浅析风力发电对电力系统运行的影响(2)

北极星电力网技术频道作者:薛宇 2012/6/18 16:34:01

关键词: 风力发电风电并网电力系统

1.3. 对电网稳定性的影响

风力发电通常接入电网的末端，改变了配电网功率单向流动的特点，使潮流流向和分布发生改变，这在原有电网的规划和设计时是没有预先考虑的。因此，随着风电注入功率的增加，风电场附近局部电网的电压和联络线功率将会超出安全范围，严重时会导致电压崩溃。处于电网末梢的风电场大规模接入后，风电大发期大量上网，电网输送潮流加大，重载运行线路增多，热稳定问题逐渐突出。例如：甘肃酒泉地区2007年以来风电、小水电快速发展，送出矛盾加剧，尽管采用了过负荷切机以及变电站分裂运行等措施来提高输送能力，但风电场弃风问题仍然长期存在。2008年瓜州，玉门地区风电受限幅度分别达到20%，40%。

由于采用异步发电机，风电系统在向电网注入功率的同时需要从电网吸收大量的无功功率。因此，为了补偿风电场的无功功率，每台风力发电机都配有功率因数校正装置，目前常用的是分组投切的并联电容器。电容器的无功补偿量的大小与接入点电压的平方成正比，当系统电压水平较低时，并联电容器的无功补偿量迅速下降，导致风电场对电网的无功需求上升，进一步恶化电压水平，严重时会造成电压崩溃风电场运行过度依赖系统无功补偿，限制了电网运行的灵活性。例如：蒙西塔拉地区500千伏无功补偿设备停运时，220千伏系统电压最高升至257千伏。

风机抗扰动能力差，影响电网安全运行。由于异步发电机的功率恢复特性，当电网发生短路故障时，若故障排除不及时，也将容易导致暂态电压失稳。另一方面，随着风电场规模的不断扩大，风电场在系统中所占的比例不断增加，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着，严重情况下，将会使系统失去动态稳定性，导致整个系统的瓦解。

导致事故范围扩大。在系统发生小扰动时，风电机组退出运行，使电网承受第二次冲击，导致事故扩大。2008~2009年吉林白城电网风电场相邻10千伏和66千伏配电系统故障时，风电机组均发生大面积脱网，多次造成220千伏母线电压及省间联络线潮流越限，给系统运行带来了较大冲击。

增加了电网遭受冲击的频率及次数。甘肃捡财塘和河南清源风电场自投产运行以来，受电铁和冶金等大型用户的影响，频繁因三相电压不平衡(未超过国家标准限值)保护动作发生风电机组跳闸停机，使电网频繁遭受冲击。

风电的的间歇性，随机性增加了电网稳定运行的潜在风险。风电引发的潮流多变，增加了有稳定限制的送电断面的运行控制难度;风电发电成分增加，导致在相同的负荷水平下，系统的惯量下降，影响电网动态稳定;风电机组在系统故障后可能无法重新建立机端电压，失去稳定，从而引起地区电网的电压稳定破坏。

总体趋势：我国正处于风电建设的高峰期，风电所占比例还将进一步增加，目前面临的局限性、时段性矛盾可能转化为全局性，经常性矛盾，成为影响电网安全未定运行的重要因素。

2. 大规模风电并网技术问题

2.1. 风电场联网方式和输电规划

风电场联网方式包括接入电网的联网点电压、联网点位置、联网风电规模、交流/直流联网等。根据目前国外和国内的研究成果，这与接入电网的规模、旋转备用、储能系统配置等均有关，这是一个可再生能源与电网的规划问题，目前国内主要依靠仿真软件：电力系统分析综合程序(PSASP)实现。

电力系统分析综合程序(PSASP)简介

电力系统分析综合程序是一套具有高度集成性、开放性和自主知识产权的大型软件包。PSASP与Excel、AutoCAD、MATLAB等通用的软件包分析工具有方便的接口，可充分利用其他软件包的资源。该软件在我国高校研究人员和电力系统现场都有广泛应用。PSASP的功能主要有稳态分析、故障分析和机电暂态分析。稳态分析包括潮流分析、网损分析、最优潮流和无功优化、静态安全分析、谐波分析和静态等值等。故障分析包括短路计算、复杂故障计算及继电保护整定计算。机电暂态分析包括暂态稳定计算、电压稳定计算、控制参数优化等。

