浅谈大规模风电接入对电力系统的影响

杨家然，罗晓芬

(华能威海发电有限责任公司，山东 威海 264205)

浅谈大规模风电接入对电力系统的影响

杨家然，罗晓芬

(华能威海发电有限责任公司，山东 威海 264205)

介绍了风电场常用风力发电机组的类型及其特点，分析了大规模风电并网对电力系统安全和稳定运行的影响，总结了目前风电并网对电力系统影响的主要研究研究方法。针对存在的问题，提出了改进建议。

风电场;电力系统;影响分析

1 引言

风能是洁净的可再生能源，风力发电是解决当前突出的能源和环境问题的有效手段，因而得到了普遍重视和大规模开发利用。近年来，特别是《可再生能源法》实施以来，中国的风电产业和风电市场发展十分迅速，2010年底，风电装机总容量达到4473．3万千瓦，超过美国成为世界第一，风电并网容量也达到了2956 万千瓦，预计2020 年风电装机将翻倍［1，2］。

大规模风电并网必须解决的两个主要问题就是消纳与安全。由于风能的随机性和间歇性，导致预测困难、误差大。因此，在现有的调度方式下很多风电场负荷低谷时段被迫弃风，影响了风电的消纳;当风电穿透功率超过一定值之后，会严重影响电能质量和电网稳定性、可靠性［3］，甚至引起大面积停电事故，2011年2月24日以来酒泉风电基地连续发生三次大面积风机脱网事故，分别失去风电出力84万千瓦、100．6万千瓦和153．5万千瓦，同时使西北电网主网和华北电网主网的频率拉低，导致电网系统电压、频率大幅度波动，直接威胁到电力系统安全稳定运行［4］。随着风电场的容量越来越大，对系统的影响也越来越明显，研究风电并网对系统的影响已成为重要课题，本文将就风电并网研究中的一些问题进行浅述。

2 风力发电机组的原理及其特点

分析风电并网的影响，首先要考虑风力发电机类型的不同。不同风电机组工作原理、数学模型都不相同，因此，分析方法也有差异。目前国内风电场选用机组主要有3种，下面分别简单介绍这3种风力发电机组的原理及其特点。

2．1 异步风力发电机［5］

异步风力发电机的主要特点是结构简单，运行可靠，此种发电机为定速恒频机组，运行中转速基本不变，风力发电机组运行在风能转换最佳状态下的机率比较小，因而，发电能力比新型机组低。同时，运行中需要从电力系统中吸收无功功率。为满足电网对风电场功率因素的要求，采用在机端并联补偿电容器的方法，其补偿策略是异步发电机配有若干组固定容量电容器。由于风速大小随机变化，驱动异步发电机的风机不可能经常在额定风速下运转。

异步风力发电机的结构如图1所示。

图1 异步风力发电机

2．2 双馈异步风力发电机［6］

兆瓦级风力发电机普遍采用双馈异步发电机形式，是目前世界主力机型，该机型称为变速恒频发电系统。由于风力机变速运行，其运行速度能在一个较宽的范围内调节，使风机风能利用系数Cp得到优化，获得高的系统效率;可以实现发电机较平滑的电功率输出;与电网连接简单，发电机本身不需要另外附加的无功补偿设备，可实现功率因素一定范围内的调节，例如从0．95领先到0．95滞后范围内，因而具有调节无功功率出力的能力。

双馈异步发电机的结构如图2所示。

图2 双馈异步风力发电机

2．3 直驱式风力发电机［7］

从大型风电机组实际运行经验中，齿轮箱是故障率较高部件。采用无齿轮箱结构则避免了这种故障的出现，可以大大提高风电机组的可利用率、可靠性，降低风电机组载荷，提高风力机组寿命。该机组采用直接驱动永磁式同步发电机，全部功率经A－D－A变换，接入电力系统并网运行。与其他机型比较，需考虑谐波治理问题。

