風電場并網對電網電能質量的影響及治理措施

徐 弈

（中海石油（中國）有限公司天津分公司遼東作業公司，天津 300450）

0 引 言

在風力發電設備正常運行期間，需要葉輪葉片為輪轂提供動力支撐，驅動其運動。這樣既能實現風能到機械動能的有效轉換，還可以通過風力渦輪機的運行完成機械動能到電能的轉換。變流器設備能夠保障電網電力的正常傳輸。但需要注意的是，風電場并網后，會直接影響電網的電能質量[1]。因此，如何識別并有效控制這些影響因素，并對電網電能質量影響因素和治理措施進行深入研究，具有重要意義。

1 風電場運行的特點分析

首先，風電場并網狀態下發電廠規模相對較大。因此，在分析獨立運行離網型風電場的過程中，必須考慮其接入電網運行的特性，并利用大電網補償來提高資源利用效率。其次，并網型風力發電廠自動化水平較高。與其他發電模式運行現狀相比，風電場并網運行滿足無人值守的目標，只需考慮風能對其所產生影響。最后，風電場并網條件下電能輸出功率存在高度波動性。從風電場并網運行角度來看，風速和風力大小會直接影響發電機組運行效率和電能輸出功率，是并網運行期間應重點關注的問題[2]。風電場運行的基本流程如圖1 所示。

圖1 風力發電流程

2 風電場并網對電網電能質量的影響

2.1 對電網的沖擊

在電網并網運行過程中，異步電機作為核心發電設備得到了廣泛應用。由于風電場并網期間會產生額定電流，通過沖擊電流作用能確保電網運行的安全性與可靠性。受電廠并網容量規模增大因素的影響，沖擊電流對電網運行水平的影響較小。對于并網后容量較小的風電場而言，沖擊電流的存在會對電網電壓水平產生重要影響，甚至會對設備使用帶來不良影響。小型風電并網系統費用概算如表1 所示。

表1 小型風電并網系統費用概算

由于風電場在電網運行期間的發電規模大，導致并網所需的電力輸出顯著增加，即并網電力輸出功率呈上升趨勢。從這一角度來看，輸出功率波動對電網的影響呈現正相位關系。在風電場并網系統中，輸出功率的振幅變化會對電網的運行頻率產生影響。

2.2 對諧波產生的影響

在風電場并網運行期間，影響電網電能質量的因素有多種，包括電壓波動、電網頻率和諧波效應的變化等。電網系統內部諧波主要由電弧設備和鐵磁飽和設備產生，而風力發電機的電力電子元件是諧波電流的主要來源[3]。為深入分析風電場并網運行條件下的諧波電流，需要提高電網運行的穩定性。通過合理安裝風電場并網裝置，可以確保諧波電流的穩定，從而促進電網的安全運行，以滿足電力企業健康發展的需要。

在風電場并網運行的條件下，電網中的諧波主要來自兩方面。一方面，發電機的質量因素是導致諧波產生的主要因素之一。發電機的三相繞組會受到各種因素的影響，難以保證鐵芯的均勻性和一致性，從而產生諧波。另一方面，受輸配電系統中電力變壓器裝置配置的影響。如果變壓器裝置未滿足經濟要求或鐵芯飽和狀態，會導致諧波的產生。同時，磁化電流表現出明顯的尖峰波形特征，會產生奇次諧波。此外，這些諧波的大小會直接影響磁路的結構。

如果在并網風電場的運行過程中存在諧波，會對電網造成一定的損害。一方面，諧波會增加電網供電線路中的額外損耗。由于鄰近效應的影響，線路的電阻水平會上升，導致電能的浪費。另一方面，諧波會干擾電網系統中各種電氣設備的工作性能。以斷路器裝置為例，在電流波形過零的狀態下，可能會增加斷開的難度，延長故障電流的切斷時間，從而對電網系統的運行造成嚴重影響。

3 風電場并網對電網電能質量的完善策略

3.1 應用改善無功補償技術

在風電場并網運行的條件下，異步電機設備的應用較對廣泛，但以其為代表的電感元件存在限制性問題。為提高電網電能質量，確保系統運行的穩定性，需要綜合考慮不同地區電網接入點和電壓值之間的差異性，并結合風電場的并網參數，選擇無功補償量。可以通過風電場并網來提高電網的整體質量水平，合理應用超導磁儲能系統，并配置相應的無功補償裝置，明確不同地區電網的實際運行情況。通過科學設置無功補償量，可以提高無功補償裝置調節電網性能的實效性，有效控制電網電壓。因此，要確保風電場裝置的凈輸出效率達到理想狀態，并合理控制輸電功率，以全面提高波動系統的使用質量。

3.2 做好風電場發電預測工作

在風電場的運行過程中，風能、風速等因素會直接影響電網運行的整體質量，從而影響風電場能源的正常輸出。為了進一步提高風電場的運營管理水平，需要綜合應用多種管理措施和技術，并結合預測技術，實現對階段性風能規模的準確預測，以確保后續風機調度工作的順利開展。

3.3 輕型直流輸電連接電網的使用

目前，風力發電的速度較慢，風力發電相關技術也出現了重大變化，不利于風力發電的進步和發展。在資源節約型產業的發展背景下，公眾更傾向于利用風能來獲得電力支持。這樣可以在不影響電力質量的情況下實現環保目標，并提高資源利用效率。然而，實際情況表明，輸出功率的波動會直接影響電網的電能質量。因此，工作人員必須高度重視風電場并網運行系統中發電設備的管理[4]。

