風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)的影響

孟暢　劉天羽　朱俊

摘 要：隨著電力系統(tǒng)中風(fēng)力發(fā)電的快速發(fā)展，越來(lái)越多的風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)始接入電壓等級(jí)更高的電網(wǎng)。風(fēng)電的大規(guī)模接入對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行造成了諸多影響，比如影響電網(wǎng)的安全性、調(diào)峰調(diào)頻、電能質(zhì)量等。這些問(wèn)題不僅影響到了大電網(wǎng)的安全運(yùn)行，還制約著電網(wǎng)接納風(fēng)電。探究了風(fēng)電并入電網(wǎng)后造成的影響，在電能質(zhì)量和電網(wǎng)穩(wěn)定性?xún)煞矫孢M(jìn)行了分析，并對(duì)提出了解決方案。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；風(fēng)電并網(wǎng)；電能質(zhì)量；電網(wǎng)穩(wěn)定性

中圖分類(lèi)號(hào)：TM614 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.16.017

1 風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀

隨著世界經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源危機(jī)和環(huán)境污染正日益困擾著人類(lèi)的生產(chǎn)和生活。為了解決能源短缺問(wèn)題，人們開(kāi)始將目光投向取之不盡的清潔能源——風(fēng)能。風(fēng)力發(fā)電自20世紀(jì)80年代開(kāi)始，受到了歐美各國(guó)的重視，各國(guó)政府都積極尋求替代化石燃料的新能源。由于風(fēng)電與其他新能源相比其技術(shù)更加成熟，且具有更高的成本效益和資源有效性，因此，風(fēng)電發(fā)展不斷超越著其預(yù)期的發(fā)展速度，一直保持著世界上增長(zhǎng)最快的能源地位。

根據(jù)全球風(fēng)能理事會(huì)（Global Wind Energy Council）的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2014年新增裝機(jī)容量超過(guò)50 GW大關(guān)，與2013的35.7GW相比增長(zhǎng)47%.圖1為截至2014年，全球新增和累計(jì)裝機(jī)容量。從圖1中可以看出，全球的累計(jì)裝機(jī)容量一直保持較快的增長(zhǎng)。

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)得到了快速的發(fā)展。在《可再生能源法》、風(fēng)電設(shè)備70%國(guó)產(chǎn)化率的要求、風(fēng)電特許權(quán)示范項(xiàng)目等的支持下，我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)在短短的幾年之內(nèi)實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展，已經(jīng)躋身全球風(fēng)電發(fā)展的前列。根據(jù)中國(guó)風(fēng)能協(xié)會(huì)（China Wind Energy Association ）的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量截至2014年已經(jīng)達(dá)到114.6 GW，占全球風(fēng)電市場(chǎng)的31%，位列世界第一。圖2為我國(guó)風(fēng)電歷年新增和累計(jì)裝機(jī)容量。

2 風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電能質(zhì)量的影響

2.1 電壓變動(dòng)和閃變問(wèn)題

由于風(fēng)速具有隨機(jī)性和間歇性，且考慮到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組本身的固有特性，因此，風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率會(huì)隨著這些特性的影響而改化，進(jìn)而引發(fā)電壓波動(dòng)和閃變現(xiàn)象。電壓波動(dòng)和閃變是指電壓幅值在一定范圍內(nèi)有規(guī)則地變動(dòng)時(shí)，電壓的最大值與最小值相對(duì)額定電壓的百分比，或電壓幅值不超過(guò)0.9～1.1 p.u.的一系列變化。這種電壓變化稱(chēng)為閃變，以表達(dá)電壓波動(dòng)對(duì)照明燈的視覺(jué)影響。數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在變動(dòng)的風(fēng)速的作用下，其功率輸出具有變動(dòng)的特性，可能引發(fā)所接入系統(tǒng)的某些節(jié)點(diǎn)的電壓變動(dòng)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行引起的電壓變動(dòng)源于波動(dòng)的功率輸出，而輸出功率的變動(dòng)主要是因風(fēng)速的快速變動(dòng)以及塔影效應(yīng)、風(fēng)剪切、偏航誤差等引起的。

為了有效控制風(fēng)電場(chǎng)接入閃爍干擾值的公共連接點(diǎn)的波動(dòng)和閃變問(wèn)題，在風(fēng)力發(fā)電廠接入公共連接點(diǎn)處的閃變干擾值必須滿(mǎn)足電能質(zhì)量，滿(mǎn)足GB 12326—2000中的要求。此外，風(fēng)電廠必須根據(jù)短期和長(zhǎng)期計(jì)劃進(jìn)行適當(dāng)?shù)陌才牛仨毎凑诊L(fēng)力發(fā)電廠裝機(jī)的總?cè)萘颗c供電公共連接點(diǎn)干擾源的總?cè)萘恐g的比值進(jìn)行相應(yīng)安排。

