風力發電并入大同電網對電網的影響分析

馬祥?米淵?馬曉寧

摘要：風電作為一種綠色、可再生的能源，近年來得到高速發展。隨著風電裝機容量的增加，風力發電的隨機性、不可控性等缺點也日益顯現出來。風電對大同電網的不利影響主要集中在頻率、電網電壓、系統穩定性、諧波污染、線路損耗和保護裝置等方面，建議通過開展風電出力預測、提高風電場穿透功率、加強風電場接入點的諧波和無功功率監測等措施來消除這些不利影響。

關鍵詞：風力發電；接入系統；電網

作者簡介：馬祥（1964-），男，回族，山西大同人，大同供電公司調控中心調控值長，高級企業培訓師，高級技師，國家電網公司技能專家；米淵（1988-），男，山西朔州人，大同供電公司調控中心，助理工程師。（山西 大同 037008）

中國分類號：TM732 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）09-0240-02

風力發電是21世紀重要的綠色能源，也是化石能源的重要替代能源之一。近年來，隨著風電并網技術的日益成熟，以及國家相關政策的大力支持，風力發電發展迅速，大同地區作為風能可利用區，已經直接或間接接入電網10座風電場。風力發電作為一種可再生的清潔能源，對于環保以及能源的可持續發展有著積極意義，同時作為統一堅強智能電網規劃中重要的可再生能源以及分布電源發展的一部分，起著至關重要的作用。但是風電電源由于其自身特點，當風電裝機容量占總電網容量的比例較大時對輸電網的安全和經濟運行都會帶來沖擊，風能的隨機性、不可控性以及風電機組的特性，并入電網后對電網還會產生一定的不利影響。

一、大同電網風電現狀

目前大同電網已經并網發電的風電場有左云五路山風電場（80*1.5MW）、新榮小窯山風電場（33*1.5MW）、天鎮武家山風電場（66*1.5MW）、大梁山風電場（33*1.5MW）、渾源密馬鬃梁風電場（66*1.5MW）、靈丘甸頂山風電場（33*1.5MW+30*1.65MW）、寒風嶺風電場（66*1.5MW）、廣靈月明山風電場（25*2MW）、福風嶺風電場（33*1.5MW），總裝機容量為714.5MW。其中，左云五路山風電場直接并入了大同電網高山供電系統；小窯山風電場并入了北郊供電系統；福風嶺風電場、武家山風電場、大梁山風電場并入了陽高供電系統；寒風嶺風電場、密馬鬃梁風電場、甸頂山風電場、月明山風電場并入了渾靈廣供電系統。按照公司規劃，計劃在“十二五”期間在大陽天、渾靈廣地區還會有一定容量的風電場建設接入大同電網。隨著風電場并網容量的逐步增大，風電對電網的一些影響將會逐步顯現，因此加強風電并入電網后對電網影響的研究分析很有必要，也具有一定的現實意義。

二、風電場并入電網對電網的影響分析

1.對電網頻率的影響

電網頻率受風電的影響主要取決于風電場裝機容量占電網裝機總容量的比例。由于風電的輸出功率具有隨機波動的特點，當風電場的裝機容量在電網中所占比例較大時，電網的電能質量以及系統中頻率敏感負荷的正常工作會受到一定程度的影響，因此地區電網在風電開發時，應根據其總裝機容量考慮風電的接納能力，使電網建設逐步、協調發展。目前通常用風電穿透功率來分析風電場對電網頻率的影響?！帮L電穿透功率”是指電網系統中風電場裝機容量占系統總負荷的比例。根據實際運行統計，當風電穿透功率小于10%時，電網頻率的變化在允許范圍之內。按照大同電網風電接入容量情況以及運行情況，目前風力發電對電網的頻率影響不大，但隨著規劃風電容量的逐步增加，對電網頻率的影響也將日益加大。

2.對電網電壓和系統穩定性的影響

風電場接入電網的末端，改變了配電網功率單向流動的特點，使潮流流向和分布發生改變。由于風力發電機組多數采用異步發電機，在向電網輸出有功功率的同時需要從電網吸收大量無功功率，可能引起并網點電壓波動，補償風電場的無功功率一般通過在風機配置功率因數校正裝置或者在風電場母線安裝電容器組實現。無功補償量的大小與接入點的電壓平方成正比，若系統電壓水平較低，則并聯電容器的無功補償量迅速下降，導致風電場對電網的無功功率需求上升，嚴重時會造成系統電壓崩潰。

目前220kV陽高站低壓側所帶用戶無功消耗大，陽高站低壓側電容器還未投運，無功不能滿足就地平衡，同時由于天鎮武家山、大梁山風電并入陽高站110kV系統，風電大發時，陽高站中壓側潮流向主變倒送，導致陽高站高壓側功率因數在0.7左右，遠遠低于電網運行規定的要求，導致變壓器損耗較大。高山站同樣存在類似的情況。