直驱式交流永磁同步发电机的结构如图3所示。

图3 直驱式风力发电机

3 风电并网对电力系统影响分析方法

由于风速变化是随机的，因此风电场出力也是随机的，风电本身这种特点使其容量可信度低，给电网有功、无功平衡调度带来困难。

在风电容量比较高的电网中，可能产生电能质量问题，例如电压波动和闪变、频率偏差，谐波问题等。更重要的是，需分析稳定性问题，系统静态稳定、动态稳定、暂态稳定、电压稳定等。当然，相同装机容量的风电场在不同接入点对电网的影响是不同的，在短路容量大的接入点对系统影响小，反之，影响大。

定量分析风电场对电网运行的影响，要从稳态和动态两方面进行分析。

稳态分析，就是对含风电场的电力系统进行潮流计算。在稳态潮流分析中，风电场高压母线不能简单视为PQ节点或PU节点。含风电场的电力系统对平衡节点的有功、无功平衡能力提出更高要求，要分析含风电场在电网大、小运行方式下，是否满足系统的安全稳定运行的各种约束。

动态分析过程，一般采用仿真的方法，要考虑异步发动机、双馈异步发动机等不同发电机的模型以及风速、风机、桨距调节等环节，用仿真程序 PSS/E、PSCAD、PSASP等进行分析，分析的关键是各种风力发电机模型的选用。

分析风电并网对电网影响，还需考虑风电场无功问题。风电场无功消耗包括:异步发动机消耗、风机出口出口升压变压器、风电场升压站主变压器消耗等，如有必要，可采用动态电压控制设备。

目前风电的容量可信度常用的有两种评价方法:一种是计算含风电场的电力系统的可靠性指标，在保证系统可靠性不变的前提下，风电能够替代的常规发电机组容量即为其容量可信度，这种方法适合于系统的规划阶段;另一种方法是时间序列仿真，选择合适的时间段作为研究对象，通过计算风电场的容量系数(风电场实际出力与理论发电量的比值)来估算容量可信度，在负荷高峰时段，可以认为容量系数等于容量可信度，该方法适用于为系统的运行提供决策支持。

4 风电并网对电网影响

通过上述分析方法，风电并网对电网影响主要表现为以下几方面。

4．1 电压闪变

风力发电机组大多采用软并网方式，但是在启动时仍然会产生较大的冲击电流。当风速超过切出风速时，风机会从额定出力状态自动退出运行。如果整个风电场所有风机几乎同时动作，这种冲击对配电网的影响十分明显。不但如此，风速的变化和风机的塔影效应都会导致风机出力的波动，而其波动正好处在能够产生电压闪变的频率范围之内(低于25Hz)，因此，风机在正常运行时也会给电网带来闪变问题，影响电能质量。已有的研究成果表明，闪变对并网点的短路电流水平和电网的阻抗比(也有说是阻抗角)十分敏感。

4．2 谐波污染

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。对于直接和电网相连的恒速风力发电机，软启动阶段要通过电力电子装置与电网相连，因此会产生一定的谐波，不过因为过程很短，发生的次数也不多，通常可以忽略。但是对于变速风力发电机则不然，因为变速风力发电机通过整流和逆变装置接入系统，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，这一问题也在逐步得到解决。另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，在实际运行中，曾经观测到在风电场出口变压器的低压侧产生大量谐波的现象。与电压闪变问题相比，风电并网带来的谐波问题不是很严重。

4．3 电压稳定性

大型风电场及其周围地区，常常会有电压波动大的情况，主要是因为以下三种情况。风力发电机组启动时仍然会产生较大的冲击电流。单台风力发电机组并网对电网电压的冲击相对较小，但并网过程至少持续一段时间后(约为几十秒)才基本消失，多台风力发电机组同时直接并网会造成电网电压骤降。因此多台风力发电机组的并网需分组进行，且要有一定的间隔时间。当风速超过切出风速或发生故障时，风力发电机会从额定出力状态自动退出并网状态，风力发电机组的脱网会产生电网电压的突降，而机端较多的电容补偿由于抬高了脱网前风电场的运行电压，从而引起了更大的电网电压的下降。

