浅谈风电场并网对电力系统的影响

一、引言

随着全球能源消耗速度的不断增加，人类对于能源的需求与日俱增。而传统能源，诸如煤炭、石油、天然气等的储量有限，再加上传统能源的大量消耗造成了严重的环境污染，对可再生以及干净环保能源的开发利用已成为一件迫在眉睫的事情。而风力发电由于技术上日趋成熟，商业化运用能力不断提高，在众多可再生的绿色能源中脱颖而出。但是在风能发电并入现行的电力系统时，因其具有很大的随机性和波动性，对电力系统的稳定性以及安全运行产生了让重大的影响。同时这种影响是随着风力发电容量的不断增加而愈发明显。这就要求我们不断加深对风电场并网对电力系统的影响研究，对风电并网产生的电压不稳定、电网频率不稳定等问题进行探究，以进一步提高风电并网后，电力系统运行的稳定性与安全性。

二、风力发电并网运行的特点

1.能量的密度小

相比其他类型的可再生资源的发电装置，在得到相同的发电容量时，风力发电机的发电设备的尺寸要大得多，这就说明风能发电的能量密度小。

2.稳定性较差

风力发电的质量取决于风速的大小和风向，而风速的大小强弱与风向则是不可预测的变量，这就使得风力发电的随机性较大，具有很大的不稳定性。所以风力发电的输出功率处于一个变动的状态。为了得到较为稳定的风能，风力发电机就必须安装调速、调向等控制装置来减弱风力发电的不稳定性。

3.发电效率相对较低

风轮作为风力发电最为主要的装置，其理论最大效率为59.3%，而在实际的运作过程中，其效率远比59.3%要小。

4.储能困难

如果要求单独运行的风力发电机不间断的进行供电，就势必需要风力发电机具备相应的储能装置，以应对当没有风能时或者风力较小时风力发电机就停止发电的情况。不仅如此，当风力发电并入电网的容量较大时，鉴于风力发电的间歇性等特点，就要求风力发电装置能够储存一定的电力，不断保证电网供电功率的稳定，保障电力系统运行的安全。但是就目前的技术而言，对于风力发电的储能还存在一定的困难。

5.风电场的发电成本比较高

由于风电场处理的间歇性、不稳定性，当风电场并入电力系统时，会增加负荷跟踪、无功功率以及电压调节等电网辅助服务，这就导致风电企业的成本较高。在并网之后，高于常规能源发电平均电价之间的差额附加在销售电价中分摊，从而影响了电网企业的收益，也直接导致居民的用电成本增加。

三、风电场并网对电力系统稳定性的影响

1.电压稳定性

大多数风力发电机为异步发电机，在发出有功功率的同时还需要从电网系统系统吸收无功功率。而风电场对这部分无功功率是导致电网电压稳定性下降的主要原因，当风电场的发电容量较大时，这部分无功功率就会增大，相应的电网对风电场的控制作用就越小，电网电压的稳定性也越低，而电网电压的稳定性又包括静态电压稳定和暂态电压稳定。

a.静态电压稳定性

所谓的静态电压是指整个电网系统在运行的过程中，电网电压相对稳定运行时所产生的电压，它的稳定性与电力系统的负荷性极限功率密切相关。一般来说，如果风电场的有功功率能够使负荷特性极限功率增加，那么静态电压稳定性就会增加。反之亦然。但是我们必须考虑到风电场并网时所需要的大量的无功功率，这很有可能导致电压稳定性降低甚至电压崩溃现象。这种现象的产生主要和电力系统的无功供给量和电力发电机的运行点分布两个因素相关。当电力系统的无功供给量足够多是，无论风电场并网的容量有多大，都可以增加电力系统静态电压的稳定性。

b.暂态电压稳定性

多数情况下，风电场并网引起的电网电压稳定性的现象都是一个动态的范畴，也就是说，当电网电压出现大范围的波动时，电力系统会通过其他保护装置对电压进行调节，而调节的过程就属于一个动态的范畴。当风力发电机接入电力系统启动的瞬间，会对电网产生较大的电力冲击，从而影响电压的稳定性。而且当风力发电机的风速超过切出风速或者出现故障后，电力发电机就会自动退出并网状态，此时就会导致电网电压的突然骤降，导致电网运行不稳定。而为了解决这样的问题，就需要风电机组具有良好的低电压穿越能力，即当风电场并网出现电压跌落现象时，风电场能够持续并网并向电网提供少量的无功功率，从而使整个电网的电压恢复稳定。总的来说，影响风电场并网对电力系统暂态电压稳定性的因素主要包括：一是电网系统的强弱，主要是指无功补偿的大小；二是风机的种类；三是风机的气动功率调节。

2.频率稳定性

为了保证电网的安全稳定运行，电网一般会保留2%-3%的机组旋转备用容量，以应对由于新能源并网产生的频率偏移和频率不稳定的现象。由于风力发电的不稳定性、波动性等特点，其发电出力会随着风力的大小变化，为了确保电网系统能够正常供电，电网需要根据并网的风电容量来确定相应的旋转备用容量。一般来说，电网旋转备用的容量的多少与风电场并入电网的容量成正比。而对大型电网来说，因为具有足够的备用容量以及良好的调节能力，通常情况下不考虑比率稳定性的问题。而部分孤立运行的小型电网就需要考虑由于风电场并网产生的频率稳定性的问题。

