風力發(fā)電對電力系統(tǒng)影響探析

周　偉

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610000）

風力發(fā)電對電力系統(tǒng)影響探析

周偉

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610000）

隨著國家和社會對于環(huán)保越來越重視，一批如風能發(fā)電、太陽能發(fā)電等清潔能源開始逐步得到推廣和應用，成為電力能源發(fā)展的新方向。尤其在風能發(fā)電的運用上，已經取得一定的成就，但是仍存在發(fā)電規(guī)模、質量、穩(wěn)定性等問題，需要進一步提升科技水平來解決。本文通過對風力發(fā)電對電力系統(tǒng)的影響進行分析，結合具體的情況，提出一些合理的意見和建議，以期今后得到更好的應用。

風力；風力發(fā)電；發(fā)電質量；穩(wěn)定性

目前，在國內的各種新能源的開發(fā)利用方面，風能發(fā)電的優(yōu)勢進一步彰顯。首先由于風能發(fā)電在技術上得到長足發(fā)展，效率大大提高，從而使得風能利用的成本不斷降低，經濟效益凸顯。其次，在環(huán)境保護方面，風能是清潔無污染的能源，在發(fā)電過程中不會對周圍的自然環(huán)境產生較大的影響，環(huán)保效益顯著。但是，在實際的運用過程中，大規(guī)模風力發(fā)電與國家電網并網運行仍然存在很多技術問題，需要進一步研究。本文主要就是從大規(guī)模風力發(fā)電并網對電力系統(tǒng)的影響研究，尋找解決問題的有效措施。

一、風力發(fā)電并網對電力系統(tǒng)的影響

在國外有很多國家的風力發(fā)電系統(tǒng)已經非常成熟地并入其國家電網，取得了一定的技術成果和經驗。但是，由于我國國家電網和國外的電網系統(tǒng)存在很多不同，所以很難借鑒到我國的并網運行上來。目前，風力發(fā)電在并網過程中，主要面臨的問題是發(fā)電規(guī)模、質量以及穩(wěn)定性等，需要認真研究。

1.風力發(fā)電的規(guī)模設計問題

盡管近些年風力發(fā)電在國內迅速發(fā)展，但是總的發(fā)電規(guī)模以及裝機容量與我國國家電網總的裝機容量不構成顯著的比例，并沒有對電力系統(tǒng)構成什么重大的影響。但是由于我國風力資源的分布集中在西部地區(qū)，那里氣候惡劣，地廣人稀，用電負荷量本來就不高，一旦大規(guī)模進行風力發(fā)電的開發(fā)運行，就會對當地的電力系統(tǒng)產生較大的壓力，這就導致對我國風力發(fā)電產生嚴重的制約因素。同時在另一方面，由于我國西部地區(qū)的風力發(fā)電，一般比較受制于氣候條件的影響。盡管國內已經為風電場安裝風功率預測系統(tǒng)，但是由于受到自然因素的影響比較大，電力生產無法得到有效保障，所以對于國家電網來說，無法形成有效地電力調配，這也導致對于當地的電力系統(tǒng)產生很多不確定的影響，構成安全隱患。這些因素就形成了對于風力發(fā)電規(guī)模的制約，需要進行科學的研究和分析，才能確保進一步擴大風力發(fā)電的規(guī)模。

2.電壓波動和閃變對發(fā)電質量的影響

風力發(fā)電最大的影響因素就是風力大小的不確定性，導致發(fā)電機組的運行過程中出現(xiàn)電壓波動和閃變等問題，而電壓的波動和閃變就會對電網電能質量產生較大影響，這就會對整個電網安全和效率構成威脅。同時，風電發(fā)電機組的啟動、運行、關閉等操作也會產生電壓的波動以及閃變等問題。另外，如果風電機組中的大功率電力電子器件設計不合理，就有可能對電網輸入諧波電流，引發(fā)電壓波的畸變，從而導致一系列的問題產生。因此，這些不穩(wěn)定的電壓以及閃變問題，并網后就會對整個電網的發(fā)電質量產生影響，不利于電網安全、穩(wěn)定運行。

3.對電網穩(wěn)定性的影響

風力發(fā)電機組與電網的并網點，通常位于電網的末端，這就導致在向電網輸電的過程中產生逆向的電流流向和潮流分布的改變，這是之前沒有考慮和遇到的問題，所導致的結果就是風力發(fā)電機組對于周圍的局部電站或線路施加相當大的壓力，有可能導致輸電線路的崩潰。同時，風力發(fā)電機組向電網發(fā)電，由于是異步發(fā)電機組的功率輸出，就會相應地從國家電網吸收無功功率，為了有效補償發(fā)電機組的無功功率損失，需要安裝動態(tài)無功補償裝置（SVC或SVG），或者更為先進的SVG設備來校正。隨著風力發(fā)電規(guī)模的越來越大，這就導致風力發(fā)電機組對于整個國家電網的影響也越來越大，風力發(fā)電機組產生的不穩(wěn)定性因素對于電網的沖擊也在相應地增大，一不小心就會使得整個國家電網的系統(tǒng)陷入混亂狀態(tài)，失去穩(wěn)定性。