输电规划问题主要指大规模风电的长距离、弱连接的远距离输电、海上风电并网，以及电力市场情况下风电跨区交易问题。

风力发电机的并网控制直接影响到风力发电机能否向电网输送电能以及机组是否受到并网时冲击电流的影响。并网控制装置有软并网、降压运行和整流逆变三种方式。

软并网装置：异步发电机直接并网时，其冲击电流达到额定电流的6～8倍，为了减少直接并网时产生的冲击电流及接触器的投切频率，在风速持续低于启动风速一段时间后，风力发电机才与电网解列，在此期间风力发电机处于电动机运行状态，从电网吸收有功功率。

降压运行装置：软并网装置只在风力发电机启动时运行，而降压运行装置始终运行，控制方法也比较复杂。该装置在风速低于风力发电机的启动风速时将风力发电机与电网切断，避免了风力发电机的电动运行状态。

整流逆变装置：整流逆变是一种较好的并网方式，它可以对无功功率进行控制，有利于电力系统的安全稳定运行，缺点是造价高。随着风电场规模的不断扩大和大功率电力电子设备价格的降低，将来这种并网装置可能会得到广泛的应用。

风电场接入电力系统的方案主要由风电场的最终装机容量和风电场在电网所处的位置(即：距离电网区域变电站的远近)来确定。

图4：风电场并网连接图

2.2. 风电场联网对电网的影响

风资源的不确定性和风电机组本身的运行特性，使风电机组的输出功率是波动的，可能影响电网的电能质量，如电压偏差、电压波动和闪变、谐波等。电压波动和闪变是风力发电对电网电能质量的主要负面影响之一。

风力发电引起的电压波动和闪变采用静止无功补偿器和感性储能装置来减小，但由于风资源的不确定性、风电机组单机容量不断增加，风力发电引起的电压波动和闪变还有待进一步研究。

目前并网风电场的容量还比较小，在电力系统保护配置和整定计算时往往没有考虑风电场的影响，而是简单地将风电场认为是一个负荷，不考虑其提供短路电流。然而，当大规模的风电场接入系统后，在电网发生故障时风力发电机组将向短路点提供一定的短路电流。在此情况下如果系统保护配置和整定仍不考虑风电场的影响是不合理的，实际运行时可能导致保护的误动。

风电场对系统继电保护将产生一定的影响，在进行系统继电保护的配置和整定时，应该计及风电场提供的短路电流，具体应按照如下原则来考虑：

如果保护动作很快(小于5个周波)，则必须考虑风电短路电流对保护的影响。保护的配置和整定必须按双电源来考虑，必要时还需加装方向保护。

当保护动作时间大于5个周波，可以不考虑风电短路电流对电流保护的影响。因为风电短路电流衰减很快，保护从时间上已经躲过。

风电场的运行和维护水平与国外风电场及国内火电厂的运行相比有明显的差距，缺乏对运行过程中出现的问题和故障的详细记录和分析。现在，我国政府及与风电有关的研究、开发、运行和生产部门已认识到这些问题，并采取了很多措施，不久的将来将会迎来我国风电发展的一个新的飞跃。

为了避免全国范围内大型风电基地大规模外送的无序性，国家有关部门已经结合特高压电网规划，按照分区消纳的原则，统筹协调七个千万千瓦级风电基地的主要外送方向：

• 1)江苏省是我国的负荷中心地区，建议实现风电就地消纳;

• 2)河北北部风电分布相对分散，本地消纳能力有限，可在京津唐、河北、山东等电网消纳;

• 3)蒙东风电主要送往东北电网与华北电网消纳，蒙西风电初期可考虑在华北电网消纳，远期还可以考虑外送至华中;

• 4)吉林风电主要在东北电网内消纳;

• 5)考虑到西北电网消纳部分、但能力有限，新疆、甘肃风电可送往华东及华中地区消纳。

结束语：

随着技术的不断更新，风力发电为代表的可再生能源必将得到大规模应用，削减其随机波动特性，提升其并网容量比例，使传统的水火互补转变为多能源协同互补，加快了世界能源结构的优化。