大規模風電接入對電力系統電能質量和繼電保護的影響

劉建超

摘要：在電網建設中，將風電系統應用其中，這給清潔能源的使用效率帶來了重要的保證，不過其在應用過程中也使傳統電網的結構質量產生了一定的變化，為此本文筆者將詳細探討風電接入對電力系統電能質量以及繼電保護的影響，并對其中存在的問題提出合理的解決措施，以此促進我國風電建設。

關鍵詞：風電系統；電力系統；繼電保護

在電網建設中，使用新能源進行電能的輸送可以有效的緩解我國的能源危機，但同時也為電力系統的運行帶來了新的挑戰。下文就將闡述風電接入對電力系統運行帶來的影響，并對其中存在的問題進行合理的改進。

1 風力發電的特征及其發展狀況

為了緩解我國能源匱乏的情況，我國加大了風力發電技術使用效率，根據近幾年數據的統計，我國風電并網裝機容量已經躍居全球第二位，為提升能源利用效率，滿足現今對電能的需求提供了重要的保證。風力發電具有的明顯特征為：首先，隨著裝機數量的逐年增長，其在我國電能傳輸中占有較大的比例；其次單一風電場裝機容量不斷增大；再次，風電接入使電網內的電壓等級逐漸升高；最后，隨著風電機組樣式的增多，單機容量也在快速的擴展。不過在風能的使用過程中，由于其自身具有隨機性、間歇性以及不穩定性等特點，一旦風電裝機容量超過限定的電網容量時，將會對電網運行的安全和穩定帶來嚴重的影響，進而導致電力系統故障的產生，增加了電能傳輸的危險性。

2 風電接入對電能質量的影響

2.1 電壓存在偏差

風力發電機組在運行過程中，需要從系統中吸收大量的無功功率，進而導致風電場內的電壓處于較低的狀態下，如果該區域內的電壓等級相對較低，且系統容量較小，其電壓將會更低，需要將極端電容器并聯，這樣才能更好的進行無功補償。

2.2 電壓出現波動和閃變的現象

波動和閃變的情況主要是由兩種因素導致的：一是由于功率波動引起的。而功率的波動則是由于風速的變化、塔影效應以及風力機自身的性能所導致的。二是操作切換造成的。其中最為明顯的影響因素就是風電機組的啟動、暫停以及發電機切換作業，這些操作會導致輸出功率存在相應的變動，進而使共聯點的電壓出現變動，造成波動和閃變的情況。

2.3 諧波

諧波的的產生途徑主要可以分為以下兩種情況：

1）由于風力發電機自身的電力電子配置導致的；

2）風力發電機中并聯補償容器與線路電抗發生諧振導致的。且在電力系統運行中，電壓波形都是以中心對稱的形式出現，因此不存在偶數諧波，都是奇數諧波。其中3、9次諧波可以利用變壓器的變速繞組進行有效的隔離；而11、13次諧波是電網中比重較輕的一種，因為其頻率過高，在傳輸過程中衰減的速度較快，故而可以忽略不計。電網中存在較多諧波的是5、7次諧波。所以在諧波管控過程中，需要結合諧波產生的數量，準確的計算公接入點上諧波電壓畸變和電流注入的數值，之后通過與規定數值對比的方式，確定其是否有超出的情況，一旦發現數值超出原定值，需要采取有效的措施對其實行合理的控制，降低諧波的電流，保證系統運行的安全性。

3 電能質量的改善措施

3.1 確保數值的標準性

風電場公共連接點與電力調整期以及線路電抗之間的比例關系是影響電壓波動以及閃變的關鍵因素。其比例數值越大，風力電阻機中電壓波動和閃變就越小。相反，如果其比例制在規定的范圍內，那么無功功率將會對有功功率的電壓進行有效的補償，從而降低閃變的平均數值，保證電網安全運行。另外還可以通過設置相應的電容器組，實現抑制電壓偏差和變動的效果。

3.2 提升電壓穩定性

1）無功補償。為了確保大容量異步風電場接入后電壓的穩定性，可以采取加強無功補償效果的措施進行穩固。另外，還可通過增大電容器補償功率的方式，來確保系統短路后電壓的穩定性，或者利用動態無功補償設備的安裝，來為電壓的穩定運行提供支持，從而改善系統運行的效率，保證電壓的穩定。

2）雙饋異步發電機。該設備是現今風力電場中使用最為廣泛的核心設備，其工作的原理為，將雙饋機組中的定子與電網實行有效連接，再將雙脈寬調制器同電網連線，從而實現轉子之間的交流勵磁，并利用坐標變換的方式，將轉子交流勵磁電流中的有功、無功功率進行解耦，以此達到有功功率與無功功率之間的靈活轉換，該設備可改善功率因數，提高系統的穩定性。

