風電場并網(wǎng)對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響分析

潘翀

（中國水電工程顧問集團有限公司云南分公司，云南 昆明 650051）

隨著城市化進程的不斷加快，能源資源的短缺問題愈發(fā)嚴重，在這種情況下，相關人員應積極樹立良好的環(huán)保意識，將電場發(fā)電由以往傳統(tǒng)的燃煤手段開始向新能源的方向過渡轉(zhuǎn)變，如太陽能、風能，將其作為發(fā)電的原動力，不但能實現(xiàn)對資源的充分利用，還能達到環(huán)保節(jié)約的成效。然而在此期間，雖然風電場電網(wǎng)電能的輸運比例在持續(xù)增加，但并網(wǎng)方式對電網(wǎng)電能質(zhì)量帶來的影響也非常突出，并對風力發(fā)電有著一定的制約作用，需要相關的專業(yè)人士開深入的研究分析。

1 關于風電場運行特點的簡要分析

1.1 風力發(fā)電流程

風機葉片在風力作用下帶動齒輪箱旋轉(zhuǎn)運行，使風能漸漸轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，而輪轂也在機械能轉(zhuǎn)變期間，順利將轉(zhuǎn)子機械能傳遞給發(fā)電機的轉(zhuǎn)子中，進而帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，使發(fā)電機順利地發(fā)電運行，再通過變電站將電能全部并入到電網(wǎng)中提供用戶使用，見圖1。

圖1 風力發(fā)電流程圖

1.2 風電場的運行特點

由上文了解到，風力發(fā)電主要是以風能為運行原動力，既能實現(xiàn)對自然領域資源的充分利用，又能具備零污染排放的優(yōu)勢，并且無論是占地面積，還是施工進度都能達到預期理想效果。但是同時也存在一定的不足之處，即為風速、風向無法通過人為手段對其有效控制，所以常常會使風電場的輸出功率存在著嚴重的波動性特點，甚至在并入電網(wǎng)后，也會使電網(wǎng)的運行極其不穩(wěn)定。

2 風電場并網(wǎng)對電網(wǎng)電能質(zhì)量影響的分析

根據(jù)相關的調(diào)查顯示，因受到風力大小、電網(wǎng)系統(tǒng)布局及風能分布等綜合性因素的影響，導致風電場電能輸出往往普遍存在著波動性和間歇性的問題，若處于容量較小風電場環(huán)境下，這種情況可直接忽略，但若風電場的總體容量較大，則相應電網(wǎng)占據(jù)的比重也較大，那么這種不穩(wěn)定的電能輸出，可能對電網(wǎng)的電能質(zhì)量所產(chǎn)生的影響不容忽視，具體體現(xiàn)在以下幾方面。

2.1 對電網(wǎng)頻率的影響

基于風電場建設規(guī)模不斷擴大的背景下，向電網(wǎng)運行輸送的電能資源也在持續(xù)增加，進而因受到功率波動影響，可能對電網(wǎng)頻率帶來威脅的影響更加明顯，一旦電網(wǎng)運行系統(tǒng)遭到干擾破壞，電網(wǎng)電壓便會迅速下降，甚至可能致使穿透性能較差的風電機組停止運行。在這種情況下，風電場并網(wǎng)實行就尤為重要，不僅使其擁有不同于其他常規(guī)型號機組的較強的頻率響應性能，還能具備良好的跟蹤調(diào)節(jié)和挽救電網(wǎng)頻率波動的能力。此外，出于對風電運行輸電波動隨機性的充分考慮，往往在無風或風速較小的情況下，電網(wǎng)頻率將會大幅度下降，進而對電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定運行帶來不利影響，因此這就需要相關工作人員能夠切實增大電網(wǎng)運行系統(tǒng)的容量，并從中選擇較為適宜的優(yōu)化調(diào)度的運行模式。

2.2 對電網(wǎng)沖擊影響

基于當前的實際情況來看，風電場運行期間使用頻率最高的發(fā)電設備便是異步電機，并且在并網(wǎng)操作期間，需充分滿足速度同步條件，方能實現(xiàn)并網(wǎng)。但同時異步電機也存在一定隱患，如因異步電機缺少相對獨立的勵磁結(jié)構(gòu)，且并網(wǎng)前電壓會全部歸零，并網(wǎng)后若想達到一個標準的穩(wěn)定電壓狀態(tài)，也需經(jīng)過一個過程，在此期間會逐漸產(chǎn)生額定電流在6～8倍之間的沖擊電流，在經(jīng)過幾百ms和幾s后方能趨于穩(wěn)定狀態(tài)。此外，若風電場并網(wǎng)處于容量較大的系統(tǒng)中，沖擊電流可能對電網(wǎng)運行帶來的影響可完全忽略不計，但若風電場并網(wǎng)處于容量較小的系統(tǒng)中，形成的沖擊電流將會使電網(wǎng)電壓驟停，甚至可能對其他設備的正常使用帶來不利影響。

