淺談風電場并網對電力系統的影響

一、引言

隨著全球能源消耗速度的不斷增加，人類對于能源的需求與日俱增。而傳統能源，諸如煤炭、石油、天然氣等的儲量有限，再加上傳統能源的大量消耗造成了嚴重的環境污染，對可再生以及干凈環保能源的開發利用已成為一件迫在眉睫的事情。而風力發電由于技術上日趨成熟，商業化運用能力不斷提高，在眾多可再生的綠色能源中脫穎而出。但是在風能發電并入現行的電力系統時，因其具有很大的隨機性和波動性，對電力系統的穩定性以及安全運行產生了讓重大的影響。同時這種影響是隨著風力發電容量的不斷增加而愈發明顯。這就要求我們不斷加深對風電場并網對電力系統的影響研究，對風電并網產生的電壓不穩定、電網頻率不穩定等問題進行探究，以進一步提高風電并網后，電力系統運行的穩定性與安全性。

二、風力發電并網運行的特點

1.能量的密度小

相比其他類型的可再生資源的發電裝置，在得到相同的發電容量時，風力發電機的發電設備的尺寸要大得多，這就說明風能發電的能量密度小。

2.穩定性較差

風力發電的質量取決于風速的大小和風向，而風速的大小強弱與風向則是不可預測的變量，這就使得風力發電的隨機性較大，具有很大的不穩定性。所以風力發電的輸出功率處于一個變動的狀態。為了得到較為穩定的風能，風力發電機就必須安裝調速、調向等控制裝置來減弱風力發電的不穩定性。

3.發電效率相對較低

風輪作為風力發電最為主要的裝置，其理論最大效率為59.3%，而在實際的運作過程中，其效率遠比59.3%要小。

4.儲能困難

如果要求單獨運行的風力發電機不間斷的進行供電，就勢必需要風力發電機具備相應的儲能裝置，以應對當沒有風能時或者風力較小時風力發電機就停止發電的情況。不僅如此，當風力發電并入電網的容量較大時，鑒于風力發電的間歇性等特點，就要求風力發電裝置能夠儲存一定的電力，不斷保證電網供電功率的穩定，保障電力系統運行的安全。但是就目前的技術而言，對于風力發電的儲能還存在一定的困難。

5.風電場的發電成本比較高

由于風電場處理的間歇性、不穩定性，當風電場并入電力系統時，會增加負荷跟蹤、無功功率以及電壓調節等電網輔助服務，這就導致風電企業的成本較高。在并網之后，高于常規能源發電平均電價之間的差額附加在銷售電價中分攤，從而影響了電網企業的收益，也直接導致居民的用電成本增加。

三、風電場并網對電力系統穩定性的影響

1.電壓穩定性

大多數風力發電機為異步發電機，在發出有功功率的同時還需要從電網系統系統吸收無功功率。而風電場對這部分無功功率是導致電網電壓穩定性下降的主要原因，當風電場的發電容量較大時，這部分無功功率就會增大，相應的電網對風電場的控制作用就越小，電網電壓的穩定性也越低，而電網電壓的穩定性又包括靜態電壓穩定和暫態電壓穩定。

a.靜態電壓穩定性

所謂的靜態電壓是指整個電網系統在運行的過程中，電網電壓相對穩定運行時所產生的電壓，它的穩定性與電力系統的負荷性極限功率密切相關。一般來說，如果風電場的有功功率能夠使負荷特性極限功率增加，那么靜態電壓穩定性就會增加。反之亦然。但是我們必須考慮到風電場并網時所需要的大量的無功功率，這很有可能導致電壓穩定性降低甚至電壓崩潰現象。這種現象的產生主要和電力系統的無功供給量和電力發電機的運行點分布兩個因素相關。當電力系統的無功供給量足夠多是，無論風電場并網的容量有多大，都可以增加電力系統靜態電壓的穩定性。

b.暫態電壓穩定性

多數情況下，風電場并網引起的電網電壓穩定性的現象都是一個動態的范疇，也就是說，當電網電壓出現大范圍的波動時，電力系統會通過其他保護裝置對電壓進行調節，而調節的過程就屬于一個動態的范疇。當風力發電機接入電力系統啟動的瞬間，會對電網產生較大的電力沖擊，從而影響電壓的穩定性。而且當風力發電機的風速超過切出風速或者出現故障后，電力發電機就會自動退出并網狀態，此時就會導致電網電壓的突然驟降，導致電網運行不穩定。而為了解決這樣的問題，就需要風電機組具有良好的低電壓穿越能力，即當風電場并網出現電壓跌落現象時，風電場能夠持續并網并向電網提供少量的無功功率，從而使整個電網的電壓恢復穩定?？偟膩碚f，影響風電場并網對電力系統暫態電壓穩定性的因素主要包括：一是電網系統的強弱，主要是指無功補償的大小；二是風機的種類；三是風機的氣動功率調節。

2.頻率穩定性

為了保證電網的安全穩定運行，電網一般會保留2%-3%的機組旋轉備用容量，以應對由于新能源并網產生的頻率偏移和頻率不穩定的現象。由于風力發電的不穩定性、波動性等特點，其發電出力會隨著風力的大小變化，為了確保電網系統能夠正常供電，電網需要根據并網的風電容量來確定相應的旋轉備用容量。一般來說，電網旋轉備用的容量的多少與風電場并入電網的容量成正比。而對大型電網來說，因為具有足夠的備用容量以及良好的調節能力，通常情況下不考慮比率穩定性的問題。而部分孤立運行的小型電網就需要考慮由于風電場并網產生的頻率穩定性的問題。

