风电并网对传统电网的影响分析

保志荣

(广东电网有限责任公司汕尾供电局，广东 汕尾 516600)

风电并网对传统电网的影响分析

保志荣

(广东电网有限责任公司汕尾供电局，广东 汕尾 516600)

随着不可再生能源的日益枯竭，太阳能和风力发电越来越受到重视，尤其是风力发电。但其大规模并网对传统电网必然会产生一定的冲击，现就此进行具体分析，并着重探讨风电并网对传统电网继电保护的影响。

风力发电；并网；影响；继电保护

0 引言

随着社会文明的不断发展，作为不可再生能源的煤炭和石油等资源已经越来越稀少，能源和环境问题已经成为现代社会亟待解决的一个最重要的问题。风能作为一种可再生的新兴能源，取之不尽、用之不竭，人类驾驭它的能力也在不断提高，但其天生的缺点——随机性和间歇性，导致风力发电输出处于持续的变化中，并且还需要从电力系统中汲取无功功率，无功功率的需求量随着有功输出量的变化而变化，风电接入电力系统还会影响电网的电压、频率、继电保护，最终直接影响电力系统的稳定性。随着风电接入系统量的不断增加，风电并网对电网的影响将会越来越显著。

1 风力发电的并网方式

任何电网以外的电能接入，首要条件是需要电能的频率相同，风力发电也一样。目前的风力发电系统分为两类：一类是恒速恒频发电系统(CSCF系统)，另一类是变速恒频发电系统(VSCF系统)。国内外使用比较多的风力发电机组是CSCF系统中的交流异步发电机，图1为异步发电机的使用模型图。

图1 异步发电机的使用模型图

异步风力发电机投入电网运行时，其调整负荷的方式是控制转差率，因此对风力发电机的调速精度要求并不高，在并网时，只要求其转速达到同步转速，就可以进行并网了。

异步发电机的优点是：在风力发电系统中其控制简单，且在并网后不会产生振荡和失步。当然异步发电机也存在一定的缺点：(1) 在直接并网时会产生很大的冲击电流，造成电压幅值的下降，对电网的安全运行带来一定威胁；(2) 异步发电机在发电时本身不产生无功，因此需要进行无功补偿。图2为异步发电机的并网模型图。

图2 异步发电机的并网模型图

根据异步发电机容量和控制方式的不同，异步风力发电机有直接并网、准同期并网、捕捉式准同期快速并网、降压并网和软并网等几种并网方式。

1.1 直接并网

直接并网又称硬联网，是将风力发电机组直接与电网并联的一种方式，其并联条件是：(1) 风力发电机与电网的相序相同；(2) 发电机的转速接近同步转速(在99%以上)。并联信号由发电机组的测速装置给出，控制开关合闸与电网并联。

其优点是：并网比较方便，控制方式非常简单。

其缺点是：并网的瞬间电网会受到4～5倍发电机额定电流的冲击，可能发生三相短路和系统电压瞬间严重下降的现象。

1.2 准同期并网

通过精密的准同期控制器去调节发电机组，使其发出电能的电压、频率和相位与电网电能一致，由准同期控制器给出合闸信号，使断路器瞬间合闸，风力发电机组并网运行。

其优点是：并网过程中产生的冲击电流非常小，对系统电压的影响也比较小。

其缺点是：并网时间相对较长，如无其他保护容易造成网上飞车现象。

1.3 捕捉式准同步快速并网

这种并网方式是将常规的整步并网方式改变为在频率变化中捕捉同步点的并网方式。其优点是：准确、快速、可靠，几乎对电网没有冲击，不需要机组有很高的调速精度。

1.4 降压并网

这种方式是在发电机与电网之间串联电抗器，用来减少并网合闸瞬间电网受到冲击的电流幅值和电网电压下降幅度。图3为降压并网模型图。这种方式的主要缺点是：经济效益差，前期投资时，需要根据机组容量的大小去增加电抗器。这种方式主要用于小容量的风力发电系统。

图3 降压并网模型图

1.5 软并网

这种方式是在风力发电机定子与电网之间每相串入一只双向晶闸管，目的是将发电机并网瞬间的冲击电流控制在允许限度内。正常运行时，双向晶闸管被短接，异步发电机的输出电流不再经过双向晶闸管，而是通过已闭合的自动开关直接流入电网，如图4所示。

图4 软并网模型图

2 风力发电并网后对现有电网的影响

2.1 造成电网瞬间电压跳变

大型风力发电机组一般都是采用软并网方式，但其在工作启动时仍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，这种冲击容易造成电压闪变与电压波动。

