風電并網對電力系統的影響

孟暢　劉天羽　朱俊

摘 要：隨著電力系統中風力發電的快速發展，越來越多的風電場開始接入電壓等級更高的電網。風電的大規模接入對電網的運行造成了諸多影響，比如影響電網的安全性、調峰調頻、電能質量等。這些問題不僅影響到了大電網的安全運行，還制約著電網接納風電。探究了風電并入電網后造成的影響，在電能質量和電網穩定性兩方面進行了分析，并對提出了解決方案。

關鍵詞：風力發電；風電并網；電能質量；電網穩定性

中圖分類號：TM614 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.16.017

1 風力發電的發展現狀

隨著世界經濟的高速發展，能源危機和環境污染正日益困擾著人類的生產和生活。為了解決能源短缺問題，人們開始將目光投向取之不盡的清潔能源——風能。風力發電自20世紀80年代開始，受到了歐美各國的重視，各國政府都積極尋求替代化石燃料的新能源。由于風電與其他新能源相比其技術更加成熟，且具有更高的成本效益和資源有效性，因此，風電發展不斷超越著其預期的發展速度，一直保持著世界上增長最快的能源地位。

根據全球風能理事會（Global Wind Energy Council）的統計數據，2014年新增裝機容量超過50 GW大關，與2013的35.7GW相比增長47%.圖1為截至2014年，全球新增和累計裝機容量。從圖1中可以看出，全球的累計裝機容量一直保持較快的增長。

隨著中國經濟的蓬勃發展，風電產業得到了快速的發展。在《可再生能源法》、風電設備70%國產化率的要求、風電特許權示范項目等的支持下，我國風電產業在短短的幾年之內實現了跨越式發展，已經躋身全球風電發展的前列。根據中國風能協會（China Wind Energy Association ）的統計數據，我國風電裝機容量截至2014年已經達到114.6 GW，占全球風電市場的31%，位列世界第一。圖2為我國風電歷年新增和累計裝機容量。

2 風電并網對電能質量的影響

2.1 電壓變動和閃變問題

由于風速具有隨機性和間歇性，且考慮到風力發電機組本身的固有特性，因此，風電場的輸出功率會隨著這些特性的影響而改化，進而引發電壓波動和閃變現象。電壓波動和閃變是指電壓幅值在一定范圍內有規則地變動時，電壓的最大值與最小值相對額定電壓的百分比，或電壓幅值不超過0.9～1.1 p.u.的一系列變化。這種電壓變化稱為閃變，以表達電壓波動對照明燈的視覺影響。數學表達式如下：

風力發電機組在變動的風速的作用下，其功率輸出具有變動的特性，可能引發所接入系統的某些節點的電壓變動。風力發電機組并網運行引起的電壓變動源于波動的功率輸出，而輸出功率的變動主要是因風速的快速變動以及塔影效應、風剪切、偏航誤差等引起的。

為了有效控制風電場接入閃爍干擾值的公共連接點的波動和閃變問題，在風力發電廠接入公共連接點處的閃變干擾值必須滿足電能質量，滿足GB 12326—2000中的要求。此外，風電廠必須根據短期和長期計劃進行適當的安排，必須按照風力發電廠裝機的總容量與供電公共連接點干擾源的總容量之間的比值進行相應安排。

2.2 電壓偏差問題

電壓偏差是指電力系統各處的電壓允許偏離其額定值的百分比，即：

電力系統中的負荷以及發電機組的出力隨時會發生變化，網絡結構會隨著運行方式的改變而改變。這些因素都將引起電力系統功率的不平衡。系統無功功率不平衡是電壓偏差的根本原因。

恒速風電機組在投入運行時，風電場輸出的有功功率與無功功率存在函數關系。當其輸出有功功率P增加時，風電場吸收無功功率Q也會增加。因此，必然引起電壓的波動，造成電壓偏差。由于變速風電機組構成的風電場能夠實現有功和無功的解偶控制，所以，風電場與電網之間不會發生無功功率的交換。但當變速機組出力較高時，傳輸有功功率在線路上消耗的無功功率也可能會造成電壓下降，進而引起電壓偏差。

