淺析風電場并網運行對電網電能質量的影響

孫仕舒

(云南恒安電力工程有限公司，云南 昆明 650011)

淺析風電場并網運行對電網電能質量的影響

孫仕舒

(云南恒安電力工程有限公司，云南 昆明 650011)

隨著風電場規模不斷擴大，其接入電網的容量也不斷上升，并對電網的穩定運行造成了一定的影響。現以風力發電的工作特點為切入點，就當前風電場并網運行對電網供電質量的影響展開論述，并提出了改善措施，以提高其發電水平，滿足用電需求。

風電場；并網；電網；電能質量

0 引言

隨著資源的緊缺及環保意識的提高，電廠發電逐漸由傳統的燃煤方式向新能源如風能、太陽能等發展，并已投入使用到實際生活中。以風力發電而言，其以自然界的風能為發電原動力，實現對資源充分利用的同時也起到環保的效果。然而，隨著風電場向電網輸送電能比重的增加，其以并網方式運行對電網送電質量的影響也更為突出，并制約著風力發電的發展。

1 風電場運行特點

1.1 風力發電過程

圖1是風力發電基本過程示意圖，當風進入風輪機時會帶動風輪機輪轂旋轉，從而將風能轉換為機械能，而輪轂在機械傳動機構如齒輪的輔助下將轉子的機械能傳送至發電機轉子，帶動轉子轉動，從而使發電機運行發電，最后在區域變電站作用下風電場將輸出的電能并入電網中供用戶使用。

圖1 風力發電簡圖

1.2 風電場運行特點

由上文可知，風力發電以風能為原動力，在實現對自然界資源充分利用的同時也具有基本零污染排放的優勢，另外其占地面積少、施工時間短，因而經濟性及環保性都較為可觀。然而由于自然界的風能其風速、風向是無法人為控制的，因而會造成風電場輸出功率存在波動性，在并入電網后也會使得電網運行不穩定。

2 風電場并網運行對電網的影響

由于受風能的分布、風力大小、電網系統布局等因素制約，風電場的電能輸出存在間歇性及波動性，在其容量較小的情況下，這種變化對電網的影響可忽略，然而若是風電場發電容量較大，占電網電能比重高，則這種不穩定的電能輸出對電網供電質量的影響將不容忽視，其主要體現在引起電網電壓波動及閃變、影響電網頻率并對電網造成沖擊、對短路電流及電網潮流及電廠中其他設備的影響。

2.1 閃變及電壓波動

在風電場中造成電網閃變及電壓波動主要源于并網后風電場輸出功率的不穩定性，圖2是風電機組并網示意圖。圖2中，若電網電壓Ugrid保持恒定值，而風電機組中輸出電能受風速等影響變動時，將會造成機端電壓Uwind及并網點電壓Upcc產生波動，進而導致電網電壓的變化，當風電機組中輸出電能波動較大時，這種閃變更為明顯。

圖2 風電機組并網示意圖

從實際運行情況來看，風電場并網運行造成的電網系統電壓波動多是發生在一些薄弱的電網系統中。因風電場多建設于電網系統的末尾處，其結構簡單、短路容量較小，因而當風速、電網線路、控制系統等發生變化時，將會引起風電機組輸出功率的明顯改變，并造成電網電壓不穩定、出現波動等，影響電網供電質量。

2.2 對電網頻率的影響

隨著風電場在電網中規模的擴大，其向電網輸送的電能也逐漸增加，進而因輸出功率的波動而對電網頻率造成的影響也更為突出。若電網系統受到干擾，則會引起電網電壓降低，并可能引發低壓穿透性能差的風電機組停機。因而在風電場并網后，電網中其他常規型的機組需在頻率響應上有較好的性能，具備跟蹤調節及時補救電網頻率波動的能力；此外，考慮到風電運行輸電的波動是隨機變化的，在無風或風速較小的狀態下，電網的頻率將急劇降低，從而嚴重威脅到整個電網頻率的穩定性，這種情況下應加大電網系統的備用容量并選擇優化的調度運行模式。

