风力发电并入大同电网对电网的影响分析

马祥?米渊?马晓宁

摘要：风电作为一种绿色、可再生的能源，近年来得到高速发展。随着风电装机容量的增加，风力发电的随机性、不可控性等缺点也日益显现出来。风电对大同电网的不利影响主要集中在频率、电网电压、系统稳定性、谐波污染、线路损耗和保护装置等方面，建议通过开展风电出力预测、提高风电场穿透功率、加强风电场接入点的谐波和无功功率监测等措施来消除这些不利影响。

关键词：风力发电；接入系统；电网

作者简介：马祥（1964-），男，回族，山西大同人，大同供电公司调控中心调控值长，高级企业培训师，高级技师，国家电网公司技能专家；米渊（1988-），男，山西朔州人，大同供电公司调控中心，助理工程师。（山西 大同 037008）

中国分类号：TM732 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）09-0240-02

风力发电是21世纪重要的绿色能源，也是化石能源的重要替代能源之一。近年来，随着风电并网技术的日益成熟，以及国家相关政策的大力支持，风力发电发展迅速，大同地区作为风能可利用区，已经直接或间接接入电网10座风电场。风力发电作为一种可再生的清洁能源，对于环保以及能源的可持续发展有着积极意义，同时作为统一坚强智能电网规划中重要的可再生能源以及分布电源发展的一部分，起着至关重要的作用。但是风电电源由于其自身特点，当风电装机容量占总电网容量的比例较大时对输电网的安全和经济运行都会带来冲击，风能的随机性、不可控性以及风电机组的特性，并入电网后对电网还会产生一定的不利影响。

一、大同电网风电现状

目前大同电网已经并网发电的风电场有左云五路山风电场（80*1.5MW）、新荣小窑山风电场（33*1.5MW）、天镇武家山风电场（66*1.5MW）、大梁山风电场（33*1.5MW）、浑源密马鬃梁风电场（66*1.5MW）、灵丘甸顶山风电场（33*1.5MW+30*1.65MW）、寒风岭风电场（66*1.5MW）、广灵月明山风电场（25*2MW）、福风岭风电场（33*1.5MW），总装机容量为714.5MW。其中，左云五路山风电场直接并入了大同电网高山供电系统；小窑山风电场并入了北郊供电系统；福风岭风电场、武家山风电场、大梁山风电场并入了阳高供电系统；寒风岭风电场、密马鬃梁风电场、甸顶山风电场、月明山风电场并入了浑灵广供电系统。按照公司规划，计划在“十二五”期间在大阳天、浑灵广地区还会有一定容量的风电场建设接入大同电网。随着风电场并网容量的逐步增大，风电对电网的一些影响将会逐步显现，因此加强风电并入电网后对电网影响的研究分析很有必要，也具有一定的现实意义。

二、风电场并入电网对电网的影响分析

1.对电网频率的影响

电网频率受风电的影响主要取决于风电场装机容量占电网装机总容量的比例。由于风电的输出功率具有随机波动的特点，当风电场的装机容量在电网中所占比例较大时，电网的电能质量以及系统中频率敏感负荷的正常工作会受到一定程度的影响，因此地区电网在风电开发时，应根据其总装机容量考虑风电的接纳能力，使电网建设逐步、协调发展。目前通常用风电穿透功率来分析风电场对电网频率的影响。“风电穿透功率”是指电网系统中风电场装机容量占系统总负荷的比例。根据实际运行统计，当风电穿透功率小于10%时，电网频率的变化在允许范围之内。按照大同电网风电接入容量情况以及运行情况，目前风力发电对电网的频率影响不大，但随着规划风电容量的逐步增加，对电网频率的影响也将日益加大。

2.对电网电压和系统稳定性的影响

风电场接入电网的末端，改变了配电网功率单向流动的特点，使潮流流向和分布发生改变。由于风力发电机组多数采用异步发电机，在向电网输出有功功率的同时需要从电网吸收大量无功功率，可能引起并网点电压波动，补偿风电场的无功功率一般通过在风机配置功率因数校正装置或者在风电场母线安装电容器组实现。无功补偿量的大小与接入点的电压平方成正比，若系统电压水平较低，则并联电容器的无功补偿量迅速下降，导致风电场对电网的无功功率需求上升，严重时会造成系统电压崩溃。

目前220kV阳高站低压侧所带用户无功消耗大，阳高站低压侧电容器还未投运，无功不能满足就地平衡，同时由于天镇武家山、大梁山风电并入阳高站110kV系统，风电大发时，阳高站中压侧潮流向主变倒送，导致阳高站高压侧功率因数在0.7左右，远远低于电网运行规定的要求，导致变压器损耗较大。高山站同样存在类似的情况。