2.2 電壓偏差問(wèn)題

電壓偏差是指電力系統(tǒng)各處的電壓允許偏離其額定值的百分比，即：

電力系統(tǒng)中的負(fù)荷以及發(fā)電機(jī)組的出力隨時(shí)會(huì)發(fā)生變化，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)會(huì)隨著運(yùn)行方式的改變而改變。這些因素都將引起電力系統(tǒng)功率的不平衡。系統(tǒng)無(wú)功功率不平衡是電壓偏差的根本原因。

恒速風(fēng)電機(jī)組在投入運(yùn)行時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)輸出的有功功率與無(wú)功功率存在函數(shù)關(guān)系。當(dāng)其輸出有功功率P增加時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)吸收無(wú)功功率Q也會(huì)增加。因此，必然引起電壓的波動(dòng)，造成電壓偏差。由于變速風(fēng)電機(jī)組構(gòu)成的風(fēng)電場(chǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)有功和無(wú)功的解偶控制，所以，風(fēng)電場(chǎng)與電網(wǎng)之間不會(huì)發(fā)生無(wú)功功率的交換。但當(dāng)變速機(jī)組出力較高時(shí)，傳輸有功功率在線路上消耗的無(wú)功功率也可能會(huì)造成電壓下降，進(jìn)而引起電壓偏差。

針對(duì)電壓偏差的問(wèn)題，可以通過(guò)調(diào)整中樞點(diǎn)的電壓、調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)端的電壓以及變壓器調(diào)壓等方式來(lái)解決，這些措施的主要作用是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。

2.3 諧波問(wèn)題

無(wú)論何種類(lèi)型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，風(fēng)電機(jī)本身產(chǎn)生的諧波是可以忽略的，諧波電流的真正來(lái)源是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的電力電子元件。由于定速風(fēng)電機(jī)組在連續(xù)運(yùn)行過(guò)程中沒(méi)有電力電子元件的參與，因此，基本不產(chǎn)生諧波。當(dāng)機(jī)組進(jìn)行投切操作時(shí)，軟并網(wǎng)裝置處于工作狀態(tài)，會(huì)產(chǎn)生諧波電流，但由于投切的過(guò)程較短，此諧波注入可以忽略。變速風(fēng)電機(jī)組則采用大容量的電力電子元件，并網(wǎng)后變流器始終處于工作狀態(tài)，因此，應(yīng)當(dāng)考慮變速風(fēng)電機(jī)組的諧波注入問(wèn)題。諧波不是固定的，是隨著用電環(huán)境而變化的，加之配電網(wǎng)具有的復(fù)雜性，很有可能將諧波電流放大產(chǎn)生諧振，這將對(duì)電力系統(tǒng)造成極大的危害。

諧波問(wèn)題不僅會(huì)對(duì)電場(chǎng)造成極大的影響，還會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)造成嚴(yán)重的損害。因此，應(yīng)做好對(duì)新能源發(fā)電中諧波電流的控制。當(dāng)發(fā)電廠利用電力電子轉(zhuǎn)換器發(fā)電機(jī)組時(shí)，要做好對(duì)電場(chǎng)注入系統(tǒng)的諧波電流相應(yīng)的抑制措施，諧波注入電流需要滿(mǎn)足GB/T 14549中的要求。在使用新能源發(fā)電的過(guò)程中，應(yīng)盡量避免采用單一的發(fā)電機(jī)，這樣會(huì)使局部諧波電壓過(guò)高，進(jìn)而對(duì)發(fā)電系統(tǒng)造成一定的威脅；盡量采用不同種類(lèi)型的發(fā)電機(jī)混合配置，以有效控制諧波電流，促進(jìn)新能源發(fā)電的安全、有效運(yùn)行。

3 風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響

目前，世界上主流的發(fā)電機(jī)組的額定容量一般為1.5～3 MW，單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的最大額定容量可達(dá)7 MW，風(fēng)電場(chǎng)具有更大的裝機(jī)容量。隨著風(fēng)電裝機(jī)容量在各個(gè)國(guó)家電網(wǎng)中所占的比例越來(lái)越大，對(duì)電網(wǎng)的影響范圍從局部逐漸擴(kuò)大。

