论文部分内容阅读
摘 要：由于风能具有随机性、间歇性、不稳定性的特点，当风电装机容量占总电网容量的比例较大时会对电网的稳定和安全运行带来冲击。针对这一问题，阐述了大规模风电并网后对电力系统稳定性、电能质量、发电计划与调度、系统备用容量等方面的影响。
关键词：风力发电；并网；电力系统；稳定性；电能质量
现代社会离不开一个电能安全，稳定，可靠的电能供应系统。在向低碳电力系统转变的过程中使电力系统保持一个高的供电可靠性水平是至关重要的。我国存在着电源与电网发展不协调、不平衡的问题。我国各大电网互联输电能力不完善，电网之间的互相救济与跨电网的补偿能力还有待优化。
由于各种因素，目前我国主要的如风能等资源分布较为偏远，而在偏远地区电网结构比较薄弱，实现大容量、远距离输送电能还较难满足需求。所以国内电力系统的电网规划必须向智能电网转型。
风电是现今一种最成熟、最具大规模商业开发条件，成本相对较低的一种的可再生的清洁能源。世界上很多国家把风电作为改善能源结构、应对气候变化的重要选择。在我国风电装机容量增长迅速，风力发电机组大型化，成本大幅降低其带来的风能资源也是十分巨大。风力发电是特殊的电力，其具有自身特殊的特点，风力的随机性和间歇性以及机组运行时对无功需求都会对电力系统稳定运行。风电场的并网将会给电网带来诸多如安全稳定、电能质量等不利的影响。
1 风电接入对电力系统的影响
由于风电场内不同地理位置的风力资源分布、风速不同，以及风电场电网结构、控制方式和风力发电机组受到的塔影效应等因素，风电场的输出功率具有随机性、扰动性和间歇性等特点。小规模风电场的装机容量较小，不会严重影响电力系统，但是大规模风电场对电力系统的影响较之显著。功率的变化将会对电网产生一系列的影响，主要包括：对电能质量的影响、对电网稳定性的影响、对继电保护的影响等。
由于风能的随机性，风电场不利于电网的调频、调峰。在风电机达到额定转速前，其功率与风速的立方成正比，即风速增加一倍，输出功率增加8倍。由于风能的不可预测，风能分布的随机性等因素，风电的出力变化也在相当程度上不可预测和控制。同时，风电的出力变化与电网负荷变化一般都是相反的，即风电功率大时，电网的负荷往往是在下降的，尤其是在一些农灌负荷占相当比重的电网中。在风电场装机总量占全网比重不大的情况下，风电场不会对电网的调频、调峰造成太大的影响，反之就会有不利影响。
风力发电系统一般在电网末端接入，改变了配电网传统的单电源分布式结构，使潮流流向和分布都发生了改变。随着风电注入功率的增大，可能会引起风电场附近的局部电网电压越限，严重时可能会导致电压崩溃。传统风电场容量很小，一般都作为负荷不参与电力系统的控制，当系统发生故障时，切除风电机组 保证风电场和电网的安全。但是随着风电场渗透功率的不断增大，风电输出的不稳定性对电网的功率冲击效应也不断增大，对系统稳定性的影响就更加显著，严重时将会使系统失去动態稳定性，导致整个系统的瓦解。
稳态情况下，风电并网的一个显著特点就是引起接入点的稳态电压上升。对于大规模分布式发电并入电网，只要其注入的功率大约小于所接入电网的整体负荷功率的20%，就可以减少线路上的功率损失，从而提升电压水平，因此风力发电并入电网总体上来说是会改善系统的稳态电压分布状态的，但其改善程度随风力发电机的类型、风电场的接入位置、风电场的容量、接入电网系统的R/比值的不同而有差别，如果选择不当会导致过电压。
一方面风电场的有功出力使负荷特性极限功率增大，增强了静态电压稳定性；另一方面风电场的无功需求则使负荷特性的极限功率减少，降低了静态电压稳定性，但只要系统的无功供给足够多，则整体上可以认为风电场的并网增加了系统的静态电压稳定性。也就是说，风电并网对电网静态电压稳定性的影响可以是正面的也可以是负面的，它跟风力发电机的运行点是密切相关的。
由于当前很多中型和大型的并网风机采用异步电机，风机群并网启动的时候产生的电压波动更加是不可忽视的。异步电机启动的时候通过励磁从电网吸收无功功率，从而影响到电网侧的电压，风机群并接到弱电网的时候这种效果就会被放大，导致电网侧电压的突降。从异步电机吸收无功功率与电网电压的关系图可以看到，当电压下降向临界电压Ucr逼近时，异步机吸收的无功接近为常量。在超过Ucr以后，吸收无功Q随电压的下降反向增长，这会导致电网电压下降的加剧，使多台电机的同时投入造成电压的急剧下降，甚至引起电压崩溃。
2 解决措施
2.1 改善电能质量
并网风电场的公共连接点短路比 SCR 和电网的线路电抗 / 电阻比即：X/R 比，是影响风力发电引起的电压波动和闪变的重要因素。SCR越大，风力发电机组引起的电压波动与闪变越小。如果电网线路 X/R 比合适，无功功率引起的电压波动可以补偿有功功率引起的电压波动，从而减轻整个平均闪变值。在风电场设置合理的电容器组 （或电抗器组）可以抑制电压变动和电压偏差。
2.2 保护装置的调整
风电场接入配电网时，须考虑风力发电提供的故障电流，需要重新配置和整定配电网保护；在进行风电场保护装置的整定和配置时，须考虑风电场与电网之间联络线的功率流向。目前通常的做法是按照终端变电站的方案进行配置和整定。主要依靠配电网的保护来切除系统的故障，然后采用孤岛保护、低电压保护等措施，逐台切除风力发电机组，从而在故障期间断开风电场与系统的连接，而当故障清除后，控制风电场自动重新并网。但是对于今后大规模风电场接入配电网的情况，这种方法会降低系统的可靠性。
2.3 提高电压稳定性
提高电压稳定性的措施主要有：
无功补偿，提高无功补偿能力提高大容量异步风力发电场接入后电网电压稳定性的重要措施。适当提高电容器的补偿容量，有助于提高风电系统短路故障后的稳定性，进一步可选择安装动态无功补偿装置来提供动态的电压支撑，改善系统的电压稳定性。
参考文献：
[1]张晓峰.国内外风电现况分析[J].科技与企业，2012，19：168-168.
