大型海上风电场并网对配电网的影响研究

摘  要：当前我国的能源战略仍然在不断调整，在具体运行过程清洁能源的比重在不断增加。但是由于大型海上风电场自身的具有一定的不稳定性特点，因而在统一并网之后难免会给配电网的统一管理带来相应的影响。本文基于当前我国大型海上风电网建设地区的特点，总结了其并网对于配电所产生的影响，并结合现有的案例来分析一些运行策略。

关键词：海上风电场;电能质量;并网管理;电网调度

中图分类号：TM614    文献标识码：A       文章编号：1671-2064（2019）24-0000-00

0引言

风能是一种可再生、无污染的绿色能源，得到了人们的广泛利用，而海上风电场的建设并不需要占用土地资源，可以直接利用海洋区域上的风能，近年来其建设也得到了我国的重视。与传统的陆上风电场相比起来，海上风电场不仅仅有较大的规模，同时并网方式方面也需要予以重视，结合其对电网的影响来分析可行的应对之策。

1海上风电场接线方式以及短路容量

由于风力发电机在机端电压上存在较强的不稳定性，因而需要在发电机的机舱内部装有一个箱式变压器设备，从而提高风力发电机端口的电压。在风力发电机生成电能后，需要经由海底电缆来将电能输送到陆地上，并入电网之中，而无论是风力发电机之间还是风力发电机与变电站的连接都需要由电缆完成。与陆上风电场相比，海上风电场的并网需要经过长度较大的海底电缆，因而在传导过程中就将会产生较大的无功功率，在并网过程中就需要计算这部分無功功率，并进行补偿。

短路容量是用于判断电网强度的重要依据，如果短路容量大，则该电网就较强，在负荷与并联电容器变化的情况下也不会导致电压幅值的变化，反之，则表示电网的强度较弱，电压幅值稳定性不强。

对于风电并入后的电网性能比较而言，大多是对比风电场装机容量与电网的强度情况，这也是常见的海上风电场并网分析方式。在实际应用中，可以计算短路容量与风电机装机容量的比值，该值也称为短路比。如果短路比较大，电网性能则较强，如果短路比较小，则该电网的性能就较差，结合现有标准，短路比在25以上则电网性能较好，若短路比不足8则电网的性能较差。当前我国大型海上风电场所在区域大多人口较少，在供电网络当中处于支、末端环节，因而接入的配电网处也多为建设较为薄弱的部位，这就需要在建设过程中重视其对于整个配电网络的影响[1]。

2 海上风电场并网对电能质量的影响

风力是一种清洁可再生能源，而海上的风力资源更加丰富，即便如此，其自身的不稳定性也限制了这种能源的普及，同时海上风电场运行自身的特殊性也进一步加剧了机组输出功率的波动性，对于电能质量的影响可以分为电压波动以及谐波两个方面。

2.1造成电压波动

风力发电对于电网的供电质量造成的最明显影响就是导致电压波动，造成闪变。当前我国海上风力发电机组应用的并网方式多为软并网，在启动的瞬间会产生较大的冲击电流，若此时风速大于切出风速，发电机组就会从额定出力状态转为停止运行状态，在风电场内较多数量的风力发电机组都出现该问题的情况下，就会形成较大的波动，进而对配电网的供电造成明显影响。另外海上风速具有较强的多变性，同时风力发电机自身具有的塔影效应也会进一步造成风力发电机功率的波动情况，该波动的范围也在25Hz以下，刚好处于电压闪变频率之中。因而风力风电机在运行时由于自身存在的闪变问题也会给电能质量造成严重影响。

结合现有的研究理论，海上风电场并网过程当中，电压与闪变的最重要影响因素主要有两个方面，分别是公共连接点的短路比、电网线路电抗阻比。在既有工程的运行情况总结来看，风电机组公共连接点短路比与造成的电压波动与闪变呈反比;而如果电网线路当中，电抗与电阻处于合理水平，也会在一定程度上抵消无功功率造成的电压波动，从而降低平均闪变值。

2.2 产生谐波污染

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;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，会在风电场出口变压器的低压侧产生谐波。

在风电机组运行过程中，一方面风力发电机组自身的电子设备的正常运转会导致谐波，同时风力发电机并联补偿电容设备也可能在运行时与线路电抗产生谐振效应，因而在风电场出口的变压器设备低压侧出现谐波，这两个方面都是风电发电给配电网系统造成谐波的成因。

如果风力发电机以交流输电方式连通电网，在软启动阶段则需要经由电力设备与电网实现连接，因而会产生短暂谐波，但该类谐波正常情况下发生次数较少，同时过程较短，因而不会造成较大影响;若风力发电机接入电网的形式为直流输电，由于风力发电机在接入系统的过程中需要通过逆变装置与整流设备的调节，此时电力电子设备的切换频率刚好会导致谐波出现，就会产生谐波，该成因产生的谐波往往较为严重。当前我国东南沿海建设的海上风电场大多应用交流输电的方式与电网连接，因而实际上不会产生严重的谐波问题。

3 无功功率与继电保护的影响

3.1 无功功率

前文已经提到，由于海上风电场输电线缆较长，因而在运行中会产生较大的无功功率，同时在机组系统运行过程中也需要从电网中吸收无功功率，进一步增加了电网系统的负担，影响能源利用率。但现阶段投入使用的风力发电机组方面大多已经配备了电容器设备，可以结合发电机组的出力变化情况来进行补偿，降低无功功率。也有部分风电场在并网发电过程中无需从电网当中吸取无功功率，随着技术的不断进步，接入变电站的形式也开始在小范围内应用架空线路与海底电缆联用的形式，因而电缆产生的无功功率传入到电网当中，反而会升高变电站的母线电压。当前我国建设的大型海上风电场与临港地带仍然以应用纯电缆输电为主，在这种情况下这些电缆也会产生较大的无功功率，这就需要采取相应的技术手段来抵消这部分无功功率，保证电网系统的高效运行。

