浅析风电场接入电网对电力系统的影响

崔志飞 孙晨光 只群 王小宇

（国网天津东丽公司天津300300）

浅析风电场接入电网对电力系统的影响

崔志飞 孙晨光 只群 王小宇

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作为一种可再生能源，风能的优势在于无污染且储量大。在电力行业中，风能已经成为众多可再生能源中发展速度最快和最具发展潜力的能源。然而，随着风力发电技术的成熟，风力发电规模和容量越来越大，风电场并网运行对电力系统的影响越来越显著。因此，为了更好的应用风能发电，面临的迫切问题是进一步分析大规模风电场接入电网对系统的影响。本文主要以恒速恒频风力发电机为研究对象，基于MATLAB仿真平台，对在风速变化和无功补偿设备投切条件下风电场出口处电压和功率特性进行了仿真分析，直观的体现了风电场接入电力系统后对电力系统的影响。

风力发电；MATLAB；电压稳定性

作为一种可再生能源，风能的优势在于无污染且储量大。相比于传统发电方式，风力发电几乎不消耗任何资源，这就对改善我国工业结构、减少污染物排放具有重大意义，而且对雾霾如此严重的今天尤显重要[1]。因此，风力发电已纳入我国国民经济和社会发展规划。

随着发电规模的不断扩大，风力发电已经成为电网电源中的重要组成部分。为了更加充分地利用可开发的风力资源，需要深入研究大规模风电场接入电力系统后对电力系统的动态影响，这对于风电场的规划、设计和运行都有重要的意义。

1 国内外风力发电发展现状

1.1 国外风力发电发展现状

风电产业最早于1990年起步，经过二十多年的发展，全世界风电装机容量累计达到1.21×108kW，增长率约为42%。截止到2012年，风电总量为2600×108kW·h，占全世界总量的1.5%。据统计，2012年各国风电装机容量方面，美国保持第一，中国第二，印度则超过德国排名第三，并且前三名国家合计新增装机容量占全世界的60%。最近数年，美国又转向研究其海上风能资源，并已经制定海上风力发电计划，开发海上风力发电，风能的应用前景更加乐观[2]。

尽管风电的发展仍然存在着很多困难，如电网适应能力、风能资源、海上风电发展等，但相比于常规能源，经济性优势逐步凸显，世界各国都对风电发展充满了信心。

1.2 国内风力发电发展现状

我国的风力资源十分丰富，陆地风能可开发量约253GW，仅次于美国和俄罗斯，居世界第三位;海上风能资源更大，估计可开发量在750GW左右，两者总计约1000GW[3]。

我国对风能的利用起步于20世纪50年代后期，当时在新疆等省建立了单台容量在10kW以下的小型风力发电场，但其后就处于停滞状态。近代风电发展开始于1986年，随后我国风电产业迅速发展，根据中国风能协会发布的数据，2014年，我国新增风电装机量刷新历史纪录。据统计，全国(除台湾地区外)新增装机容量23196MW，同比增长44.2%;累计装机容量114609MW，同比增长25.4%。按照国家“建设大基地，融入大电网”的风电规划构想，我国风电己进入大规模基地式集中开发阶段[4]。

2 风电场与其他常规能源电厂相比的主要特点

在运行方面风电场与常规能源发电厂有多方面共性，但由于发电能源的特殊性，因此风力发电与常规能源发电(比如火电、水电和核电)相比，基本区别有以下四点：(1)相对于常规能源发电，风具有随机性和间歇性，因此风电场的有功输出亦具有随机性，大小取决于风速的变比；(2)目前风电机组广泛使用异步发电机，在输出有功的同时，发电机会从电网吸收无功;而常规能源使用的都是同步发电机组；(3)相对于常规能源机组，风电机组的单机容量较小，一个风电场通常由大量风电机组并列运行。

综上所述，风力发电机的输出具有波动性和间歇性，并且会从电网吸收无功功率，无功功率的需求量与有功功率输出同步变化、同时进行。以上这些特性的影响与风电场的容量大小有关，随着风电场容量在系统中所占比例的增加，这种影响也会越来越显著。

3 风电场对电力系统的主要影响

大自然中的风是随时变化的，当风速变化时，风力发电机输出的有功功率和吸收的无功功率同时发生变化，风力发电机的这种动态过程也将会影响与之相连的电网，当风电场的规模较小时，这种影响的危害性不大，但是当风电场的容量发展到一定规模时，这种影响就可能导致电力系统的动态失稳。以下应用MATLAB中的仿真软件，对恒速恒频风力发电系统并网运行进行仿真分析。

3.1 仿真系统描述

本文所用仿真系统的仿真图如图1所示，是一个典型的恒速恒频风力发电厂接入无限大系统的例子。这个风电场是由六台风电机组成的，每台风电机的容量为1.5MW，并接于35kV电网系统，之后由25km的联络线与110kV系统相连，将110kV以上的电压等级的电网由等值电源与等值阻抗代替。

其中，风电场的出口处装有3Mvar的STATCOM，每两台风机为一组，每组配备400kvar投切电容器，风电机的运行条件为5m/ s～15m/s之间，风电机的额定风速为9m/s。

图1 仿真系统结构图

3.2 渐变风下的系统仿真

设置风速模型，使得0s～2s风速为8m/s,从第二秒开始风速渐变增大，5s时增大到11m/s，之后维持在11m/s，直至10s仿真结束。以下是风电场电压、有功功率、无功功率和风速的变化情况。

型，N=3.0kW，连续运行。

（5）提升泵Ⅴ（中间水池→过滤器），二台（一用一备），65WQ30-15-3型，N=3.0kW，连续运行。

（6）反冲洗泵（压滤机→A/O池），一台，80WQ32-15-3型，N= 3.0kW，连续运行。

（7）气浮池全套设备，原有利用，连续运行。

（8）污泥处理系统，原有利用，间歇运行。

（9）加药系统，原有利用，连续运行。

（10）鼓风机（三叶式），两台（一用一备），SSR150，QS13.35m3/min，

△P53.9kPa，rpm970，N=22kW，连续运行。

（11）浮油回收器（用于破乳调节池），一台，N=0.75kW，间歇运行。

（12）刮油机，一台，N=0.75kW，间歇运行。

5 新建建设投资费用表

改造工程新建建设投资费用见表1。