[2]施鹏飞.风力发电在中国的现状和前景[J].水力发电学报，1998，3：4-17.
[3]张丽英，叶廷路，辛耀中，韩丰，范高峰.大规模风电接入电网的相关问题及措施[A].中国电机工程学报，2010，30（25）：1-9.
[4]张衡.浅谈大规模风电接入对电力系统的影响[J].华夏电力，2011，6：51-56.
[5]程路，白建华，贾德香，辛颂旭.国外等电并网特点及对我国的启示[J].中外能源 2011，16（6）：30-34.
[6]周利鹏，高文韬. 国外风电并网特点及对我国的启示[J]. 科技传播，2013，16：62+58
[7]曾鸣，吕春泉，田廓，董军. 智能电网对低碳电力系统的支撑作用[J].电力系统自动化，2011，23：6-10.
[8]张勇，张剑. 智能电网在国内电力系统规划中的发展[J]. 科技创新与应用，2013，35：154.
[9]迟永宁，王伟胜，刘燕华.大型风电场对电力系统暂态稳定性的影响.电力系统自动化，2006， 30（15）：10-14.
[10]张红光，张粒子.风电场接入电网的安全稳定分析[J].中国电力，2007，40（5）.
作者简介：
王巨光（1982-），男，汉族，山西太原人，本科生，助理工程师，主要研究方向为电气自动化.
关键词：风力发电；并网；电力系统；稳定性；电能质量
现代社会离不开一个电能安全，稳定，可靠的电能供应系统。在向低碳电力系统转变的过程中使电力系统保持一个高的供电可靠性水平是至关重要的。我国存在着电源与电网发展不协调、不平衡的问题。我国各大电网互联输电能力不完善，电网之间的互相救济与跨电网的补偿能力还有待优化。
由于各种因素，目前我国主要的如风能等资源分布较为偏远，而在偏远地区电网结构比较薄弱，实现大容量、远距离输送电能还较难满足需求。所以国内电力系统的电网规划必须向智能电网转型。
风电是现今一种最成熟、最具大规模商业开发条件，成本相对较低的一种的可再生的清洁能源。世界上很多国家把风电作为改善能源结构、应对气候变化的重要选择。在我国风电装机容量增长迅速，风力发电机组大型化，成本大幅降低其带来的风能资源也是十分巨大。风力发电是特殊的电力，其具有自身特殊的特点，风力的随机性和间歇性以及机组运行时对无功需求都会对电力系统稳定运行。风电场的并网将会给电网带来诸多如安全稳定、电能质量等不利的影响。
1 风电接入对电力系统的影响
由于风电场内不同地理位置的风力资源分布、风速不同，以及风电场电网结构、控制方式和风力发电机组受到的塔影效应等因素，风电场的输出功率具有随机性、扰动性和间歇性等特点。小规模风电场的装机容量较小，不会严重影响电力系统，但是大规模风电场对电力系统的影响较之显著。功率的变化将会对电网产生一系列的影响，主要包括：对电能质量的影响、对电网稳定性的影响、对继电保护的影响等。
由于风能的随机性，风电场不利于电网的调频、调峰。在风电机达到额定转速前，其功率与风速的立方成正比，即风速增加一倍，输出功率增加8倍。由于风能的不可预测，风能分布的随机性等因素，风电的出力变化也在相当程度上不可预测和控制。同时，风电的出力变化与电网负荷变化一般都是相反的，即风电功率大时，电网的负荷往往是在下降的，尤其是在一些农灌负荷占相当比重的电网中。在风电场装机总量占全网比重不大的情况下，风电场不会对电网的调频、调峰造成太大的影响，反之就会有不利影响。
风力发电系统一般在电网末端接入，改变了配电网传统的单电源分布式结构，使潮流流向和分布都发生了改变。随着风电注入功率的增大，可能会引起风电场附近的局部电网电压越限，严重时可能会导致电压崩溃。传统风电场容量很小，一般都作为负荷不参与电力系统的控制，当系统发生故障时，切除风电机组 保证风电场和电网的安全。但是随着风电场渗透功率的不断增大，风电输出的不稳定性对电网的功率冲击效应也不断增大，对系统稳定性的影响就更加显著，严重时将会使系统失去动態稳定性，导致整个系统的瓦解。