4.保護裝置不能有效運轉

在進行風電發(fā)電機組的運行過程中，由于機組受到風速的影響比較大，經常發(fā)生對接觸器的損害，所以要適當安裝電動機設備，在必要的時候進行補充運行，但是這就導致風力發(fā)電機組與國家電網之間的電流有時會出現(xiàn)雙向流動。如果風力發(fā)電機組的系統(tǒng)設計時，沒有充分考慮到這樣的情況，就有可能對原有的保護裝置產生損害。同時在風力發(fā)電機組產生短路等各種故障的時候，沒有形成一部分短路電流，機組的保護裝置可以借助這部分電流進行運行，迅速準確查找故障的原因，但是這種設計在保護裝置起初的設置中沒有考慮到，這就導致保護裝置在風力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)生故障的時候不能有效發(fā)揮作用。

二、風力發(fā)電對電網影響的解決措施

1.風力發(fā)電規(guī)模的科學設計

為了有效解決風力發(fā)電規(guī)模的問題，需要采取相應的措施，解決面臨的問題，目前國內外對于風力發(fā)電規(guī)模的研究，首先基本上依據風電穿透功率極限與風電場短路容量比這兩個指標來判斷風力發(fā)電規(guī)模的大小。在風電穿透功率極限這個概念中，需要注意風電穿透功率與風電場裝機容量和系統(tǒng)總負荷有關，兩者之間的比例就能確定風電穿透功率的大小，而風電穿透功率極限，就是風電穿透功率的最大值，反映出最大的風電場裝機容量。在具體的分析過程中，西方國的一些統(tǒng)計數據，要求功率達到15%以上就可以建設風力發(fā)電設施。另外一個指標就是風電場短路容量比，其內容包括風電場額定容量與該風電場與電力系統(tǒng)的連接點的短路容量之比。其中短路容量主要表示網絡結構強弱情況，當短路容量小就可以說明該節(jié)點與系統(tǒng)電源點的電氣距離大，聯(lián)系不緊密。風電場接入點的短路容量比大表明系統(tǒng)承受風電擾動的能力弱，對于短路容量指標在歐洲需要達到4%左右，日本需要更寬松達到10%左右也是可以的。其次就是需要考慮風電場最大注入功率的影響，這就需要從風電場的運行特點以及其他設備的調節(jié)能力還有網絡結構等因素來研究，發(fā)現(xiàn)風電機組的最大注入功率受到風電場接入地區(qū)的中樞點電壓水平以及風電場接入系統(tǒng)的聯(lián)絡線大小等因素共同影響，只要提高接入系統(tǒng)的電壓調整能力、增加無功補償量和采用較小的聯(lián)絡線就提高最大注入功率。

2.增強電能質量

為了有效提高風電系統(tǒng)并網后的電網供電質量，需要采取有效地措施改善電網結構。并網過后的連接點短路比和電網線路是影響風電系統(tǒng)電壓和閃變的重要因素，其中公共連接點短路比與風電系統(tǒng)的電壓波動以及閃變成反比，短路比越大，電壓的波動和閃變就會越小。同時，安裝合適的電網線路也可以有效降低電壓波動和閃變。當然也可以使用電子裝置，降低風電場并網過程對電網造成的影響。

3.提高電網的穩(wěn)定性

對于提升整個電網的穩(wěn)定性，首先需要通過計算風速和負荷變化對風電場輸出有功功率和無功功率影響，然后安裝分組投切電容器，但是這種電容器不能對連續(xù)波動的電壓進行有效調節(jié)，還需要安裝靜止無功補償器，這種設備可以有效調節(jié)無功補償功率的大小，并且針對連續(xù)性的電壓波動，提供相應的電壓支持，提升整個系統(tǒng)的性能穩(wěn)定性。其次，還需要安裝超導儲能裝置（SMES），這種裝置能量密度高，而且可以快速吞吐有功功率。利用基于GTO的雙橋結構換流裝置，SMES可以在四象限靈活地調節(jié)有功和無功功率，為系統(tǒng)功率不足的地方提供補償。這樣就可以降低輸出功率的波動，使得電壓得到穩(wěn)定，提高了電網的穩(wěn)定性。

4.保護裝置的設計

目前對于保護裝置的設計，首先在安裝方面都是從終端變電站安裝和整定。其次在具體的過程中，主要是通過孤島保護、低壓保護等措施來對于發(fā)生故障的風電機組進行逐一排除，斷開與電網的聯(lián)系，等恢復正常以后，繼續(xù)連接使用。最后，就是由于風力發(fā)電的規(guī)模越來越大，可能這種裝置的功效的穩(wěn)定性就會受到較大的影響，不一定能及時發(fā)揮作用。

結論

目前對于風力發(fā)電在并網過程中存在的問題，經過多年的實踐總結及吸收國外的一些經驗，已經取得一定的成效，但是要想發(fā)揮好風力發(fā)電的功效，降低對于國家電網的影響，仍然需要繼續(xù)不斷地研究，采用新的技術和裝備，更好地使得風力發(fā)電對電力系統(tǒng)不會產生太大的影響。

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