3）儲能裝置。儲能裝置可以對有無功功率進行綜合的調節，從而提高響應速度，加快轉換效率。另外該裝置還可以對有功功率和無功功率實行單獨的控制和調節工作，增強了功率輸出的靈活性，有效的降低了風電場功率的波動現象，確保電壓的穩定。

3.3 合理的調整保護裝置

首先在風電接入過程中，要充分的了解風電中故障點流動情況，進而設置合理的配電網保護措施，保證電網運行的安全；其次，在風電場保護裝置的整定和配置時，須考慮風電場與電網之間聯絡線的功率流向。目前通常的做法是，按照終端變電站的方案展開配置和整定工作。主要依靠配電網的保護來切除系統的故障，然后采用孤島保護、低電壓保護等措施，逐臺切除風力發電機組，從而在故障期間斷開風電場與系統的連接，而當故障清除后，控制風電場自動重新并網。不過該方式并不適用與大型的風電接入操作，其會大大的降低系統的安全性和可靠性。

4 風電對繼電保護的影響及其改進措施

4.1 影響

風電接入后對電力系統的影響主要可以概括為以下三點內容：首先對繼電保護裝置的影響。如果將風電接入電力系統中，為了保證系統的正常運轉，需要適當的調整升壓變壓器，使其接地。不過該項操作在一定程度上改變了聯絡線的零序保護，從而導致繼電保護裝置的靈敏度下降。同時，由于風電場自身的能力較弱，無法保證整個系統的正常運轉，因此需要安裝相應的弱饋裝置，來提高電力系統運行的穩定性。不過綜合考慮成本等各方面的因素，一些發電廠根本就不愿意安裝保護裝置，這就極有可能出現拒動的現象。

其次，為了保證大規模風電接入的質量和效果，在接入工作前，要先對設計的內容進行審核和調整。目前，我國在進行風電接入時，都是采用增加電壓，連接變電站母線的方式，實現電壓輸送工作的。其不會對配電網的保護措施構成不良的影響。但是如果是大規模的風電接入，很容易導致接入線路的保護措施出現不同程度的問題，進而造成斷電、跳閘等情況的發生。

最后，對電力運行穩定性的影響。在我國實施風力發電時，通常借助的是異步發電機，這就涉及到有功功率的發出問題。在這一過程中，需要從系統中吸收無功功率。而大規模風電接入后，無功功率將會影響整個系統的電壓穩定性。另外，風力發電的效果會隨著風力的變化而變化，且不同規格及類型的發電機所產生的諧波也存在一定的差異，一旦出現設備更換情況將會嚴重的影響電網頻率的穩定性，進而使整個系統電壓不穩。

4.2 改進措施

在大規模風電接入作業時，為了保證電網運行的穩定性，需采取一系列的措施，有效的解決接入中存在的問題，保證電力系統的正常運轉。具體內容為：

①充分考慮各方面的影響因素，提升系統設計的質量。相關人員需要引進先進的技術，全面考量各方面因素的影響，合理的調整工作內容，確保接入工作的正常運轉。比如說，輸電方式的選擇、保護配置的調控等，都需要有關人員制定合理的操作方案，減少損失的產生。

②明確風電接入操作后跳閘情況的產生原因，并有針對性的制定合理的解決措施。這需要工作人員對零電壓穿越的時間進行有效的管理和控制，通常情況下，會將其持續的時間控制在3到5分鐘之內，從而減少跳閘對大規模風電接入的影響。

③充分利用保護聯跳措施。在風電機使用之前，工作人員需要在兩側設置相應的保護聯跳措施，以此保證在短路電流和繼電保護連接狀態下，實現電流的阻隔，以提升電力系統運行的安全性、穩定性。另外，由于繼電保護對于用戶的電能使用有著直接的影響，一旦在電氣設備出現故障，繼電保護出現問題時，將會使電能輸送發生異常，為此工作人員在繼電保護設置時，應利用故障快速切除的方式找出電氣設備中存在的問題，并提出合理的解決措施，減少問題的發生。而對于新建的風電廠來說，可以使用電阻接地的方式解決問題，并根據實際情況設計相關的故障保護。

5 結語

在環保理念以及能源需求的影響下，我國正在不斷的加快風電事業的發展速度，不過由于風電接入對電網電能質量以及繼電保護帶來了很多的制約，使得電力系統在運行過程中，出現了較多的問題和故障，嚴重的威脅了電能傳輸的效率和安全，因此，有關人員應結合具體情況制定合理的保護過措施，從而提升風電的安全性和可靠性，加強其余電力系統運行的配合效率，為我國電力行業的發展貢獻力量。

參考文獻：

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