风电并网对电力系统的影响初探

第37卷2009年2月云　南　电　力　技　术Y UNNAN ELECT R I C P OW ER Vol 137No 11

Feb 12009

收稿日期:2008-11-12

风电并网对电力系统的影响初探

石恒初　剡文林　刘和森

(云南电网公司电力调度中心,云南　昆明　650011)

摘要:风力发电作为一种新型的可再生能源,具有改善能源结构、经济环保等方面的优势。通过分析风

电并网对电力系统带来的影响,为电力系统运行规划人员提供参考及为相关风电管理办法的制定提供依据。

关键词:风力发电　风电并网　电力系统中图分类号:T M 71 文献标识码:B 文章编号:1006-7345(2009)01-008-02

1　前言

随着滇西大理地区首座风力发电厂的并网,云南乃至整个西南地区的能源结构将被改变。风力发电机的原动力是风,风的随机波动性和间歇性决定了风力发电机的输出特性也是波动和间歇的。文中分析探讨了风电并网后可能给电力系统带来的影响,为相关风电管理办法的制定提供参考和依据。

2　风力机数学模型

风力发电的主要设备是风力机,风力机包括风轮与发电机两大主要组成部分,风轮从风能获得动能并将其转化为机械转矩,发电机系统将机械转矩转化成电能。风力机是空气动力学、机械工程、电气工程和控制工程等多学科知识组合的一个复杂系统。通常,风力机功率与风速的关系可表示为:

P w

=ρ2

c p (λ,β)A R v 3

w

式中:P w 为风轮吸收功率;ρ为空气密度;c p 为风能利用(或功率)系数;λ为叶尖速比(叶尖速度

与风速之比);β为桨距角;A R =πR 2

为风轮所覆盖

的面积,R 为风轮半径;v w 为风速。

早期的风力发电机多为恒速型风力发电机,是一个与配电网直接相连的异步机。它装机规模小,设计比较简单而且结实耐用,但是它无法控制有功或无功功率的输出,输出功率波动较大。而相对的,变速型风力发电机能量产出率更高,

机械负荷损失更小,功率输出时波动比较小,并且对有功和无功有着广泛的控制力,更能满足并网的要求。目前比较常见的变速型风力发电机有两种,一种是同步电机通过电力电子装置与电网相连,即直驱型变速同步风力发电机,另外一种是双馈型变速异步风力发电机。

3　风电并网对电力系统的影响

311　潮流与网损的影响

在电力系统中,发电厂一般都接在输电网上,负荷则直接与配电网相连,电能是从输电网流向配电网的。输电网一般呈环状结构,电压等级高,网络损耗小;配电网则呈树状,结构松散,电压低,网损较大。若是风电厂接入配电网,则减少了输电网向该地区输送的电力,既缓解了电网的输电能力,一般也会降低系统的网损。

在潮流问题上,主要的研究热点在于风电厂的模型。最简单的是P -Q 模型,根据风电厂的有功功率和功率因数,估算风电厂吸收的无功功率,然后作为一个普通的负荷节点加入潮流程序。也有学者建立R -X 模型,把感应电机的滑差表示成端电压、有功功率和等值支路阻抗的函数,给定初始滑差和风速,计算风机的电功率和机械功率,根据两者的差值修正滑差,反复迭代,直至收敛。

312　电能质量的影响

风资源的不确定性和风电机组本身的运行特性使风电机组的输出功率是波动的,可能影响电

8

　第37卷风电并网对电力系统的影响初探2009年第1期　

网的电能质量,如电压波动和闪变、电压偏差以及谐波等。影响风力发电产生电压波动和闪变的因素有很多:并网风电机组在启动、停止和发电机切换过程中会产生电压波动和闪变。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。风电给系统带来谐波的途径主要有两种:一种是风力发电机本身配备的电力电子装置可能带来谐波问题;另外一种是风力发电机的并联补偿电容器可能和线路电抗发生谐振。

