大規(guī)模風(fēng)電接入對電力系統(tǒng)電能質(zhì)量和繼電保護的影響

劉建超

摘要：在電網(wǎng)建設(shè)中，將風(fēng)電系統(tǒng)應(yīng)用其中，這給清潔能源的使用效率帶來了重要的保證，不過其在應(yīng)用過程中也使傳統(tǒng)電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量產(chǎn)生了一定的變化，為此本文筆者將詳細探討風(fēng)電接入對電力系統(tǒng)電能質(zhì)量以及繼電保護的影響，并對其中存在的問題提出合理的解決措施，以此促進我國風(fēng)電建設(shè)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電系統(tǒng)；電力系統(tǒng)；繼電保護

在電網(wǎng)建設(shè)中，使用新能源進行電能的輸送可以有效的緩解我國的能源危機，但同時也為電力系統(tǒng)的運行帶來了新的挑戰(zhàn)。下文就將闡述風(fēng)電接入對電力系統(tǒng)運行帶來的影響，并對其中存在的問題進行合理的改進。

1 風(fēng)力發(fā)電的特征及其發(fā)展狀況

為了緩解我國能源匱乏的情況，我國加大了風(fēng)力發(fā)電技術(shù)使用效率，根據(jù)近幾年數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，我國風(fēng)電并網(wǎng)裝機容量已經(jīng)躍居全球第二位，為提升能源利用效率，滿足現(xiàn)今對電能的需求提供了重要的保證。風(fēng)力發(fā)電具有的明顯特征為：首先，隨著裝機數(shù)量的逐年增長，其在我國電能傳輸中占有較大的比例；其次單一風(fēng)電場裝機容量不斷增大；再次，風(fēng)電接入使電網(wǎng)內(nèi)的電壓等級逐漸升高；最后，隨著風(fēng)電機組樣式的增多，單機容量也在快速的擴展。不過在風(fēng)能的使用過程中，由于其自身具有隨機性、間歇性以及不穩(wěn)定性等特點，一旦風(fēng)電裝機容量超過限定的電網(wǎng)容量時，將會對電網(wǎng)運行的安全和穩(wěn)定帶來嚴重的影響，進而導(dǎo)致電力系統(tǒng)故障的產(chǎn)生，增加了電能傳輸?shù)奈ｋU性。

2 風(fēng)電接入對電能質(zhì)量的影響

2.1 電壓存在偏差

風(fēng)力發(fā)電機組在運行過程中，需要從系統(tǒng)中吸收大量的無功功率，進而導(dǎo)致風(fēng)電場內(nèi)的電壓處于較低的狀態(tài)下，如果該區(qū)域內(nèi)的電壓等級相對較低，且系統(tǒng)容量較小，其電壓將會更低，需要將極端電容器并聯(lián)，這樣才能更好的進行無功補償。

2.2 電壓出現(xiàn)波動和閃變的現(xiàn)象

波動和閃變的情況主要是由兩種因素導(dǎo)致的：一是由于功率波動引起的。而功率的波動則是由于風(fēng)速的變化、塔影效應(yīng)以及風(fēng)力機自身的性能所導(dǎo)致的。二是操作切換造成的。其中最為明顯的影響因素就是風(fēng)電機組的啟動、暫停以及發(fā)電機切換作業(yè)，這些操作會導(dǎo)致輸出功率存在相應(yīng)的變動，進而使共聯(lián)點的電壓出現(xiàn)變動，造成波動和閃變的情況。

2.3 諧波

諧波的的產(chǎn)生途徑主要可以分為以下兩種情況：

1）由于風(fēng)力發(fā)電機自身的電力電子配置導(dǎo)致的；

2）風(fēng)力發(fā)電機中并聯(lián)補償容器與線路電抗發(fā)生諧振導(dǎo)致的。且在電力系統(tǒng)運行中，電壓波形都是以中心對稱的形式出現(xiàn)，因此不存在偶數(shù)諧波，都是奇數(shù)諧波。其中3、9次諧波可以利用變壓器的變速繞組進行有效的隔離；而11、13次諧波是電網(wǎng)中比重較輕的一種，因為其頻率過高，在傳輸過程中衰減的速度較快，故而可以忽略不計。電網(wǎng)中存在較多諧波的是5、7次諧波。所以在諧波管控過程中，需要結(jié)合諧波產(chǎn)生的數(shù)量，準確的計算公接入點上諧波電壓畸變和電流注入的數(shù)值，之后通過與規(guī)定數(shù)值對比的方式，確定其是否有超出的情況，一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)值超出原定值，需要采取有效的措施對其實行合理的控制，降低諧波的電流，保證系統(tǒng)運行的安全性。