3.1 電壓穩(wěn)定性問(wèn)題

電壓穩(wěn)定性是指電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行中受到擾動(dòng)后，維持系統(tǒng)中所有母線電壓在可接受水平的能力。當(dāng)系統(tǒng)遭遇擾動(dòng)，負(fù)荷的用量增加或改變系統(tǒng)條件時(shí)，引起電壓連續(xù)的并趨向于失控的衰減，系統(tǒng)由此進(jìn)入電壓不穩(wěn)定的狀態(tài)。引起不穩(wěn)定的根本原因是電力系統(tǒng)的無(wú)功功率無(wú)法滿(mǎn)足需求。這可能是因負(fù)荷的變動(dòng)而引起的，也可能是因聯(lián)絡(luò)線上的功率過(guò)大，超過(guò)了自然功率，進(jìn)而導(dǎo)致線路中無(wú)功損耗急劇增大。

目前，國(guó)內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)通常采用無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆绞?，即在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組出口安裝并聯(lián)電容器組來(lái)保證系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定。由于并聯(lián)電容器補(bǔ)償通過(guò)電容器組的投切實(shí)現(xiàn)，調(diào)節(jié)特性呈階梯性，補(bǔ)償效果受限于電容器組數(shù)及每組電容，響應(yīng)速度慢，無(wú)法對(duì)無(wú)功進(jìn)行平滑調(diào)節(jié)。因此，電力系統(tǒng)中常用無(wú)功補(bǔ)償器（SVC）、靜態(tài)同步補(bǔ)償器（STACOM）等動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備控制電網(wǎng)暫態(tài)電壓。

3.2 頻率穩(wěn)定性的問(wèn)題

電力系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性是指系統(tǒng)因發(fā)生了較大擾動(dòng)，比如發(fā)電機(jī)停機(jī)、甩負(fù)荷等，而出現(xiàn)了有功功率不平衡的現(xiàn)象時(shí)，在自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置的作用下，全系統(tǒng)頻率或解列后的子系統(tǒng)頻率能保持在允許范圍內(nèi)或不降低至危險(xiǎn)值以下的能力。要想整個(gè)電力系統(tǒng)在一個(gè)同步的頻率下運(yùn)行，則產(chǎn)生的電能和消耗的電能必須是平衡的。頻率反映了整個(gè)系統(tǒng)中能量的產(chǎn)生和消耗是否平衡。如果電力系統(tǒng)中發(fā)出的電能過(guò)剩，同步發(fā)電機(jī)將加速，系統(tǒng)頻率提升；反之，發(fā)電機(jī)將減速，系統(tǒng)頻率下降。

不同類(lèi)型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)不同，接入電網(wǎng)后對(duì)電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響也不盡相同。恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用感應(yīng)發(fā)電機(jī)將風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，此類(lèi)型的發(fā)電機(jī)組的頻率控制和電壓調(diào)節(jié)比較困難。然而，由于轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)頻率之間通過(guò)變速箱具有了耦合關(guān)系，當(dāng)系統(tǒng)頻率下降時(shí)，能向電網(wǎng)提供慣性響應(yīng)，響應(yīng)的大小由儲(chǔ)存在轉(zhuǎn)子上的能量和頻率的變化率來(lái)決定。在變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，直驅(qū)式同步發(fā)電機(jī)風(fēng)電機(jī)組可將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，并通過(guò)電力電子裝置并入電網(wǎng)?；陔p饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)（DFIG）風(fēng)電機(jī)組，其定子側(cè)可直接接入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子側(cè)可通過(guò)電力電子裝置接入電網(wǎng)。大量電力電子裝置的使用使變速風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械功率和電磁功率解耦，當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生變化時(shí)，無(wú)法向系統(tǒng)提供任何慣性響應(yīng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要對(duì)風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)后所引起的電能質(zhì)量問(wèn)題和系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行了分析和探究。風(fēng)能作為一種清潔的新能源，對(duì)我們社會(huì)的發(fā)展與環(huán)境保護(hù)具有重大的意義。然而，在利用風(fēng)能發(fā)電的過(guò)程中，仍存在一些問(wèn)題亟待解決。只有更好地解決輸電配電問(wèn)題，才能為用戶(hù)提供更高質(zhì)量的電能。只有這樣，風(fēng)電行業(yè)才能在今后的電力產(chǎn)業(yè)中走得更遠(yuǎn)。

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〔編輯：張思楠〕