風電并網對電力系統的影響

張樂豐，王增平

（華北電力大學電氣與電子工程學院，北京102206）

隨著現代工業的飛速發展和化石能源的日趨枯竭，能源和環境問題日益嚴峻，風電作為一種可再生的綠色能源，已成為世界上發展最快的可再生能源。我國的電網結構相對薄弱，許多建設或規劃中的風電場位于電網薄弱地區或者末端，加之風能本身的隨機性和波動性，這些對風電并網是一個巨大的挑戰。當風電場的容量較小時，這些特性對電力系統的影響并不明顯。隨著風電場容量在系統中所占比例的增加，風電場對系統的影響就會越來越顯著。因此，必需深入研究這些影響，確保電力系統的安全、穩定運行。本文主要綜述大型風電場并網對電力系統穩定、運行成本、調度、電能質量等方面造成的影響以及相應的補救措施。

1 風電發展現狀

1.1 國外風電發展概況

基于風力發電的巨大優勢，風力發電已經成為當今世界新能源開發利用中技術發展最快、最具商業化開發前景的領域。因此，風力發電日益受到各國政府、企業和用戶各方面的關注，特別是大規模的風電并網正在成為一種趨勢，新型風電場的容量在電力系統中的比重不斷增加，風電場在電力系統中的運行價值日益顯現。2009年5月在北京召開的第十二屆中國北京國際科技產業博覽會上，世界風能協會主席阿尼爾·凱恩介紹：“風能增長率在過去的10年里面達到了年均29%”。預計到2020年，世界風力發電總量將占全球發電能源的12%。全球范圍內，歐洲和北美地區的風電容量很高，其風力發電產業處于世界領先地位。在丹麥和德國等地，風電容量在電網中的比重可以達到20%～30%，部分地區甚至達到了50%以上。另外，世界風力發電成本下降迅速，從1983年的15.3美分/(kW·h)，下降到1999年的4.9美分/(kW·h)。目前統計數據表明，德國的風力發電裝機容量居世界第一，美國、西班牙分別列第二、第三位。

1.2 我國風電發展概況

中國具有豐富的風能資源，儲量居世界首位。據有關專家測算，我國陸上風力資源有2.5億kW，海上風力資源有7.5億kW，合計風能達10億kW。按照目前國內風電項目平均投資成本計算，每千瓦風電投資大概在1萬元。巨大的資源開發潛力，必將造就一個蓬勃興旺的風能產業。我國的風力發電事業在20世紀80年代開始發展，初期大多是安裝在邊遠地區供農牧民使用并獨立運行的百瓦級機組。隨著一次能源的不斷減少和公眾對環境問題的高度關注，可再生的清潔能源越來越受到重視。尤其是最近幾年，風電產業發展十分迅速。2007年新裝機量達3 449 MW，在新增市場份額中占17.2%，排世界第五位，目前我國風電裝機容量已達到1 585萬kW。

2 大型風電場并網給系統造成的影響及補救措施

2.1 風電并網對電網穩定性的影響

（1）風電并網對電網暫態穩定性的影響。在風電裝機比例較大的電網中，由于改變了電網原有的潮流分布、線路傳輸功率和整個系統的慣量，因此風電接入后電網的暫態穩定性會發生變化。