在風電場并網正常運行的情況下，輕直流輸電方式具有顯著優勢。一方面，輕直流輸電方式支持在電網系統中實現異步連接功能，特別是對于相同額定頻率的交流系統。其可以充分利用交流系統相互備份的特性，構建穩定的支持環境，從而確保電網運行的經濟水平；另一方面，輕型直流輸電方式對高壓、長距離、大容量輸電系統具有較好的適用性。在這種模式下，功率角關系不會受到影響，即在靜態或瞬態穩定性較差的情況下，輸送能力不會受到顯著影響。例如，在鋪設長度超過40 km 或架空電力線路時，輕直流輸電方式具有顯著的綜合應用優勢和經濟優勢。

就電網的整體電能質量而言，輕型直流輸電連接技術的應用具有重大價值。電壓源逆變器主要基于脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWN），具有通用的技術特征和強大的直流傳輸性能。在風電場并網運行過程中應用該技術，可以避免發生輸電走廊問題。風速是影響風電場并網運行效率的關鍵因素。在風速預測等各種技術手段不斷改進的過程中，要不斷提高預測質量，確保電網人員能夠準確獲取風力發電性能值。高精度的預測有助于提高電網容納風電場的能力，并為電網的可持續性發展奠定堅實的基礎。

3.4 降低功率損耗

有功損耗和無功損耗屬于風電電網功率損耗的重要組成部分。通過深入研究功率損耗，可以防止風電電力線路出現相關問題，降低功率損耗，切實提升風電系統的用電負荷控制水平，從而延長風電設備的使用壽命。因此，風電場需要具有準確計算有功功率的能力，合理選擇導線路徑，提升電阻壓力控制水平，從而最大限度地控制有功損耗。如果無功功率降低，會加深對風電場實際情況的分析，從而為變壓器的合理選擇提供有利依據，及時補償無功功率。在目前的風電場中，常見的無功補償方式包括整合電網資源、并聯電容器等。這些方式的作用在于降低風電并網的壓力，提高風電并網系統整體的安全性。

在降低功率損耗時，相關人員要結合實際情況，加強對高效電動機的應用，以滿足節電需求，促進運行效率和功率因數的提升。高效電動機主要是指總損耗比標準系列電動機低20%以上，主要由定子鐵芯和轉子鐵芯組成，且制造工藝先進。因此，在電機運行期間，可以有效控制損耗問題，且運行穩定性較好。

4 風電并網對電能質量影響的治理實踐

在風電場并網線路終端，由于無功補償裝置在滿負荷輸出時難以與無功裝置集成，尤其是在風速波動較大的情況下，會對電力系統產生一定影響。在這種情況下，簡單地切換電容器組無法滿足無功功率需求。因此，應在風電場并網點安裝無功補償裝置，以促進無功功率的恢復，提高線路運行的穩定性和電能質量管理水平[5]。

4.1 設備選型和設計

在風電場中，無功補償設備（Static Var Generator，SVG）的選型和設計非常重要。由于風電場規模大、環境復雜，SVG 的選型和設計要考慮多種因素。例如，系統負荷變化對無功補償的影響、風機容量的大小、電網工頻電壓的波動幅度以及過載電流的大小等。這些因素均會影響SVG 的性能和使用壽命。

第一，負載變化。由于風電機組在不同風速下產生的功率和無功功率會有所不同，在選擇SVG 時要選擇合適的容量，以確保設備能夠有效地對無功進行補償。第二，設備溫度。SVG 在工作時會產生一定的熱量，如果設備溫度過高，會直接影響設備的性能和壽命。因此，在設備選型和設計時要考慮設備散熱問題，提高設備散熱效率。

4.2 設備安裝和調試

在安裝和調試SVG 的過程中面臨著巨大挑戰。特別是在風電場這種復雜環境下，設備的安裝和調試工作要格外謹慎。在實際工作中，SVG 的安裝和調試要考慮兩方面內容。第一，設備的安裝和固定方式。在風電場中安裝和固定SVG應從設備質量、大小、位置及工作環境等方面入手，遵循相關的安全規范和標準，確保設備能夠安全可靠地運行。第二，設備的調試和校準。SVG 的調試和校準應嚴格按照設備廠家的規定進行。在調試和校準期間，需要指定專業人員負責操作，以確保設備的正常運行。

4.3 設備運行和維護

SVG 是現代電力系統中應用較為廣泛的一種電力調節設備，主要用于動態控制電力系統的無功功率，以提升系統的無功補償性能。由于電力系統環境多變、設備技術復雜，SVG 在運行和維護過程中面臨著各種挑戰。

首先，環境因素。如果SVG 長期處于高溫、低溫、潮濕等惡劣環境中，不僅會影響設備的穩定性，還會加快設備的老化速度。因此，在設備運行和維護期間，必須準確分析環境因素對設備的影響，并采取相應的防護措施，以確保設備的正常運行，延長設備使用壽命。

其次，設備監測和維護。在SVG 運行過程中，需要對其進行實時監測，以及時發現故障問題，為維修和保養提供依據。此外，應定期開展設備維護工作，清潔設備內部的灰塵和其他污物，并及時更新設備部件和零件，確保設備能夠正常運行。

最后，建立科學嚴格的保養和維護計劃，制定日常保養和維護工作標準。這樣既能確保設備持續穩定地運行，又能提高設備的可靠性和穩定性。同時，加強對維修人員的培訓力度，提高現場工作人員的專業技能和素質，以達到理想的SVG 設備管理效果。

5 結 論

風電場并網對電網的電能質量有著深遠的影響。文章結合風電場運行的特點，總結并概括了風電場并網對電網電能質量的影響，提出了風電場并網對電網電能質量的完善策略。同時，從設備選型和設計、設備安裝和調試、設備運行和維護3 個方面探討了風電并網對電能質量影響的治理實踐，以提高風電場的供電質量，使其達到最佳狀態。