稳态情况下，风电并网的一个显著特点就是引起接入点的稳态电压上升。对于大规模分布式发电并入电网，只要其注入的功率大约小于所接入电网的整体负荷功率的20%，就可以减少线路上的功率损失，从而提升电压水平，因此风力发电并入电网总体上来说是会改善系统的稳态电压分布状态的，但其改善程度随风力发电机的类型、风电场的接入位置、风电场的容量、接入电网系统的R/比值的不同而有差别，如果选择不当会导致过电压。
一方面风电场的有功出力使负荷特性极限功率增大，增强了静态电压稳定性；另一方面风电场的无功需求则使负荷特性的极限功率减少，降低了静态电压稳定性，但只要系统的无功供给足够多，则整体上可以认为风电场的并网增加了系统的静态电压稳定性。也就是说，风电并网对电网静态电压稳定性的影响可以是正面的也可以是负面的，它跟风力发电机的运行点是密切相关的。
由于当前很多中型和大型的并网风机采用异步电机，风机群并网启动的时候产生的电压波动更加是不可忽视的。异步电机启动的时候通过励磁从电网吸收无功功率，从而影响到电网侧的电压，风机群并接到弱电网的时候这种效果就会被放大，导致电网侧电压的突降。从异步电机吸收无功功率与电网电压的关系图可以看到，当电压下降向临界电压Ucr逼近时，异步机吸收的无功接近为常量。在超过Ucr以后，吸收无功Q随电压的下降反向增长，这会导致电网电压下降的加剧，使多台电机的同时投入造成电压的急剧下降，甚至引起电压崩溃。
2 解决措施
2.1 改善电能质量
并网风电场的公共连接点短路比 SCR 和电网的线路电抗 / 电阻比即：X/R 比，是影响风力发电引起的电压波动和闪变的重要因素。SCR越大，风力发电机组引起的电压波动与闪变越小。如果电网线路 X/R 比合适，无功功率引起的电压波动可以补偿有功功率引起的电压波动，从而减轻整个平均闪变值。在风电场设置合理的电容器组 （或电抗器组）可以抑制电压变动和电压偏差。
2.2 保护装置的调整
风电场接入配电网时，须考虑风力发电提供的故障电流，需要重新配置和整定配电网保护；在进行风电场保护装置的整定和配置时，须考虑风电场与电网之间联络线的功率流向。目前通常的做法是按照终端变电站的方案进行配置和整定。主要依靠配电网的保护来切除系统的故障，然后采用孤岛保护、低电压保护等措施，逐台切除风力发电机组，从而在故障期间断开风电场与系统的连接，而当故障清除后，控制风电场自动重新并网。但是对于今后大规模风电场接入配电网的情况，这种方法会降低系统的可靠性。
2.3 提高电压稳定性
提高电压稳定性的措施主要有：
无功补偿，提高无功补偿能力提高大容量异步风力发电场接入后电网电压稳定性的重要措施。适当提高电容器的补偿容量，有助于提高风电系统短路故障后的稳定性，进一步可选择安装动态无功补偿装置来提供动态的电压支撑，改善系统的电压稳定性。
参考文献：
[1]张晓峰.国内外风电现况分析[J].科技与企业，2012，19：168-168.
[2]施鹏飞.风力发电在中国的现状和前景[J].水力发电学报，1998，3：4-17.
[3]张丽英，叶廷路，辛耀中，韩丰，范高峰.大规模风电接入电网的相关问题及措施[A].中国电机工程学报，2010，30（25）：1-9.
[4]张衡.浅谈大规模风电接入对电力系统的影响[J].华夏电力，2011，6：51-56.
[5]程路，白建华，贾德香，辛颂旭.国外等电并网特点及对我国的启示[J].中外能源 2011，16（6）：30-34.
[6]周利鹏，高文韬. 国外风电并网特点及对我国的启示[J]. 科技传播，2013，16：62+58
[7]曾鸣，吕春泉，田廓，董军. 智能电网对低碳电力系统的支撑作用[J].电力系统自动化，2011，23：6-10.
[8]张勇，张剑. 智能电网在国内电力系统规划中的发展[J]. 科技创新与应用，2013，35：154.
[9]迟永宁，王伟胜，刘燕华.大型风电场对电力系统暂态稳定性的影响.电力系统自动化，2006， 30（15）：10-14.
[10]张红光，张粒子.风电场接入电网的安全稳定分析[J].中国电力，2007，40（5）.
作者简介：
王巨光（1982-），男，汉族，山西太原人，本科生，助理工程师，主要研究方向为电气自动化.