接线由三只滑环引出接至一台双向功率变换器，电网侧同样采用逆变器，定子绕组端口并网后始终发出电功率，转子绕组端口电功率的流向则取决于转差率。不论是哪种变速风电机组，并网后变流器将始终处于工作状态。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。不过，随着电力电子器件的不断改进，这个问题也在逐步得到解决。另外，针对变压器采用Y/△或△/Y接线，也可以减少输入电网的谐波电流，阻止高次谐波从高压流向低压，危害用户，或阻止高次谐波从低压侧流向高压侧，危及整个电力系统。

在电力系统中，发电机发出的功率与用电设备及送电设备小号的功率不平衡，将引起电力系统频率的变化。系统有功功率不平衡是产生频率偏差的根本原因。当系统负荷超过或低于发电厂的出力时，系统频率就要降低或升高，发电厂出力的变化同样将引起系统频率的变化。在系统有旋转备用容量（运行备用容量）的情况下，出力能通过频率调节器较快地适应负荷的变化，因此负荷变化引起的频率偏差较少。若没有旋转备用容量，负荷增大引起的频率下降较大。电力系统的负荷始终随时间在不断地变化，要随时保持发电厂的有功功率与用户有功功率的平衡，维持系统频率恒定，因此，电力系统应具有一定的旋转备用容量，一般运行备用容量要求达到1%~3%。

2．2电压波动和闪变

在并网风电机组持续运行过程中，由于受塔影效应、偏航误差和风剪切等因素的影响，并网风电机组不仅产生功率波动，同时也产生电压波动和闪变等问题。影响风电机组产生电压波动和闪变的因素很多，比如风况、发电机类型、控制系统和电网状况等等。风况对并网

风电机组引起的电压波动和闪变影响最大，尤其是平均风速和湍流强度。随着风速的增大，风电机组产生的电压波动和闪变也不断增大。当风速达到额定风速并持续增大时，恒速恒频风电机组产生的电压波动和闪变继续增大而变速恒频风电机组因为能够平滑输出功率，产生的电压波动和闪变却开始减小。湍流强度对电压波动和闪变的影响也是很大的，两者几乎成正比例增长关系。其次，并网风电机组类型和控制系统对风电机组的电压质量影响也很大。例如，恒速恒频风电机组对P和3P频率比较敏感，会产生较大的电压波动和闪变；但变速恒频风电机组却可以减轻3P频率的影响，变速恒频风电机组运行产生的电压波动和闪变水平远低于恒速恒频风电机组，几乎是恒速恒频风电机组的1/4。再者，并网风电机组公共连接点短路比和电网线路R/X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R/X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。研究表明，当线路R/X比很小时，并网风电机组引起的电压波动和闪变很大。当线路R/X 比对应的线路阻抗角为60~70时，并网风电机组引起的电压波动和闪变最小。在风电机组启动、停止和发电机切换过程中也会产生电压波动和闪变。典型的切换操作包括风电机组启动和停止。这些切换操作引起功率波动，并进一步引起风电机组端点及其他相邻节点的电压波动和闪变。

风电场输出功率波动会引起邻近的节点电压变化。电压稳定包含的范围很广，有长期电压稳定、短期电压稳定、小干扰电压稳定和大干扰电压稳定之分，它指电力系统维持电压在一定运行范围内的能力。对风电来讲，长期电压稳定非常重要，因为一般风电接入弱系统，并且风电场需要大量无功功率。风电场无功电压特性可以用P-V曲线和QV曲线进行分析。一般在风电场安装可分组投切的电容器或电抗器来调节风电场的无功功率，提高电压稳定性。

虽然风力发电在技术上已经取得不错的突破，但是风电场接入电网对系统的稳定性以及电能质量的影响都不可忽视。而由于风能的随机性，风力机不得不不停的投切风机，而这些问题如果处理不当不仅可能会危及用户的用电质量，甚至造成整个电网的雪崩，同时也严重制约风能的有效利用。风电的前景是广阔的，但是还要有一段路要走。

3、参考文献

[1]王海云，王维庆．风力发电基础重庆大学出版社2010

[2]高玉洁．风电场接入电网后的电能质量问题分析南方电网技术2009

[3]郭健．大规模风电并入电网对电力系统的影响电气自动化2010