2.2 对电网产生谐波污染

由于大量电力电子装置的运用，在实际运行中，系统中会有大量谐波出现，并网后，谐波会对电网电能质量有一定的影响。

2.3 对电网稳定性的影响

在风电并网实践中经常会出现以下问题：电网短路容量小、电压波动大、风力发电机频繁掉线。尤其是越来越多的大型风电机组并网后，对电网的影响更大。随着大量新型大容量风力发电机组开始投入运行，风电场装机达到可以和常规机组相比的规模，因此，与风电并网有关的电压/无功控制、有功调度、静态稳定和动态稳定等问题越来越突出。

2.4 对发电计划与调度的影响

传统模式是根据负荷大小去有计划地调节发电量，发电计划的制定和实施比较方便。但是，如果风电大量并网，其出力的不确定性将使发电计划的制定变得非常困难。

2.5 对传统继电保护的影响

目前，并网风电容量还比较小，在电力系统保护配置和整定计算时往往不考虑风电场的影响，而是简单地将风电场视为一个负荷，或将风力发电机作为同步发电机处理，不考虑其提供的短路电流。然而，当风电大规模接入系统时，在电网发生故障时风力发电机将向故障点提供一定的短路电流，在此情况下，如果系统保护配置和整定计算仍不考虑风电的影响，则是不合理的，实际运行时可能导致保护装置的误动。国内外关于电力系统短路电流的计算方法及计算软件都已相当成熟，但都不包含风力发电系统，因此，研究故障情况下风电并网对继电保护的影响是非常有意义的。

3 风电并网对传统电网继电保护的影响分析

本文主要针对风电接入35 kV系统后对电网继电保护产生的影响进行分析，图5是风电并网后的系统结构图。

图5 35 kV电网接入风电后的系统结构图

从图中我们可以分析得到，风电并网对电网继电保护会造成以下几个方面的影响：(1) 会造成整个线路的继电保护灵敏度降低，有可能发生拒动现象。从图中我们可以看到，当K1和K2处发生短路故障时，系统电源S和接入的风电电源S风都会为故障点提供短路电流，导致保护QF4处的电压升高，因此流过保护QF3中的故障电流小于无风电接入时的故障电流。当风电系统的分流作用足够大时，将导致系统继电保护灵敏性降低，对于定时限速断来说，保护范围可能会缩小。(2) 会造成风电接入点下游继电保护出现误动作。当线路上的K1点发生短路故障时，由于风电电源S风的接入，流经保护QF4处的短路故障电流增大，造成QF4的保护范围延伸到下一级线路，使保护失去了选择性。如果故障点的电流大于QF4的整定值，则QF4会出现误动作，造成保护范围扩大。(3) 当风电电源S风所在线路上游分支线发生短路故障时，S风通过母线向故障点提供反向的短路电流，使得故障点的电流增大，同时若保护QF3没有识别故障电流方向的能力，则可能会误动作，造成风电电源接入点所在线路中断供电。

针对以上可能出现的问题，如想减少风电接入传统电网对继电保护的影响，我们可以采取以下措施：(1) 风电电源接入电网时，从对电网继电保护影响比较小的角度去考虑，尽量让风电电源从整个线路的末端接入，从而减少受风电影响较大的位于风电电源接入点下游的继电保护数量。(2) 如果风电电源接入点没有选择性，则需要对风电接入点下游继电保护的整定值进行调整，提高保护的整定值，用来满足保护选择性的要求，同时还能保证在风电退出后，整个电网仍有足够的保护范围和保护精度。(3) 风电电源接入系统后需要对风电电源接入点上游的保护进行校验，确保其在风电接入后仍能满足要求。(4) 为确保保护的灵敏性，需要对位于风电电源接入点上游的保护加装方向性元件，确保系统保护不会因为反向电流而误动作。

4 结语

风力发电是人类运用可再生能源的一个经典案例，但风能的利用一定要找到一种科学的方法，确保其对现有的电力系统没有冲击或冲击较小。目前风电并网量还相对较少，随着风电大规模地接入电网，传统电网的继电保护必须根据风电的接入量进行相应调整，以减少其对系统安全稳定运行的影响。

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[2]乔建强，杨水丽，陈江涛，等.风电场并网布局对系统稳定性的影响研究[A].第13届中国科协年会第15分会场——大规模储能技术的发展与应用研讨会论文集[C]，2011

[3]王成福.风电场并入电网的调控理论研究[D].山东大学，2012

2014-11-06

保志荣(1980—)，男，云南陆良人，工程师，研究方向：电网运行、继电保护及自动化。