2.3 對短路電流的影響

由上文可知，風電場實際運行期間采用的儀器設備是異步電機，往往其在具體運行期間必定會受自身電動作用影響而向短路傳送短路電流，極大增加了電網(wǎng)運行系統(tǒng)電路的電流數(shù)值。同時風電機組并網(wǎng)可能對電網(wǎng)潮流所帶來的影響也不容忽視，如風速、電機的實際運行情況等，都有可能引發(fā)風電機組出現(xiàn)脫網(wǎng)運行的狀態(tài)，甚至出現(xiàn)變化或轉(zhuǎn)移。在此期間還需注意，如果風電機組并不具備低壓穿透性能，那么在故障發(fā)生期間，也可能出現(xiàn)脫網(wǎng)現(xiàn)象，進而影響到電網(wǎng)電能的整體質(zhì)量。此外，風電場并網(wǎng)還有可能對諧波產(chǎn)生影響，一般諧波主要是由鐵磁飽和設備、電弧設備及電子開關設備等共同組合而成，基于風電機組的角度來看，發(fā)電機自身所具備的諧波可以忽略，諧波電流的真正來源為風電機組中的電力電子元件；而對于定速風電機組來說，若其全程并不存在電力電子元件設備，那么風電機組在運行期間將不會產(chǎn)生諧波，這時就需要在風電機組的運行期間，工作人員將軟并網(wǎng)裝置安裝其中，以便能產(chǎn)生諧波電流。

3 風電場并網(wǎng)對電網(wǎng)電能質(zhì)量影響的改進措施

隨著社會經(jīng)濟水平和科學技術(shù)的不斷提升，風電場逐漸開始向智能化、現(xiàn)代化的方向轉(zhuǎn)變，但對電網(wǎng)電能質(zhì)量存在的影響也仍存在。在此情況下，為進一步提高風力發(fā)電機的運行效率，大力提高電網(wǎng)電能質(zhì)量，相關工作人員應積極開展以下工作。

3.1 有效改善無功補償?shù)募夹g(shù)手段

根據(jù)調(diào)查顯示，風電場并網(wǎng)中的大多數(shù)異步發(fā)電機設備均為感性元件，往往其在實際運行期間需要得到大量的無功支持，而無功補償量的多少又與接入點的實際電壓大小有著直接關系。目前風電場中應用頻率最高的便是SMES超導磁儲能系統(tǒng)和動態(tài)無功補償裝置設備，其中SMES超導磁儲能系統(tǒng)不僅具備良好的有功無功功率調(diào)節(jié)能力，可實現(xiàn)對系統(tǒng)功率補償?shù)撵`活調(diào)整改善，還能極大降低風電場的輸出功率、波動頻率，充分保證電網(wǎng)電壓運行的安全穩(wěn)定性。而動態(tài)無功補償裝置設備可根據(jù)實際地質(zhì)情況，有效調(diào)整改善電網(wǎng)運行中的無功補償功率數(shù)值，進一步調(diào)整電壓大小，增強電網(wǎng)系統(tǒng)的實際性能，并且動態(tài)無功補償裝置還能具體安裝在風電場的出口位置，借助風電場接入點電壓數(shù)值的準確計算來有效控制無功補償量，進而在確保風電場電壓處于穩(wěn)定的基礎上，防止電網(wǎng)運行出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，有利于提高電網(wǎng)電能的整體質(zhì)量水平。

3.2 輕型直流輸電連接電網(wǎng)的使用

通常來說，輕型直流輸電技術(shù)就是以PWM為基礎的電壓源換流器技術(shù)手段，普遍具備較強的直流輸電性能，而在風電場并網(wǎng)運行期間，則可應用該技術(shù)順利解決因受電源分散影響而出現(xiàn)的輸電走廊問題，使其具備較強的自我調(diào)節(jié)控制能力。同時輕型輸電連接電網(wǎng)的使用還能有效克服短路容量對風電場實際容量的規(guī)范限制，促使電網(wǎng)運行始終處于安全穩(wěn)定的狀態(tài)，有效提升電網(wǎng)的電能質(zhì)量。此外，風電場并網(wǎng)的運行效率如何主要由風速來決定，而隨著各種新型技術(shù)手段的不斷創(chuàng)新完善，預測風速的能力也應進一步完善，便于幫助工作人員得到更加準確的風力發(fā)電性能數(shù)值，幫助電網(wǎng)靈活的容納風電場，并且在此基礎上工作人員還需不斷增強自身風電場的優(yōu)化控制能力，讓其逐步開始向普通發(fā)電機的性能靠近，借此便于更好的開展調(diào)度安排工作，促使電網(wǎng)的電能質(zhì)量得到大幅度提升，為電網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行提供良好保障。

4 結(jié)語

綜上所述，因風力發(fā)電所具體使用的能源是環(huán)保、無污染的自然能源，再加上其技術(shù)手段日趨成熟，因而擁有良好的發(fā)展前景。隨著風電場電網(wǎng)需求容量的不斷提升，相應的輸出功率所產(chǎn)生的波動將對電網(wǎng)的電能質(zhì)量帶來極為不利的影響，這就需要相關工作人員能在具體工作中，不斷加強對風電場發(fā)電的設備管理力度，進一步優(yōu)化調(diào)度，進而便于極大增強風電場并網(wǎng)的容納能力，針對風電場并網(wǎng)運行期間可能對電網(wǎng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生影響的眾多因素，及時提出針對性的治理方法，從而有效提高電能質(zhì)量。