风力发电

略论大型风力发电场并网对电力系统的影响

随着风力发电技术的不断发展，已从过去的小型风力发电机独立运行发展为大型发电机组并网运行，即风力发电场并网运行。风力发电场并网运行是将风能转换成电能的装置，系统包括发电机、增速箱、刹车、偏航、控制等几大系统。直接与电网相连接的是异步发电机，风力发电场并网运行结构简单，其发电的首要条件是要吸收无功来建立磁场，如果没有无功来源，也就是说没有电网，风力发电场并网运行是没有能力发电的。

首先我们来谈谈风力发电场并网运行：

风机从系统吸收无功，必然会造成系统的电压降低和线损的增加，所以每台风力发电机都设有无功补偿装置，最大无功补偿容量是根据异步发电机在额定功率时的功率因数设计的，一般为大于0.98，但由于风力发电机的无功功率需求随有功变化，如图1所示：

因此，风机每个瞬时的无功需求量也都不同，该风机补偿分为4组固定的容量（600kW风机：87.5kV·A、50kV·A、25kV·A、12.5 kV·A ），在每个补偿段内，不足部分无功从电网吸收。金风S43/600、风机为例分别列出了4极、6极发电机不同功率点（P）的功率因数（cosφ）、功率因数补偿到0.99的无功功率需求量(Q)、投入电容补偿（Q1）后的功率因数（cosφ1）。而单台风力发电机组自身有较全的保护系统，风机主电路出口处装有速断和过流保护，其定值分别为2倍的额定电流、0s动作和1.5倍额定电流、12s动作。风机还有灵敏的微机保护功能，设有三相电流不平衡，缺相，高压、低压，高周、低周，功率限制等项保护。因此当风电场内或电力系统发生故障时，风机的保护动作非常迅速，保证电网和风电场的安全。

但由于异步电机在启动时冲击电流较大，最大可以达到额定电流的5至7倍，对电网会造成冲击。为解决以上问题，现在设计的风力发电机有性能优越的软并网控制电路。目前软并网的控制方式有2种：电压斜坡方式和限流方式。软并网过程可以做得很平稳，整个软启动的过程可以在十几个周波到几十个周波内完成，最高峰值电流可以限定在额定电流之内。图2是记录的S43/600风机并网

时的电流实际波形，采样电流幅值衰减20倍。风机的软启动电流限制在500A 内（小于额定电流），启动过程约40个周波。

风力发电场并网运行注意事项：

1、继电保护：在设置保护和确定保护定值时应考虑以下因素：

A、目前一般风机出口电压是低压系统，从35kV侧的等值电路来看，风机及相应的低压电缆相当于一个很大的限流电抗，短路电流无法送出。

B、风力发电机为异步发电机，当系统短路时，风机出口电压大幅度下降，没有了励磁磁场，则风机无法发电。

C、风机自身具有全面的微机保护。

由于以上特点，在考虑电网继电保护和风电场的继电保护方案时，只需设置速断和过流保护，定值考虑躲过风电场最大负荷电流即可。

2、电网电压的调整

有些风电场处于电网末端，电压较低，在进行风电场设计时有一项很重要的工作就是变压器电压分接头设计。既要保证风机的出口电压，又要确保线路上其它用户的要求。在设计时要认真调查不同季节、不同时间（白天与晚上的负荷）距离风电场最近的线路末端节点电压的变化值，并根据该电压值来设计电压分接头，风力发电机作为电源，其电压允许的偏差值为额定电压的+10%至-5%，如果电压低于额定值，则输送同样功率时电流值就会增加，从而引起线路损耗的增加。另一方面，低电压还会引起软启动电流值的增加。在风电场接入电网调试期间，应反复测量变电站低压侧电压，合理选择分接开关位置，以确保风机出口电压在规定的范围之内。

3、风电场的无功补偿

风力发电场并网运行

A、在停风状态下也保持与电网的联接并从系统吸收无功。

B、风机的无功需求量随着有功变化而变化，一部分通过自身的无功补偿装置补偿。但在无功补偿的4组固定的容量之间，仍需从电网吸收部分无功。

风电场的无功造成的影响如下：

A、风电场的无功变化在满发时会抬高风机出口电压，在并网时会在瞬间较大幅度降低出口电压。

B、对线路及变压器损耗的影响。由于风电场设备长期并网，无论是否发电，变

压器都要向系统吸收一定的无功，其数量大约是变压器容量的1%～1.4%。此外，随着风机有功出力的变化，无功需求也在变化，当风机本身的无功补偿不足以补偿这些无功变化时，就需从电网吸收无功，这些无功在流经线路时也会引起线路损耗。风电场中的风机是分散排布的，其间隔距离较大，因此从系统吸收无功所经的线路较长，又会增加一定的线路或变压器损耗。

综上所述，风电场的无功补偿是一项有经济效益的工作，除了风机内的补偿外，在每台箱式变压器低压侧根据变压器的空载电流大小增加一组补偿电容器并长期投入，容量按照变压器空载无功功率选取。

所以大型风力发电机组在并网时选择合适的继电保护装置、合理地调整电网电压、配备足够的无功补偿装置，就能顺利并网。理论和实践都已证明风力发电的并网过程比较简单，不会对电网产生影响。