根據電壓曲線的監視，雖然有一定容量的風電接入大同電網北郊系統，但是由于電廠側SVC的及時投入，風電對北郊系統的電壓影響較小。

此外，由于異步發電機的功率恢復特性，當電網發生短路故障時，若不能及時排除故障，容易導致暫態電壓失穩。另外，隨著地區電網風電裝機容量的不斷擴大，其在電網中所占的比例逐漸增加，風電輸出的波動性對電網的功率沖擊效應也不斷增大，對系統穩定性的影響也更加顯著，嚴重時可能使系統失去動態穩定性，導致整個系統的瓦解。

3.對電網的諧波污染

目前風電場廣泛采用變漿距調節控制的變速恒頻風力發電機，其調節裝置一般采用“交-直-交”變流器接入電網，這種類型的風機能夠實現不同風速下最大捕獲風能，提高發電效率。大同電網投入運行的幾座風電場均采用該類型調節裝置，如果變頻恒速風電機組電力電子控制裝置的切換頻率在產生諧波范圍內，則會產生嚴重的諧波問題。因此，在風電場的規劃設計階段，就應根據選用分風電機組類型及并網方式對系統電能質量進行評估，并提出相應的諧波治理方案。目前大同電網接入的風電場中均裝設有TCR濾波功能的SVC裝置，對抑制諧波會起到一定的作用。

4.對保護裝置的影響

風電場的出力介于零和額定之間，并網線路正常運行時電流常為額定電流的30%～60%，另外，由于風力發電機均為異步電機，短路電流很快衰減，在發生短路故障時，風電提供的短路電流往往較小，且不能提供持續的短路電流，導致系統保護的靈敏度降低。

風電機組的低電壓穿越能力普遍不足，僅能滿足并網點電壓跌至20%額定電壓時，保持并網運行625ms。而發生電壓跌落后3s內如果不能恢復到額定電壓的90%，風電場內的風電機組則基本會全部自行脫網。再加上當前風力發電功率的不確定性，所以風電機組不能作為正常發電機組對待。鑒于上述原因，大同電網內全部風電接入系統不作為電源點模型考慮，保護及安全自動裝置的配置按負荷端配置，但保護裝置方向元件和重合閘等均按對側有電源設置。這種配置方式在當前風電接入容量較小，接入線路較少的情況下，不致影響系統的穩定，但當風電接入規模再擴大時，則必須考慮其對系統穩定和保護配合的影響。

5.對線路損耗的影響

大同電網有5座風電場通過110kV并網，在冬季、春季風電大發期間風電場并網線路以及相關廠站聯網線路潮流驟增，同時由于風電場大多在電網末端，并網線路及相關聯網線路都較長，部分線路線徑細，導致線路損耗大。以2013年3月份相關線路損耗為例，具體如表1所示。

三、風電場調度策略

目前，大同電網的風電場的集電線路全部由山西省調度控制中心調度。風電機組作為電源點與傳統火電機組相比具有特殊性，對風電機組的調度也應區分于其他電源點的調度策略。

1.積極應對風電隨機性對電網調度的影響

近期國家發布的《節能發電調度辦法》要求優先排序風電等可再生能源。由于風力發電出力的隨機性，現有的風電預測水平難以為傳統發電計劃的制定提供實質參考，因此風電機組對電網的調峰壓力大于其他類型機組，調度部門的調峰管理面臨一定困難。建議風電場建立發電預報系統，結合對未來幾天天氣狀況及系統用電需求積極開展電力生產預測，探索更接近實際的風速風力預測模型。另外，調度部門應按照“三公”調度的原則，對風電場出力波動引起的調峰問題由電網中同一發電集團的其他機組承擔，從管理上促使各發電集團積極開展預測工作。圖1和圖2為大同電網連續兩天的風電總有功曲線。

2.提高風電場穿透功率

由于風速風力在各種天氣條件下不斷變化，風電機組大部分時間內不能按額定功率運行，建議在實踐中分析、收集氣象資料，結合風電機組的技術參數，使當前風速與風功率預測實時相關聯，優化系統運行方式，提高風電場的穿透功率，充分利用風能。

3.加強對風電場接入點的諧波和無功功率監控

風電機組自帶的無功補償和消除諧波的裝置不足以完全消除對電網的無功補償需求與諧波污染，建議在相關場站裝設諧波監視設備，對注入電網的諧波電流及高次諧波電壓含量進行監視，同時無功補償的監測數據可錄入AVC系統，控制并網點電容器組的投切。

四、結語

近幾年風力發電高速發展，雖然風電作為清潔能源對節能減排、經濟環保等會起到很大的作用，但同時也給電網帶來了一些問題，尤其在較大規模的風電場接入電網較為薄弱的情況下，風能對電網系統有著較大影響。因此隨著風電技術的進一步發展，要積極研究風電對電網的實際影響，從而研究運用新技術來改善風電場對電力系統的不利影響。

參考文獻：

[1]大同電網接納風電能力研究報告[R].太原：山西省電力勘測設計院，2007.

[2]山西省電力公司.山西省風電場接入電網管理暫行規定[Z].

2007.

（責任編輯：孫晴）