3 電能質(zhì)量的改善措施

3.1 確保數(shù)值的標準性

風(fēng)電場公共連接點與電力調(diào)整期以及線路電抗之間的比例關(guān)系是影響電壓波動以及閃變的關(guān)鍵因素。其比例數(shù)值越大，風(fēng)力電阻機中電壓波動和閃變就越小。相反，如果其比例制在規(guī)定的范圍內(nèi)，那么無功功率將會對有功功率的電壓進行有效的補償，從而降低閃變的平均數(shù)值，保證電網(wǎng)安全運行。另外還可以通過設(shè)置相應(yīng)的電容器組，實現(xiàn)抑制電壓偏差和變動的效果。

3.2 提升電壓穩(wěn)定性

1）無功補償。為了確保大容量異步風(fēng)電場接入后電壓的穩(wěn)定性，可以采取加強無功補償效果的措施進行穩(wěn)固。另外，還可通過增大電容器補償功率的方式，來確保系統(tǒng)短路后電壓的穩(wěn)定性，或者利用動態(tài)無功補償設(shè)備的安裝，來為電壓的穩(wěn)定運行提供支持，從而改善系統(tǒng)運行的效率，保證電壓的穩(wěn)定。

2）雙饋異步發(fā)電機。該設(shè)備是現(xiàn)今風(fēng)力電場中使用最為廣泛的核心設(shè)備，其工作的原理為，將雙饋機組中的定子與電網(wǎng)實行有效連接，再將雙脈寬調(diào)制器同電網(wǎng)連線，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)子之間的交流勵磁，并利用坐標變換的方式，將轉(zhuǎn)子交流勵磁電流中的有功、無功功率進行解耦，以此達到有功功率與無功功率之間的靈活轉(zhuǎn)換，該設(shè)備可改善功率因數(shù)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3）儲能裝置。儲能裝置可以對有無功功率進行綜合的調(diào)節(jié)，從而提高響應(yīng)速度，加快轉(zhuǎn)換效率。另外該裝置還可以對有功功率和無功功率實行單獨的控制和調(diào)節(jié)工作，增強了功率輸出的靈活性，有效的降低了風(fēng)電場功率的波動現(xiàn)象，確保電壓的穩(wěn)定。

3.3 合理的調(diào)整保護裝置

首先在風(fēng)電接入過程中，要充分的了解風(fēng)電中故障點流動情況，進而設(shè)置合理的配電網(wǎng)保護措施，保證電網(wǎng)運行的安全；其次，在風(fēng)電場保護裝置的整定和配置時，須考慮風(fēng)電場與電網(wǎng)之間聯(lián)絡(luò)線的功率流向。目前通常的做法是，按照終端變電站的方案展開配置和整定工作。主要依靠配電網(wǎng)的保護來切除系統(tǒng)的故障，然后采用孤島保護、低電壓保護等措施，逐臺切除風(fēng)力發(fā)電機組，從而在故障期間斷開風(fēng)電場與系統(tǒng)的連接，而當(dāng)故障清除后，控制風(fēng)電場自動重新并網(wǎng)。不過該方式并不適用與大型的風(fēng)電接入操作，其會大大的降低系統(tǒng)的安全性和可靠性。

4 風(fēng)電對繼電保護的影響及其改進措施

4.1 影響

風(fēng)電接入后對電力系統(tǒng)的影響主要可以概括為以下三點內(nèi)容：首先對繼電保護裝置的影響。如果將風(fēng)電接入電力系統(tǒng)中，為了保證系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)，需要適當(dāng)?shù)恼{(diào)整升壓變壓器，使其接地。不過該項操作在一定程度上改變了聯(lián)絡(luò)線的零序保護，從而導(dǎo)致繼電保護裝置的靈敏度下降。同時，由于風(fēng)電場自身的能力較弱，無法保證整個系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)，因此需要安裝相應(yīng)的弱饋裝置，來提高電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。不過綜合考慮成本等各方面的因素，一些發(fā)電廠根本就不愿意安裝保護裝置，這就極有可能出現(xiàn)拒動的現(xiàn)象。