針對電壓偏差的問題，可以通過調整中樞點的電壓、調節發電機端的電壓以及變壓器調壓等方式來解決，這些措施的主要作用是對系統進行無功補償。

2.3 諧波問題

無論何種類型的風力發電機組，風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力發電機組中的電力電子元件。由于定速風電機組在連續運行過程中沒有電力電子元件的參與，因此，基本不產生諧波。當機組進行投切操作時，軟并網裝置處于工作狀態，會產生諧波電流，但由于投切的過程較短，此諧波注入可以忽略。變速風電機組則采用大容量的電力電子元件，并網后變流器始終處于工作狀態，因此，應當考慮變速風電機組的諧波注入問題。諧波不是固定的，是隨著用電環境而變化的，加之配電網具有的復雜性，很有可能將諧波電流放大產生諧振，這將對電力系統造成極大的危害。

諧波問題不僅會對電場造成極大的影響，還會對電力系統造成嚴重的損害。因此，應做好對新能源發電中諧波電流的控制。當發電廠利用電力電子轉換器發電機組時，要做好對電場注入系統的諧波電流相應的抑制措施，諧波注入電流需要滿足GB/T 14549中的要求。在使用新能源發電的過程中，應盡量避免采用單一的發電機，這樣會使局部諧波電壓過高，進而對發電系統造成一定的威脅；盡量采用不同種類型的發電機混合配置，以有效控制諧波電流，促進新能源發電的安全、有效運行。

3 風電并網對電網穩定性的影響

目前，世界上主流的發電機組的額定容量一般為1.5～3 MW，單臺風力發電機組的最大額定容量可達7 MW，風電場具有更大的裝機容量。隨著風電裝機容量在各個國家電網中所占的比例越來越大，對電網的影響范圍從局部逐漸擴大。

3.1 電壓穩定性問題

電壓穩定性是指電力系統在正常運行中受到擾動后，維持系統中所有母線電壓在可接受水平的能力。當系統遭遇擾動，負荷的用量增加或改變系統條件時，引起電壓連續的并趨向于失控的衰減，系統由此進入電壓不穩定的狀態。引起不穩定的根本原因是電力系統的無功功率無法滿足需求。這可能是因負荷的變動而引起的，也可能是因聯絡線上的功率過大，超過了自然功率，進而導致線路中無功損耗急劇增大。

目前，國內風電場通常采用無功補償的方式，即在風力發電機組出口安裝并聯電容器組來保證系統電壓的穩定。由于并聯電容器補償通過電容器組的投切實現，調節特性呈階梯性，補償效果受限于電容器組數及每組電容，響應速度慢，無法對無功進行平滑調節。因此，電力系統中常用無功補償器（SVC）、靜態同步補償器（STACOM）等動態無功補償設備控制電網暫態電壓。

3.2 頻率穩定性的問題

電力系統頻率的穩定性是指系統因發生了較大擾動，比如發電機停機、甩負荷等，而出現了有功功率不平衡的現象時，在自動調節裝置的作用下，全系統頻率或解列后的子系統頻率能保持在允許范圍內或不降低至危險值以下的能力。要想整個電力系統在一個同步的頻率下運行，則產生的電能和消耗的電能必須是平衡的。頻率反映了整個系統中能量的產生和消耗是否平衡。如果電力系統中發出的電能過剩，同步發電機將加速，系統頻率提升；反之，發電機將減速，系統頻率下降。

不同類型的風力發電機組的結構不同，接入電網后對電網頻率穩定性產生的影響也不盡相同。恒速風力發電機組采用感應發電機將風輪機轉子上產生的機械能轉化為電能，此類型的發電機組的頻率控制和電壓調節比較困難。然而，由于轉速與系統頻率之間通過變速箱具有了耦合關系，當系統頻率下降時，能向電網提供慣性響應，響應的大小由儲存在轉子上的能量和頻率的變化率來決定。在變速風力發電機組中，直驅式同步發電機風電機組可將風能轉化為電能，并通過電力電子裝置并入電網。基于雙饋感應發電機（DFIG）風電機組，其定子側可直接接入電網，轉子側可通過電力電子裝置接入電網。大量電力電子裝置的使用使變速風電機組的機械功率和電磁功率解耦，當電網頻率發生變化時，無法向系統提供任何慣性響應。

4 結束語

本文主要對風電大規模并網后所引起的電能質量問題和系統穩定性問題進行了分析和探究。風能作為一種清潔的新能源，對我們社會的發展與環境保護具有重大的意義。然而，在利用風能發電的過程中，仍存在一些問題亟待解決。只有更好地解決輸電配電問題，才能為用戶提供更高質量的電能。只有這樣，風電行業才能在今后的電力產業中走得更遠。

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〔編輯：張思楠〕