如果地區電網足夠強壯，則系統發生故障后風電機組在故障清除后能夠恢復機端電壓并穩定運行，地區電網的暫態電壓穩定性便能夠得到保證；如果地區電網較弱，則風電機組在系統故障清除后無法重新建立機端電壓，風電機組運行超速失去穩定，就會引起地區電網暫態電壓穩定性的破壞。此時，需利用風電場或風電機組的保護將風電場或風電機組切除以保證區域電網的暫態電壓穩定性；或者通過在風電場安裝動態無功補償裝置、及利用變速風電機組的動態無功支撐能力，在暫態過程中及故障后電網恢復過程中支撐電網電壓，保證區域電網的暫態電壓穩定。文獻[1]基于PSCAD仿真分析了在各種不同的無功補償策略下風機并網及系統故障后并網點、機端電壓及風機轉速的變化，有助于風電并網電力系統合理采用無功補償方式。文獻[2]結合河南方城風電場實際情況，研究了風電場無功補償容量的確定以及出口功率因數與轉子滑差的關系；仿真分析了風電并網對電網產生的沖擊影響。當風電場并網且滿發，網內某線路發生三相短路故障時，如果沒有將風電場及時切除，則網內主要母線的電壓將不能恢復穩定。故障發生時，如果可以將風電場及時切除，則網內各主要節點的電壓和主要機組的相對功角將呈衰減振蕩，最終趨于穩定。

（2）風電機組低電壓穿越能力問題。低電壓穿越（LVRT）指在風機并網點電壓跌落的時候風機能夠保持并網，甚至向電網提供一定的無功功率，支持電網恢復電壓，直到電網恢復正常，從而“穿越”這個低電壓時間。當風電在電網中所占比例較低時，若電網出現故障，風機就實施被動式自我保護而立即解列，不用考慮故障的持續時間和嚴重程度，從而最大限度地保障風機安全，這種情況是可以接受的。然而，當風電在電網中所占比例較大時，若風機在系統發生故障時仍采取被動保護式解列方式，則會增加整個系統的恢復難度，甚至可能加劇故障，最終導致系統其他機組全部解列。此時對風電機組必須要求風電機組具有相應的低電壓穿越能力，且必須采取有效的低電壓穿越措施，以維護風場電網的穩定。文獻[3]提出了一種適用于電網不對稱故障下網側變流器控制策略，并將其與直流側Crowbar電路配合，實現電網不對稱故障下的低電壓穿越。

不同國家和地區所提出的低電壓穿越要求不盡相同。在德國北部由于風電比例很高，因此電網運營商對風電場/風力機組的低電壓穿越要求較高。如果風電場/風電機組沒有低電壓穿越能力，則故障發生后風電場切除，風機的轉速為零，風電場送出線路上有功功率、無功功率發生震蕩最終趨于零。如果風電場具備低電壓穿越能力，則故障發生以后風電場仍能給系統提供一定的有功支援，從而對維持整個系統的有功平衡提供支援以幫助電網恢復。

2.2 風電并網對系統運行成本和電網調度運行的影響

（1）風電并網對系統運行成本的影響。風力發電的運行成本與火電機組相比很低，甚至可以忽略不計。但是風力發電的波動性和間歇性使風電場的功率輸出具有很強的隨機性，目前的預報水平難以滿足電力系統實際的運行需要。為了保證風電并網后系統運行的可靠性，需要在原有運行方式基礎上，額外安排一定容量的旋轉備用以維持電力系統的功率平衡與穩定?？梢婏L電并網對整個電力系統具有雙重影響：一方面分擔了傳統機組的部分負荷，降低了電力系統的燃料成本，另一方面又增加了電力系統的可靠性成本。文獻[4]以美國最近完成的風電項目為例，介紹了一種估算風電成本的簡易方法，分析了影響風電成本的主要因素，著重闡明了現代技術在降低成本中的作用。文獻[5]在現有排污收費標準和美國環境價值標準的基礎上以預防污染發生的代價作為環境成本，對風力發電的環境價值以及風電和火電經濟性展開分析研究，結果表明風電具有良好的經濟性和廣闊的發展前景。