风电场风速条件变化也将引起风电场及其附近的电压波动。比如当风场平均风速加大，输入系统的有功功率增加，风电场母线电压开始有所降低，然后升高。这是因为当风场输入功率较小时，输入有功功率引起的电压升数值小，而吸收无功功率引起的电压降大;当风场输入功率增大时，输入有功引起的电压升数值增加较大，而吸收无功功率引起的电压降增加较小。如果考虑机端电容补偿，则风电场的电压增加。特别是，当风电场与系统间等值阻抗较大时，由于风速变动引起的电压波动现象更为明显。研究发现，使用电力电子转换装置的风力发电机，能够减少电压波动，比如并网时风电场机端若能提供瞬时无功，则启动电流也大大减小，对地方电网的冲击将大大减轻。值得一提的是，如果采用异步发电机作为风力发电机，除非采取必要的预防措施，如动态无功补偿、加固网络或者采用HVDC连接，否则当网络中某处发生三相接地故障时，将有可能导致全网的电压崩溃。

4．4 无功控制、有功调度

大型风电场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中吸收大量无功功率，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。双馈型变速恒频风力发电机对这一系列问题有很好地解决作用，由于添加了控制环节，它具有了以下优良特性:①可以实现对无功功率的控制——双馈发电机在实现电压控制的同时还可以从电网中吸收无功功率或是为电网提供无功补偿;②可以通过对转子励磁电流的独立控制实现了有功和无功功率的解耦控制。具体原理是，双馈发电机在转子侧的变频器通过转子电流d轴分量实现对转子转速和力矩的控制，无功和励磁则是通过转子电流的q轴分量来控制的。同时，电网侧的变频器也以类似的方式工作，d轴分量通过直流电压媒介电路控制有功功率，实现转子侧与电网侧变频器之间的有功交换。

4 结论

随着风电的高速发展，对风电并网的研究会越来越重要。影响风电并网的技术障碍包括缺少风电场规划、风力发电机和风电场模型的模拟软件、风电场输出预测等。

建议通过硬件建设，改进电网负荷平衡能力;通过软件建设，提高电网的调度能力和水平;制订严格的风电入网标准，促进风机制造技术的进步;提高风电短期预测技术能力和水平。

［1］ 李俊峰，高虎，等．2008中国风电发展报告［Z］．

［2］ 李俊峰．风光无限:中国风电发展报告2011［M］．北京:中国环境科学出版社，2011:2－4．

［3］ 张硕，李庚银，周明，等．风电场可靠性建模［J］．电网技术，2009，13(33):37－41．

［4］ 冯双磊，王伟胜，刘纯，等．风电场功率预测物理方法研究［J］．中国电机工程学报，2010，30(2):1 －6．

［5］ 邓卫，唐西胜，齐智平．异步风力发电机对微网稳定性的影响与对策［J］．中国电机工程学报．2011，31(1):32 －38．

［6］ 张照彦．双馈异步风力发电机建模与仿真研究［J］．电力科学与工程，2010，26(1):5－9．

［7］ 易映萍，刘普，吴金龙．永磁直驱风力发电机无传感器矢量控制研究［J］．电气传动，2011，41(4):11－15．

The Effect of the Large-Scale W ind Power Penetration on Power System s

YANG Jia-ran，LUO Xiao-fen
(Huaneng Weihai Power Generation Co．，LTD，Weihai264205，China)

The types and characteristics of commonly used wind turbines in wind farm are described，the impact on security and stability of the power system with large-scale wind power are analyzed．Summarize themain researchmethods of the impacton the power system with wind power．The improvement recommendations for the existing problems are given．

wind field;power system;analysis of influence

TM71

B

1004－289X(2013)04－0011－04

2012－07－11

杨家然(1984－)，男，硕士研究生，研究方向为电力系统控制与继电保护;

罗晓芬(1983－)，女，硕士研究生，研究方向为电力系统动态仿真及计算机实时控制。