其次，為了保證大規(guī)模風(fēng)電接入的質(zhì)量和效果，在接入工作前，要先對設(shè)計的內(nèi)容進行審核和調(diào)整。目前，我國在進行風(fēng)電接入時，都是采用增加電壓，連接變電站母線的方式，實現(xiàn)電壓輸送工作的。其不會對配電網(wǎng)的保護措施構(gòu)成不良的影響。但是如果是大規(guī)模的風(fēng)電接入，很容易導(dǎo)致接入線路的保護措施出現(xiàn)不同程度的問題，進而造成斷電、跳閘等情況的發(fā)生。

最后，對電力運行穩(wěn)定性的影響。在我國實施風(fēng)力發(fā)電時，通常借助的是異步發(fā)電機，這就涉及到有功功率的發(fā)出問題。在這一過程中，需要從系統(tǒng)中吸收無功功率。而大規(guī)模風(fēng)電接入后，無功功率將會影響整個系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。另外，風(fēng)力發(fā)電的效果會隨著風(fēng)力的變化而變化，且不同規(guī)格及類型的發(fā)電機所產(chǎn)生的諧波也存在一定的差異，一旦出現(xiàn)設(shè)備更換情況將會嚴重的影響電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定性，進而使整個系統(tǒng)電壓不穩(wěn)。

4.2 改進措施

在大規(guī)模風(fēng)電接入作業(yè)時，為了保證電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性，需采取一系列的措施，有效的解決接入中存在的問題，保證電力系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。具體內(nèi)容為：

①充分考慮各方面的影響因素，提升系統(tǒng)設(shè)計的質(zhì)量。相關(guān)人員需要引進先進的技術(shù)，全面考量各方面因素的影響，合理的調(diào)整工作內(nèi)容，確保接入工作的正常運轉(zhuǎn)。比如說，輸電方式的選擇、保護配置的調(diào)控等，都需要有關(guān)人員制定合理的操作方案，減少損失的產(chǎn)生。

②明確風(fēng)電接入操作后跳閘情況的產(chǎn)生原因，并有針對性的制定合理的解決措施。這需要工作人員對零電壓穿越的時間進行有效的管理和控制，通常情況下，會將其持續(xù)的時間控制在3到5分鐘之內(nèi)，從而減少跳閘對大規(guī)模風(fēng)電接入的影響。

③充分利用保護聯(lián)跳措施。在風(fēng)電機使用之前，工作人員需要在兩側(cè)設(shè)置相應(yīng)的保護聯(lián)跳措施，以此保證在短路電流和繼電保護連接狀態(tài)下，實現(xiàn)電流的阻隔，以提升電力系統(tǒng)運行的安全性、穩(wěn)定性。另外，由于繼電保護對于用戶的電能使用有著直接的影響，一旦在電氣設(shè)備出現(xiàn)故障，繼電保護出現(xiàn)問題時，將會使電能輸送發(fā)生異常，為此工作人員在繼電保護設(shè)置時，應(yīng)利用故障快速切除的方式找出電氣設(shè)備中存在的問題，并提出合理的解決措施，減少問題的發(fā)生。而對于新建的風(fēng)電廠來說，可以使用電阻接地的方式解決問題，并根據(jù)實際情況設(shè)計相關(guān)的故障保護。

5 結(jié)語

在環(huán)保理念以及能源需求的影響下，我國正在不斷的加快風(fēng)電事業(yè)的發(fā)展速度，不過由于風(fēng)電接入對電網(wǎng)電能質(zhì)量以及繼電保護帶來了很多的制約，使得電力系統(tǒng)在運行過程中，出現(xiàn)了較多的問題和故障，嚴重的威脅了電能傳輸?shù)男屎桶踩?，因此，有關(guān)人員應(yīng)結(jié)合具體情況制定合理的保護過措施，從而提升風(fēng)電的安全性和可靠性，加強其余電力系統(tǒng)運行的配合效率，為我國電力行業(yè)的發(fā)展貢獻力量。

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