根据电压曲线的监视，虽然有一定容量的风电接入大同电网北郊系统，但是由于电厂侧SVC的及时投入，风电对北郊系统的电压影响较小。

此外，由于异步发电机的功率恢复特性，当电网发生短路故障时，若不能及时排除故障，容易导致暂态电压失稳。另外，随着地区电网风电装机容量的不断扩大，其在电网中所占的比例逐渐增加，风电输出的波动性对电网的功率冲击效应也不断增大，对系统稳定性的影响也更加显著，严重时可能使系统失去动态稳定性，导致整个系统的瓦解。

3.对电网的谐波污染

目前風电场广泛采用变浆距调节控制的变速恒频风力发电机，其调节装置一般采用“交-直-交”变流器接入电网，这种类型的风机能够实现不同风速下最大捕获风能，提高发电效率。大同电网投入运行的几座风电场均采用该类型调节装置，如果变频恒速风电机组电力电子控制装置的切换频率在产生谐波范围内，则会产生严重的谐波问题。因此，在风电场的规划设计阶段，就应根据选用分风电机组类型及并网方式对系统电能质量进行评估，并提出相应的谐波治理方案。目前大同电网接入的风电场中均装设有TCR滤波功能的SVC装置，对抑制谐波会起到一定的作用。

4.对保护装置的影响

风电场的出力介于零和额定之间，并网线路正常运行时电流常为额定电流的30%～60%，另外，由于风力发电机均为异步电机，短路电流很快衰减，在发生短路故障时，风电提供的短路电流往往较小，且不能提供持续的短路电流，导致系统保护的灵敏度降低。

风电机组的低电压穿越能力普遍不足，仅能满足并网点电压跌至20%额定电压时，保持并网运行625ms。而发生电压跌落后3s内如果不能恢复到额定电压的90%，风电场内的风电机组则基本会全部自行脱网。再加上当前风力发电功率的不确定性，所以风电机组不能作为正常发电机组对待。鉴于上述原因，大同电网内全部风电接入系统不作为电源点模型考虑，保护及安全自动装置的配置按负荷端配置，但保护装置方向元件和重合闸等均按对侧有电源设置。这种配置方式在当前风电接入容量较小，接入线路较少的情况下，不致影响系统的稳定，但当风电接入规模再扩大时，则必须考虑其对系统稳定和保护配合的影响。

5.对线路损耗的影响

大同电网有5座风电场通过110kV并网，在冬季、春季风电大发期间风电场并网线路以及相关厂站联网线路潮流骤增，同时由于风电场大多在电网末端，并网线路及相关联网线路都较长，部分线路线径细，导致线路损耗大。以2013年3月份相关线路损耗为例，具体如表1所示。

三、风电场调度策略

目前，大同电网的风电场的集电线路全部由山西省调度控制中心调度。风电机组作为电源点与传统火电机组相比具有特殊性，对风电机组的调度也应区分于其他电源点的调度策略。

1.积极应对风电随机性对电网调度的影响

近期国家发布的《节能发电调度办法》要求优先排序风电等可再生能源。由于风力发电出力的随机性，现有的风电预测水平难以为传统发电计划的制定提供实质参考，因此风电机组对电网的调峰压力大于其他类型机组，调度部门的调峰管理面临一定困难。建议风电场建立发电预报系统，結合对未来几天天气状况及系统用电需求积极开展电力生产预测，探索更接近实际的风速风力预测模型。另外，调度部门应按照“三公”调度的原则，对风电场出力波动引起的调峰问题由电网中同一发电集团的其他机组承担，从管理上促使各发电集团积极开展预测工作。图1和图2为大同电网连续两天的风电总有功曲线。

2.提高风电场穿透功率

由于风速风力在各种天气条件下不断变化，风电机组大部分时间内不能按额定功率运行，建议在实践中分析、收集气象资料，结合风电机组的技术参数，使当前风速与风功率预测实时相关联，优化系统运行方式，提高风电场的穿透功率，充分利用风能。

3.加强对风电场接入点的谐波和无功功率监控

风电机组自带的无功补偿和消除谐波的装置不足以完全消除对电网的无功补偿需求与谐波污染，建议在相关场站装设谐波监视设备，对注入电网的谐波电流及高次谐波电压含量进行监视，同时无功补偿的监测数据可录入AVC系统，控制并网点电容器组的投切。

四、结语

近几年风力发电高速发展，虽然风电作为清洁能源对节能减排、经济环保等会起到很大的作用，但同时也给电网带来了一些问题，尤其在较大规模的风电场接入电网较为薄弱的情况下，风能对电网系统有着较大影响。因此随着风电技术的进一步发展，要积极研究风电对电网的实际影响，从而研究运用新技术来改善风电场对电力系统的不利影响。

参考文献：

[1]大同电网接纳风电能力研究报告[R].太原：山西省电力勘测设计院，2007.

[2]山西省电力公司.山西省风电场接入电网管理暂行规定[Z].

2007.

（责任编辑：孙晴）