313　系统稳定性的影响

风电并网引起的稳定问题主要是电压稳定问题。风力发电出力随风速大小等因素而变化,同时由于风能资源分布的限制,风电厂大多建设在电网的末端,网架结构比较薄弱,所以在风电并网运行时必然会影响电网的电压质量和电网的电压稳定性。同时大型风电厂的风力发电机几乎都是异步发电机,在其并网运行时需从电力系统吸收大量无功功率,增加电网的无功负担,有可能导致小型电网的电压失稳。因此风力发电机端往往配备有电容器组进行无功补偿,从而提高电网运行质量及降低成本。

314　电网频率的影响

风电厂对系统频率的影响取决于风电厂容量占系统总容量的比例,在我国跨区电网互联的形式下,电网规模越来越大,覆盖范围越来越广,风电厂并入系统中,其容量在电网的总容量中所占的比例甚微,对电网频率的影响很小。但是应考虑到如果风电并入到一个小的孤立的电力系统,当失去风电出力后,在常规机组经过一次、二次调频后该系统的频率的降低将有可能突破一般允许的频率偏差范围,此时应考虑增加常规机组的旋转备用。

315　继电保护的影响

异步发电机在发生近距离三相短路故障时不能提供持续的故障电流,在不对称故障时提供的短路电流也非常有限。因此风电厂保护技术的困难是如何根据有限的故障电流来检测故障的发生,使保护装置准确而迅速的动作。另一方面,尽管风力发电提供的故障电流非常有限,但也有可能会影响到配电网络保护装置的正确运行。

316　发电计划与调度的影响

传统的发电计划基于电源的可靠性以及负荷的可预测性,以这两点为基础,发电计划的制定和实施才有了可靠的保证。但是由于风能的随机性,风电厂出力的预测水平还达不到工程实用的程度,发电计划的制定变得困难起来。

同时需要进行改进和调整的还有传统的电力系统运行方式和控制手段,这是因为风力发电并网以后,如果电力系统的运行方式不相应地做出调整和优化,系统的动态响应能力将不足以跟踪风电功率的大幅度、高频率的波动,系统的电能质量和动态稳定性将受到显著影响,这些因素反过来又会限制系统准入的风电功率水平。

4　风力发电的规模问题

411　衡量风力发电规模的两个指标

国内外的学者和工程技术人员通常采用以下两个指标来表征电力系统中风电规模的大小:

1)风电穿透功率极限:风电穿透功率(wind power penetrati on)是指系统中风电厂装机容量占系统总负荷的比例,表征一个给定规模的电网最大可以承受的风电功率。风电穿透功率极限定义为在满足一定技术指标的前提下并入吸引的最大风电厂装机容量与系统最大负荷的百分比。即:

风电穿透功率极限=

系统能够承受的最大风电厂装机容量

系统最大负荷

×100%

2)风电场短路容量比:定义为风电厂额定容量P wind与该风电厂与电力系统的连接点—PCC(Point of Common Coup ling)的短路容量Ssc 之比。即:

风电场短路容量比K=

风电厂额定容量P wind

风电厂与电力系统连接点的短路容量Ssc

×100%短路容量比通常是指电气设备安装处的短路容量与其设备容量的比值。这里风电场短路容量比的概念实际上是普通意义上短路比的倒数。其大小表示网络结构的强弱,短路容量比大说明该节点与系统电源点的电气距离小,联系紧密。风电厂接入点的短路容量反映了该节点的电压对风电注入功率变化的敏感程度。风电场短路容量比小表明系统承受风电扰动的能力强。对于风电厂的短路容量比这一指标,欧洲国家给出的经验数据为313%-5%,日本学者认为短路比在10%左右也是允许的。

412　影响风力发电最大注入功率的主要因素风电厂的最大注入功率不仅取决于风电厂的运行特性和系统中其它发电设备(下转第12页)

9