2.3 對電網的沖擊作用

風電場中多使用異步電機作為發電機構，其在并網時需滿足相序與電網相一致同時轉速趨近于同步速度的條件才能順利并網。然而由于異步電機缺少獨立的勵磁結構，并網前電壓歸零，因而并網后達到穩定的電壓需經歷一個過渡，在過程中會形成比額定電流值大5～8倍的沖擊電流，經過幾百毫秒或幾秒后才趨向穩態。在并網時形成的沖擊電流是隨著并網電壓、異步電機自身的暫態電抗及并網過程中的滑差的變化而改變的。若風電場是并網在容量較大的電網系統中，則因沖擊電流對電網造成的影響可忽略，然而若是并聯在小電網中，則在并網中形成的沖擊電流將使得電網電壓驟降，并可能威脅到線路中其他設備的安全使用。

2.4 對短路電流及電網潮流的影響

風電場中使用的異步電機在運行過程中會在自身電動勢作用下向短路點輸送短路電流，進而加大電網系統的短路電流值，因而風電場在并網時應盡量減少其對短路電流的作用。此外，風電機組的并網運行對電網潮流的影響也不容忽視，風速變化、電機運行狀態等因素都可能會引起風電機組的脫網運行，進而造成電網潮流發生變化或轉移；另外，若是風電機組本身不具備低壓穿透性能，在發生故障電壓瞬時波動時也可能會引起脫網，影響電網的穩定運行。

3 改善風電場并網運行對電網影響的措施

隨著科技的發展，風電場不斷向智能化、大型化方向發展，然而其對電網電能質量的影響仍然存在。為更好地提高風力發電機的運行效率，并改善其輸出電能質量，在風電場并網運行時可適當應用以下措施：

3.1 在風電場中改善無功補償技術

風電場中的異步發電機多為感性元件，其在運行過程中需無功支持，無功補償量的多少與接入點的電壓相關。在風電場中可應用動態無功補償裝置(SVC)及SMES超導磁儲能系統。前者可因地制宜地調整電網中所需的無功補償功率值，從而合理調節電壓大小，提高系統的工作性能。SVC在風電場中應安裝于出口處，通過對風電場中接入點處的電壓偏差量的計算來控制無功補償量，從而穩定風電場節點電壓，減少因功率波動造成的電網失穩；而超導磁儲能系統SMES則具備對有功及無功功率綜合調節的性能，可靈活調整系統功率補償，降低風電場輸出功率波動程度，保持電網電壓的穩定性。

3.2 在風電場中使用輕型直流輸電連接電網

輕型直流輸電技術是基于以PWM為主的電壓源換流器(VSC)技術、晶閘管等，因而具備直流輸電的性能。在風電場中應用該技術可有效解決因電源分散接入引起的輸電走廊問題，同時因其具備對無功補償的自動調節控制能力，使用輕型直流輸電還可克服短路容量對風電場容量的限定，進一步確保電網運行的穩定性，并保障輸送至電網的電能質量。

3.3 提高對風電場發電預測的準確性

風電場運行效率主要決定于風速變化，隨著神經網絡等新型技術的不斷突破，應提高對風速的預測能力，從而更準確地預估風力發電的出力性能，使得電網更靈活地容納風電場；此外，應對風電場的控制性能加以優化，使之向普通發電機的工作性能靠攏，以便于合理安排調度工作，保障電網系統的安全運行。

4 結語

因風力發電使用的是清潔無污染的自然資源，技術也較為成熟，因而其未來發展前景十分可觀。然而，隨著風電場對電網的并行容量在不斷擴大，其輸出功率的波動性對電網電能質量的影響也更加突出，在實際應用時，應加強對風電場中發電設備的建設及管理，優化其調度管理，從而更好地提高電網對風電場并網的接納能力，改善電網供電質量。

[1] 成云云，李文亮，王新華，等.風力發電機組并網運行對電網運行的影響[J].供用電，2012(2)

[2] 白鴻斌，王瑞紅.風電場并網對電網電能質量的影響分析[J].電力系統及其自動化學報，2012(1)

2014-09-02

孫仕舒(1985—)，女，四川洪雅人，助理工程師，研究方向：電力系統一次規劃。