3.諧波穩定性

風電場并網會對電網的諧波穩定性產生影響，而這種諧波的來源主要有兩種方式：一種是風力發電機本身配備的電力電子設備所引起的諧波。不同的風力發電機對電力系統產生的諧波問題不一樣。對于恒速風力發電機來說，諧波問題的產生主要是風力發電機在軟啟動的過程中，需要利用電力電子設備相連接，相應的就會產生一定量的諧波。但是這種諧波產生的次數比較少，且持續的時間不長，對電力系統的諧波穩定性影響不大。而對變速風力發電機情況就有所不同，變速風力發電機是通過整流和逆流裝接入電力系統，一旦電子電力設備的切換頻率在產生諧波的范圍內，就會產生較為嚴重的諧波問題，從而影響則個電力系統的穩定性。一種是風力發電機的并聯補償電容器與系統線路電抗發生諧振和引起的諧波。當并入電網系統的發電機組臺數過多且均是變速恒頻時，就很容易造成電網系統局部產生過高的諧波電壓，對電網的電壓穩定性產生直接影響。

四、風電場并網對電網調度運行的影響

1.導致電力系統調峰難度增加，增加電網調度運行的費用

圖1

因為風電場發電運行的不確定性，會導致其功率波動，在并入電網之后，這種功率波動經常和用電負荷波動趨勢相反。這就需要電網必須留有足夠的備用容量來平衡風電功率的波動。而這一部分額外的旋轉機組一方面可以分擔傳統機組的部分負荷，可以降低電力系統的燃料成本；另一方面，由于額外旋轉設備的啟用后，就會產生相應的系統維護費用，以保證旋轉備用容量設備可靠有效的運行，也就增加了整個電網調度運行的費用。不僅如此，風電場由于發電機組的功率變化較快，當風電場并網運行時就相當于產生了“削谷填峰”的反調峰效果，這就要求電網系統能夠提供一個較為快捷的調峰效率，也就逐步擴大了電網的等效峰谷差，致使電力系統負荷特性持續惡化。而為了確保地理系統安全穩定的運行，就必須對整個電力系統進行調峰，增加了電力系統人員的工作難度，這在無形之中便增加了整個電網運行的費用。因此不斷加強對風電功率預測和加大對風電系統儲能系統的建設十分重要與迫切。

2.增加無功調節的難度，降低電網抵御故障的能力

風電場在正常運行時需要吸收較多的無功功率來建立旋轉磁場，而這些無功功率除了由其自身的無功補償來提供外，還需要從電網進行吸收，并且從電網吸收的無功功率要比風電場自身提供的無功功率要多得多。如果風電場并網運行的容量過大，一般是超過整個電網容量的10%，就是勢必需要從電網系統吸收大量的無功功率，也就進一步降低了電力系統的無功儲備度，使得變壓器、繼電保護器出現損耗，減弱了電網抵御故障的能力。而且大部分的風電機組對電壓變動幾乎沒有調節能力，只設置了簡單的低電壓保護的動作限值。當電網系統的母線電壓發生小幅度的電壓波動時，風電機組就會啟動保護措施，以保護自身的電子電力設備。如果電力系統出現故障導致電壓驟降或者過電壓時，集中運行的風電機組就會瞬間解列，對電力系統造成二次沖擊，而這種二次的沖擊的傷害結果會特別嚴重，可能會讓整個電力系統出現崩潰，無法運行，這將對電網調度運行產生重大影響。所以，隨著風電場并網容量的增加，電網抵御故障的能力將會進一步被削弱。

五、對電網繼電保護裝置的影響

風電場并網帶來的逆向潮流，會引起電力保護系統的功能紊亂，而且當電力系統發生故障時，風電機提供的故障電流十分有限，不能引起繼電保護裝置啟動，就會影響現有的配電網的保護裝置的正常運行。而當一定規模的風電場接入電網系統時，就會改變配電網的短路電路分布。這種短路電流的改變將會對繼電保護器的靈敏度和保護范圍產生影響。

如圖1顯示，當風力發電機距線路末端的X處，如果恰好在線路的末端發生了短路故障，那么在K處檢測到的故障電流值將偏小。一旦出現故障產生的短路故障電流偏小很可能在K處的機電保護器就檢測不到故障電流，不但降低了機繼電保護器的靈敏度，設置使繼電保護器的出現了短暫的“失效”。而且在圖1的Zs區段，存在速斷保護死區，也就是說，當風電場并網點位于這段區域，就會導致線路故障無法排除。而在不改變現有保護系統的基礎上，只能采用后備的過流保護設施來排除故障，這無疑削弱了繼電保護器的自動性，增加了線路故障對電網的影響。但是如果繼電保護器的保護動作大于5個周波，那么就可以不考慮風電短路電流對整個系統電流保護的影響，因為風電短路電流衰減的很快，機電保護裝置已經來不及對電力系統進行保護了。

六、總結

盡管我國風電發展迅速，但是在整個電網系統中的所占的比例依舊不足，加上風電并網運行后對電力系統穩定性以及電網調度產生的一系列不利影響，這就要求我們不斷優化電網結構，加大對風電網的儲能系統的研究，逐步提高無功補償裝置的建設運用，并對風電接入點的運行情況進行實施的監控。而本文主要對風電場并網對電力系統產生的影響進行了分析，對促進風電并網后電網安全運行具有一定的指導意義，希望能夠為廣大同行提供一些經驗。

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