（2）風電并網對電網調度運行的影響。風電接入給電網帶來的調度問題及額外備用容量的要求完全是由于風的隨機及間歇特性引起的。在風電功率無法預測時，電網必須按比較保守的方案為風電留出足夠的備用容量以平衡風電功率的波動；而當風電功率可以預測并且有足夠的精度時，將風電功率作為負的負荷疊加到負荷預測曲線上，就可以像傳統的電力系統調度方式一樣根據預測的負荷與風電功率安排常規機組的發電計劃，從而優化發電機組的開機組合，降低整個電網運行的費用。文獻[6]提出了火電機組名義環境補償成本，同時考慮了風電備用容量補償成本，建立了電力市場環境下含風電機組的環境經濟調度模型。為了降低風電接入對電網調度的影響及對備用容量的要求，進行風電功率預測是十分必要和迫切的。文獻[7]采用小波分析和人工神經網絡結合的方法對風力發電功率短期預測進行研究，通過小波變換將信號分解為不同頻段的子序列，利用神經網絡對各子序列分別建模預測，最后將預測結果疊加。文獻[8]建立了風電功率預測的神經網絡模型，分析了實測功率數據、不同高度的大氣數據對預測結果的影響，建立了基于神經網絡的誤差帶預測模型，實現了誤差帶預測。

2.3 風電并網對電能質量的影響

風電場并網運行會在一定程度上影響電能質量。主要包括電壓、頻率、諧波、電壓波動和閃變以及電壓暫降等幾個方面，其影響程度與風電機組的類型、控制方式、風電場布置、所接入系統的短路容量以及線路參數等諸多因素有關。隨著風電場的容量越來越大，這種影響也越來越大。文獻[9]從不同方面介紹了風電并網對電能質量的影響。文獻[10]對幾種并網技術所帶來的電能質量問題的控制策略進行了總結。

（1）頻率。風電場與常規電源的最大區別在于其輸出功率的間歇性，間歇性波動的風電功率使風電場所接入系統的潮流經常處于一種重新分配的過程，除影響電壓外，也在一定程度上影響系統的頻率。對一個地區，如果風力發電容量超過地區總裝機容量的某一比例，就有必要采取措施，增加調頻容量。文獻[11]提出了一種用飛輪輔助風力發電的方案，研究了風力發電—飛輪系統功率和頻率綜合控制方法，建立了相應的Simulink仿真模型，用實際風速對飛輪平穩風力發電機輸出功率波動、參與電網頻率控制進行了仿真。結果表明，在飛輪輔助下，風力發電—飛輪系統可以按要求輸出平穩的功率，并且可以像傳統發電機組一樣參與電網頻率控制。

（2）無功電壓。電壓偏差問題屬于電網的穩態問題。大幅度波動的風速引起風電機組出力波動較大，所以風電功率的波動導致電網內某些節點電壓偏差超出國家標準規定的限值。這種情況下可以采取在風電場裝設一定的無功補償裝置或切除部分風電機組等措施，來改善電壓水平或使注入電網的風電功率減少，進而減緩風電注入對系統的影響。另外，加強網架結構、采用具有電壓無功控制能力的雙饋變速風電機組，都可以更好地改善風電接入地區電網的電壓水平與電壓穩定性。實際運行過程中，在風電功率波動大、無功需求量大且變化相對較快時，單依靠電容器組快速投切不能滿足控制的要求，這時就需要在風電場內安裝能夠在風速波動時提供快速的無功支撐，有利于電網和風電場的無功電壓調節的動態無功補償裝置。文獻[12，13]對無功控制的方法進行了研究。

（3）諧波。不論何種類型的風電機組，發電機本身產生的諧波是可以忽略的，諧波電流的真正來源是風電機組中的電力電子元件，諧波干擾的程度取決于變流裝置以及濾波系統的結構狀況，而且與電網的短路容量以及機組的輸出功率有關，即與風速大小相關。對于固定轉速風電機組，在持續運行過程中沒有電力電子元件的參與，幾乎不會產生諧波電流。實際需要考慮諧波干擾的是變速恒頻風電機組，就是因為運行過程中變速恒頻風電機組的變流器始終處于工作狀態。運用PWM開關變流器和合理設計的濾波器可以使諧波畸變最小化。文獻[14]利用小波變換對電網諧波進行研究，仿真結果表明該方法可以實現有源電力濾波器的諧波檢測環節對電力系統的穩態和時變諧波電流進行檢測的功能。