3.2 继电保护

现阶段投入使用的风力发电机组多配有微机保护，因而对于电网的电压也有极高的敏感度。如果由于设备故障导致电压出现较大的故障，风力侧开关就会自动关闭，这样的设计也可以让继电保护配置得到一定程度的简化。在微机保护技术的支持下，电网与风电场的继电保护仅需要设置速断保护与过流保护即可保证系统安全，在功能上只需实现躲过风电场最大负荷电流。因而在整定电流保护的过程中，可以将保护动作时间的阈值设置为0.1s：如果保护动作时间在0.1s以上，由于风电短路电流会以很快的速度衰减，因而无需考虑对于电流保护的影响;如果保护动作时间在0.1s内，则需要采取必要的应对措施。

继电保护的配置需要基于双电源来进行考虑，如有必要也可以设置方向保护，如果风力发电场的容量较小，则电网继电保护整定过程中则无需考虑风电短路电流的影响，可将其视为电力终端用户。但是对于大型海上风电场而言，短路电流对继电保护的影响作用明显，同时大型海上风电场大多应用异步电机，并没有配备励磁电源，周期分量会以较高的速度衰减，大多在0.08s内即结束，所以需要按照以上方法进行整定，保证系统稳定性[2]。

4大型风电场运行经验总结

随着我国能源战略的不断调整，风电的利用率不断提高，在部分技术与经济、社会发展基础较好的地区，风电装机容量已经达到十万千瓦级，并与当地的输变电线路相连，实现对区域的供电。当前对于大型海上风电场的运行，我国也积累了一定的经验，可以为未来一段时间海上风电场的建设提供一些有效的借鉴与指导。具体来说，当前海上大型风电场对于区域配电网络的影响主要体现在电压波动方面，对于区域电能质量的影响则较小。

我国的大型海上风电场大多建设于东南地区沿岸海域，多处于东海，夏季多受台风侵扰，由于台风的风力较大， 因此风电场风力发电机处于满载状态运行;同时在风力不断提高的情况下，逐渐高于风电机设备的切出风速，此时，风电场内部的所有风力发电机设备都会处于停转状态。由于风力发电机运行情况的骤变会给电网造成较为明显的电压波动与冲击，风电场规模越大，该影响作用也愈加恶劣。即便部分情况下没有对电网形成明显冲击，但风力发电机停止运行时也会从电网当中吸取部分无用功，这部分无用功也会直接输送到变电站，影响电能的正常供应。

在海上风电场并网对无功管理的影响方面：由于海上风电场的电能输送需要经由海底电缆来完成，海底电缆长度远远大于陆上风电场的电能传输距离，因而提高了电网无功管理的难度。如果海上风力较小，风电机设备就会集团，此时风电场的无功需求保持在很低的水平，此时电缆所传输的无用功也会倒流到电网系统中，对电压稳定造成影响。这就需要电力调度人员密切关注海域天气情况，尤其是风速变化情况，结合风力发电机的运行需要来对无功补偿设备进行调整，保持设备的最佳运行状态。

在并网后的调峰与调频方面：由于风能的产生难以预测，其分布情况也有较强的随机性，因而风电的产能也是一个动态的变化过程，无法控制。而风电的出力变化情况也与电网的负荷变化情况呈反比，如果风力发电量减少，其电网负荷则会提高。我国东南沿海地带夏季炎热，因而空调的使用需求较为旺盛，电能负荷明显提高，然而此时海上的风力则持续偏低，进一步扩大了供电缺口。因而在大型海上风电场并网之后，调度人员需要及时掌握电网运行情况，基于当前的负调峰情况来调整设备的运行情况，并定期检修。

东南沿海地带对电能的需求量大，因而当地电网具有数量较多的备用容量，具有较强的调节能力，在并入电网后并不会对频率稳定性造成较大影响。然而在台风登陆期间海上风力发电机组则会迅速从运转状态转为停转状态，在严重时甚至会在数分钟的时间里减少100MW的电能输出，对电网造成较大的影响，严重时甚至造成电压崩溃，引发大规模断电。因而调度人员需要密切关注天气变化情况，如有必要可以与气象部门合作，共同制定预案。在强台风影响期间，不宜借助台风提高电机的出力，而需要有选择性地关停部分机组，避免现场风力过大造成的瞬间多台设备停转，影响电压稳定性。

在风电功率的预测方面，可以选择合适的预测方法与预测周期，在一定程度上提高预测精度。当前应用较为广泛的预测法为持续法，可以将最近一点的功率观测值设定为下一步预测值。在具体的预测方法应用上，主要有卡尔漫滤波、时间序列以及人工神经网络法等等。

5 结语

大型海上风电场的建设不仅仅证明我国对能源多样化的探索与努力，同时也标志我国对于风电的开发从陆域向海洋的拓展。在未来，海上大型风电场的规模越来越大，也可能在一个供电系统网络当中成为主要电能来源。但是大型海上风电场对于电网调度有较高的技术要求，如何实现无功控制与确保电能稳定性也成为了行业内的热点问题。

参考文献

[1]黄蓓，喻凌翔，温晓荃.新能源发电并网对电网电能质量的影响研究[J].求知导刊， 2017（3）：50-50.

[2]范骏杰，顾剑豪.分布式光伏电站并网对县级电电网的影响[J].应用能源技术，2017（2）：45-47.

收稿日期：2019-11-18

作者簡介：王德星（1989—），男，河南濮阳人，本科，助理工程师，研究方向：继电保护。