3.谐波稳定性

风电场并网会对电网的谐波稳定性产生影响，而这种谐波的来源主要有两种方式：一种是风力发电机本身配备的电力电子设备所引起的谐波。不同的风力发电机对电力系统产生的谐波问题不一样。对于恒速风力发电机来说，谐波问题的产生主要是风力发电机在软启动的过程中，需要利用电力电子设备相连接，相应的就会产生一定量的谐波。但是这种谐波产生的次数比较少，且持续的时间不长，对电力系统的谐波稳定性影响不大。而对变速风力发电机情况就有所不同，变速风力发电机是通过整流和逆流装接入电力系统，一旦电子电力设备的切换频率在产生谐波的范围内，就会产生较为严重的谐波问题，从而影响则个电力系统的稳定性。一种是风力发电机的并联补偿电容器与系统线路电抗发生谐振和引起的谐波。当并入电网系统的发电机组台数过多且均是变速恒频时，就很容易造成电网系统局部产生过高的谐波电压，对电网的电压稳定性产生直接影响。

四、风电场并网对电网调度运行的影响

1.导致电力系统调峰难度增加，增加电网调度运行的费用

图1

因为风电场发电运行的不确定性，会导致其功率波动，在并入电网之后，这种功率波动经常和用电负荷波动趋势相反。这就需要电网必须留有足够的备用容量来平衡风电功率的波动。而这一部分额外的旋转机组一方面可以分担传统机组的部分负荷，可以降低电力系统的燃料成本；另一方面，由于额外旋转设备的启用后，就会产生相应的系统维护费用，以保证旋转备用容量设备可靠有效的运行，也就增加了整个电网调度运行的费用。不仅如此，风电场由于发电机组的功率变化较快，当风电场并网运行时就相当于产生了“削谷填峰”的反调峰效果，这就要求电网系统能够提供一个较为快捷的调峰效率，也就逐步扩大了电网的等效峰谷差，致使电力系统负荷特性持续恶化。而为了确保地理系统安全稳定的运行，就必须对整个电力系统进行调峰，增加了电力系统人员的工作难度，这在无形之中便增加了整个电网运行的费用。因此不断加强对风电功率预测和加大对风电系统储能系统的建设十分重要与迫切。

2.增加无功调节的难度，降低电网抵御故障的能力

风电场在正常运行时需要吸收较多的无功功率来建立旋转磁场，而这些无功功率除了由其自身的无功补偿来提供外，还需要从电网进行吸收，并且从电网吸收的无功功率要比风电场自身提供的无功功率要多得多。如果风电场并网运行的容量过大，一般是超过整个电网容量的10%，就是势必需要从电网系统吸收大量的无功功率，也就进一步降低了电力系统的无功储备度，使得变压器、继电保护器出现损耗，减弱了电网抵御故障的能力。而且大部分的风电机组对电压变动几乎没有调节能力，只设置了简单的低电压保护的动作限值。当电网系统的母线电压发生小幅度的电压波动时，风电机组就会启动保护措施，以保护自身的电子电力设备。如果电力系统出现故障导致电压骤降或者过电压时，集中运行的风电机组就会瞬间解列，对电力系统造成二次冲击，而这种二次的冲击的伤害结果会特别严重，可能会让整个电力系统出现崩溃，无法运行，这将对电网调度运行产生重大影响。所以，随着风电场并网容量的增加，电网抵御故障的能力将会进一步被削弱。

五、对电网继电保护装置的影响

风电场并网带来的逆向潮流，会引起电力保护系统的功能紊乱，而且当电力系统发生故障时，风电机提供的故障电流十分有限，不能引起继电保护装置启动，就会影响现有的配电网的保护装置的正常运行。而当一定规模的风电场接入电网系统时，就会改变配电网的短路电路分布。这种短路电流的改变将会对继电保护器的灵敏度和保护范围产生影响。

如图1显示，当风力发电机距线路末端的X处，如果恰好在线路的末端发生了短路故障，那么在K处检测到的故障电流值将偏小。一旦出现故障产生的短路故障电流偏小很可能在K处的机电保护器就检测不到故障电流，不但降低了机继电保护器的灵敏度，设置使继电保护器的出现了短暂的“失效”。而且在图1的Zs区段，存在速断保护死区，也就是说，当风电场并网点位于这段区域，就会导致线路故障无法排除。而在不改变现有保护系统的基础上，只能采用后备的过流保护设施来排除故障，这无疑削弱了继电保护器的自动性，增加了线路故障对电网的影响。但是如果继电保护器的保护动作大于5个周波，那么就可以不考虑风电短路电流对整个系统电流保护的影响，因为风电短路电流衰减的很快，机电保护装置已经来不及对电力系统进行保护了。

六、总结

尽管我国风电发展迅速，但是在整个电网系统中的所占的比例依旧不足，加上风电并网运行后对电力系统稳定性以及电网调度产生的一系列不利影响，这就要求我们不断优化电网结构，加大对风电网的储能系统的研究，逐步提高无功补偿装置的建设运用，并对风电接入点的运行情况进行实施的监控。而本文主要对风电场并网对电力系统产生的影响进行了分析，对促进风电并网后电网安全运行具有一定的指导意义，希望能够为广大同行提供一些经验。

[1]胡永强,何伟强.风电场并网对电力系统电压偏差的影响分析[J].中国电力教育,2009(S2).

[2]李海波.浅析我国风电场并网对电力系统的影响[J].东方文化企业,2012(10).

[3]任丽蓉.我国风力发电现状及其技术发展[J].科技经济市场,2011(04).

[4]赵勤.加快电网建设 促进科学发展[J].中共乐山市委党校学报,2009(03).

[5]傅旭,李海伟,李寒冰.大规模风电场并网对电网的影响及对策综述[J].陕西电力,2010(01).

[6]范李平,杨力森,武粉桃.风电场并网对电力系统稳定性影响[J].电网与清洁能源,2009(06).

[7]胡卫红,王玮.风电并网对电网影响探究[J].湖北电力,2006(30).