（4）電壓波動和閃變。風電機組并網運行引起的電壓波動及閃變，源于波動的功率輸出。由風速動力特性誘發的有功功率波動取決于當地的風況和湍流強度，頻率不定；與此不同，風電機組輸出功率的波動主要由風速快變、塔影效應、風剪切、偏航誤差等因素引起，其波動頻率與風力機的轉速有關。固定轉速風電機組引起的閃變問題相對較為嚴重，某些情況下已經成為制約風電場裝機容量的關鍵因素。通常情況下，變速風電機組引起的閃變強度只相當于固定轉速風電機組的0.25%。文獻[15]對IEC閃變儀進行了仿真，并增加校正環節對閃變測試系統在低頻段的輸出進行了校正。結果表明校正后的系統在低頻段具有較高的精度，能夠滿足風電并網引起的閃變的測試要求。

（5）電壓暫降。風電并網帶來的電壓暫降通常是由風電機組的突然啟動引起的，以感應電機作發電機的固定轉速風電機組投入運行時引起的電壓暫降較為嚴重。為了減小風電機組投入操作引起的電壓暫降，可以通過風電場中心管理系統來控制風電機組啟動時的電壓和出力，避免同時投入多臺機組。這種控制思想適用于所有類型風電機組的風電場。

文獻[16]提出了一種求取含風電場系統電壓穩定裕度概率分布的算法。該算法在計算電壓穩定裕度與風速之間的靈敏度矩陣的基礎上，求取各風電場風速分布的中心距以及各階半不變量，利用Gram-Charlier級數反變換得到電壓穩定裕度的概率分布。

2.4 風電并網對其他方面的影響

（1）對網損的影響。風力發電影響系統的潮流分布，又因為電網的損耗主要取決于系統的潮流，因此風力發電的接入必將影響到電網的損耗。風電并網可能增大也可能減小系統網損，這取決于風力發電在系統中的位置、容量與負荷量的相對大小以及網絡的拓撲結構等因素。

（2）對繼電保護的影響。風電并網對線路保護靈敏度和保護范圍也會產生影響。如果一個風力發電機接在距線路末端X處，當線路末端發生短路故障后，它將向故障點送出短路電流，減小了線路保護K檢測到的故障電流值，從而降低了保護K的靈敏度。如圖1所示。

圖1 本線路故障時風力發電對保護的影響

在線路的某些位置，速斷保護根本無法啟動，形成速斷保護死區，使線路故障不能及時切除。若風力發電并網點位于速斷保護死區，在不改變保護系統的情況下，只能由后備過流保護動作切除故障，增加了故障對電網的影響。若調減速斷保護整定值，則可能造成速斷、過流保護和其他控制裝置之間無法協調，導致保護誤動作。文獻[17]以一個實例探討風電場接入電網后系統繼電保護配置的原則。風電場接入系統，系統繼電保護的配置應根據所接入系統的電網結構，接入風電場的規模，通過細致的計算分析來決定。

文獻[18]仿真模擬了輸電線路發生三相接地故障時風電場的短路電流，與沒有風電場時輸電線路發生三相短路相對比，分析了風電場接入后保護的動作行為，指出了應改變相應繼電保護及安全自動裝置的配置以提高保護動作的可靠性。

3 結束語

（1）近年來，雖然我國風電發展迅速，但是風力發電量占總發電量的比例仍然很小。應投入更多的精力來研究和發展大規模并網型風電場，以滿足經濟發展和改善環境的需要。

（2）風電并網給系統帶來很多問題，對電網規劃、運行、保護等各方面提出了新的要求。應加強技術研發，不斷開發新型的電力電子元件，最大限度地降低風電并網給系統帶來的不利影響。

（3）優化電網結構、采用無功補償裝置、完善對風電接入點的監測都是改善風電并網運行狀況的有效措施。

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