芻議風(fēng)力發(fā)電對(duì)電網(wǎng)的影響

張瑞鈺　陳明

摘 要：隨著節(jié)能環(huán)保理念的深入，各國(guó)在經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中更注重可再生能源的應(yīng)用。以風(fēng)能為典型代表，其在發(fā)電過(guò)程中以自身便于開(kāi)發(fā)、節(jié)能環(huán)保且資源量較為充足等優(yōu)勢(shì)被得到廣泛應(yīng)用，尤其規(guī)模較大的風(fēng)力發(fā)電廠在容量方面已突破百兆瓦。然而實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，區(qū)別于水電廠或火電廠，其往往因自身輸出功率變化較大，對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生一定影響。對(duì)此，本文主要對(duì)風(fēng)力發(fā)電的基本概述、電網(wǎng)受風(fēng)力發(fā)電的影響以及解決影響問(wèn)題的主要策略進(jìn)行探析。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；電網(wǎng)；影響；策略

前言：在風(fēng)電規(guī)模逐年擴(kuò)大的背景下，許多原有控制與調(diào)整電網(wǎng)運(yùn)行的電源被削弱，但風(fēng)電電源在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中在調(diào)壓、調(diào)頻等方面仍存在一定的不足，使電網(wǎng)運(yùn)行受到不同程度的影響。同時(shí)，風(fēng)力發(fā)電所輸出的功率也具有明顯的波動(dòng)情況，加上風(fēng)電場(chǎng)多在電網(wǎng)末梢進(jìn)行建設(shè)，不具備穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這樣便對(duì)電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重的影響。因此，對(duì)電網(wǎng)受風(fēng)力發(fā)電對(duì)影響分析具有十分重要的意義。

一、風(fēng)力發(fā)電的基本概述

（一）風(fēng)力發(fā)電的主要特征

現(xiàn)階段，風(fēng)力發(fā)電是各國(guó)面對(duì)環(huán)保問(wèn)題與能源需求問(wèn)題所采取的重要措施。實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中風(fēng)力發(fā)電對(duì)優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)主要表現(xiàn)在：作為可再生能源的風(fēng)能不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染；建設(shè)風(fēng)力發(fā)電廠時(shí)無(wú)需占用大面積土地且建設(shè)周期較短；風(fēng)力發(fā)電運(yùn)行中無(wú)需配備技術(shù)操作人員且易于維護(hù)。除此之外，風(fēng)力發(fā)電的應(yīng)用也存在一定不足之處，如能量密度較小、無(wú)法存儲(chǔ)大量風(fēng)能、風(fēng)力與風(fēng)向變化較為明顯以及風(fēng)輪機(jī)效率不高等。因此，風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)不容忽視，但其自身的不穩(wěn)定性對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行也會(huì)產(chǎn)生不利影響[1]。

（二）風(fēng)力發(fā)電的主要現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

我國(guó)風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展起步較早，已逐漸成為繼火電與水電發(fā)電后的另一發(fā)電電源。從20世紀(jì)80年代，并網(wǎng)發(fā)電中的總裝機(jī)容量便呈逐年上升趨勢(shì)，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2007年以前，裝機(jī)容量年平均增長(zhǎng)率高達(dá)30%以上，位居世界前列。且在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電也表現(xiàn)出一定的發(fā)展趨勢(shì)，如從技術(shù)角度，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(yīng)用過(guò)程中將集三片葉、管式塔以及水平軸等于一體，且在運(yùn)行方式上出現(xiàn)離散分散化以及并網(wǎng)運(yùn)行等。同時(shí)在風(fēng)電場(chǎng)選址方面，也不再局限于平坦地帶或內(nèi)陸地區(qū)，能夠適用于許多復(fù)雜地帶或沿海地區(qū)?？傮w發(fā)展方向更表現(xiàn)為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)、變速恒頻以及驅(qū)動(dòng)等方面將更加完善，如并網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中同步發(fā)電機(jī)、籠型異步發(fā)電機(jī)等也會(huì)在電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)起到更為突出的作用[2]。

二、電網(wǎng)受風(fēng)力發(fā)電的主要影響分析

相比一般能源電廠，風(fēng)力發(fā)電中采用的主要為異步發(fā)電機(jī)，有功功率輸出的情況下將使無(wú)功需求發(fā)生一定的變化，而且風(fēng)能自身具有明顯的不可控特征，在調(diào)度過(guò)程中無(wú)法將負(fù)荷大小作為主要依據(jù)，特別對(duì)于風(fēng)力資源較為豐富區(qū)域，電網(wǎng)大多表現(xiàn)為薄弱的現(xiàn)狀，這些因素都使電網(wǎng)的運(yùn)行受到影響，具體可從電能質(zhì)量、調(diào)度過(guò)程以及電網(wǎng)的有效運(yùn)行等方面進(jìn)行分析。

（一）從電能質(zhì)量角度

風(fēng)力發(fā)電對(duì)電能質(zhì)量產(chǎn)生影響主要體現(xiàn)在三方面，即：第一，風(fēng)力發(fā)電過(guò)程中所應(yīng)用的異步電動(dòng)機(jī)缺少相應(yīng)的勵(lì)磁裝置，而且實(shí)際并網(wǎng)前發(fā)電機(jī)組也不存在電壓，很容易在并網(wǎng)過(guò)程中受沖擊電流影響，相比額定電流，沖擊電流往往超出其五倍左右，這樣便使電網(wǎng)電壓出現(xiàn)下跌趨勢(shì)。第二，如前文對(duì)風(fēng)電機(jī)組的敘述，其在功率輸出方面具有明顯的波動(dòng)性，容易在發(fā)生塔影、尾流、湍流等效應(yīng)后對(duì)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行產(chǎn)生影響，如常見(jiàn)的電壓脈動(dòng)、電壓諧波等問(wèn)題，這些問(wèn)題都不利于電網(wǎng)電能質(zhì)量的提高。第三，現(xiàn)階段風(fēng)力發(fā)電中的變速風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中多會(huì)引用相應(yīng)的變頻設(shè)備，電壓波形會(huì)在設(shè)備運(yùn)行中產(chǎn)生的諧波等影響下發(fā)生畸變。

（二）風(fēng)力發(fā)電影響電網(wǎng)調(diào)度過(guò)程

我國(guó)目前大多風(fēng)能資源較為豐富的地區(qū)，本身存在較小的負(fù)荷量以及薄弱的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)等特征，這就使風(fēng)力發(fā)電中輸入功率對(duì)電網(wǎng)潮流分布進(jìn)行改變，極易影響電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓。同時(shí)風(fēng)能自身不可控的特征更表現(xiàn)為風(fēng)速狀況是決定發(fā)電量與發(fā)電狀態(tài)的重要因素，而風(fēng)速又具有明顯的間歇性特征，這就導(dǎo)致發(fā)電量不穩(wěn)定。同時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)得以有效運(yùn)行要求調(diào)峰容量足夠且做好備用電源的預(yù)留工作，但風(fēng)力發(fā)電受風(fēng)速狀況以及風(fēng)向等影響不夠穩(wěn)定，對(duì)前期的調(diào)度安排工作造成一定影響。

（三）從電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行角度

大多電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)過(guò)程中，很少將電網(wǎng)末端進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)所帶來(lái)的問(wèn)題進(jìn)行分析，容易使潮流分布與方向受配電網(wǎng)功率流動(dòng)影響而發(fā)生一定的變化，這樣電網(wǎng)電壓將會(huì)超出風(fēng)電場(chǎng)的安全范圍，電壓可能存在崩潰現(xiàn)象。同時(shí)，風(fēng)力發(fā)電中若將大規(guī)模電量同時(shí)向電網(wǎng)中注入，可能使電網(wǎng)頻率、暫態(tài)等穩(wěn)定性受到一定影響。另外，風(fēng)力發(fā)電的不穩(wěn)定性特征也表現(xiàn)在自身的短路電流方面，若電網(wǎng)中的設(shè)備如開(kāi)關(guān)或變電站母線等在短路電流超出遮斷容量后，也不利于電網(wǎng)的安全運(yùn)行[3]。

三、解決風(fēng)力發(fā)電影響電網(wǎng)運(yùn)行問(wèn)題的策略

（一）合理設(shè)計(jì)風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模

風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模設(shè)計(jì)過(guò)程中首先應(yīng)考慮到自身的短路容量問(wèn)題，根據(jù)以往學(xué)者提出的短路容量比，即通過(guò)判斷風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行中的額定容量與電網(wǎng)短路容量二者的比值，使風(fēng)力發(fā)電輸入功率在節(jié)點(diǎn)電壓作用下的變化情況進(jìn)行反映，在比值較小的情況下可說(shuō)明電網(wǎng)具備較強(qiáng)的抗風(fēng)電場(chǎng)干擾能力。對(duì)于電網(wǎng)電壓穩(wěn)定以及電壓質(zhì)量判斷，許多西方發(fā)達(dá)國(guó)家目前在短路比數(shù)據(jù)方面要求控制在4%左右。除此之外，設(shè)計(jì)中還需考慮到穿透功率問(wèn)題，其主要指電力系統(tǒng)運(yùn)行中能夠承受的裝機(jī)容量，設(shè)計(jì)時(shí)可參照西方國(guó)家的具體數(shù)據(jù)，將風(fēng)電規(guī)?？刂圃?0%左右穿透功率指標(biāo)，便可使電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

（二）對(duì)電能質(zhì)量的改善措施

電能質(zhì)量得以改善首先應(yīng)逐步完善電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，可根據(jù)產(chǎn)生電壓閃變以及波動(dòng)情況的因素，如電網(wǎng)線路X/R比或風(fēng)電機(jī)組短路容量比等，對(duì)容量比以及X/R比進(jìn)行提高以起到抑制閃變或波動(dòng)的作用。其次需對(duì)并網(wǎng)方式進(jìn)一步改善，并網(wǎng)時(shí)可選用軟啟動(dòng)裝置，可使電網(wǎng)受風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)的沖擊得以削弱，根據(jù)電網(wǎng)額定調(diào)流，將沖擊電流保持在其1.2-1.5倍左右較為適中。最后，引入現(xiàn)代較為先進(jìn)的補(bǔ)償裝置，如APF、SVC等對(duì)電壓的閃變進(jìn)行抑制的同時(shí)，也有利于提高電壓穩(wěn)定性。

（三）改進(jìn)保護(hù)裝置

改進(jìn)電網(wǎng)保護(hù)裝置過(guò)程中應(yīng)將風(fēng)力發(fā)電中的故障電流問(wèn)題進(jìn)行分析，并在整定風(fēng)電場(chǎng)繼電保護(hù)設(shè)備過(guò)程中做好電網(wǎng)與風(fēng)電場(chǎng)功率流向的分析。具體實(shí)踐過(guò)程中應(yīng)根據(jù)當(dāng)前變電站的設(shè)計(jì)方案，結(jié)合配電網(wǎng)保護(hù)將存在的故障問(wèn)題進(jìn)行切除，對(duì)于風(fēng)電機(jī)組可直接利用低電壓或孤島保護(hù)使風(fēng)電機(jī)組得以切除，這樣在清除所有故障問(wèn)題后，風(fēng)電場(chǎng)可自行完成并網(wǎng)過(guò)程[4]。

結(jié)論：風(fēng)力發(fā)電是現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保目標(biāo)的重要途徑。但實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中也可能對(duì)電網(wǎng)造成一定的影響，要求正確認(rèn)識(shí)風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn)以及我國(guó)風(fēng)力發(fā)電的主要趨勢(shì) ，從風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模設(shè)計(jì)、電能質(zhì)量的改善以及保護(hù)裝置的改進(jìn)等方面使電網(wǎng)運(yùn)行中風(fēng)力發(fā)電的影響控制至最低程度，并網(wǎng)性能也因此得到提高，為風(fēng)力發(fā)電企業(yè)以及我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)奠定良好基礎(chǔ)。

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