大規(guī)模風(fēng)電集中并網(wǎng)對(duì)電能質(zhì)量的影響研究

張繼陽 楊捷 仝戰(zhàn)營

摘 要：風(fēng)能是可再生能源，隨著新型風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的研發(fā)，風(fēng)電的利用效率也在不斷提高。但是由于風(fēng)能本身具有不穩(wěn)定性，當(dāng)大量并入電網(wǎng)時(shí)，會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生波動(dòng)，對(duì)電能質(zhì)量產(chǎn)生沖擊。為了研究風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電能質(zhì)量的影響，本文詳細(xì)闡述了風(fēng)能對(duì)電網(wǎng)電壓、頻率、波形等產(chǎn)生的影響，最后提出了優(yōu)化措施和對(duì)策。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電;電能質(zhì)量;電力供應(yīng);電力系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TM614文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2019）16-0143-02

Abstract： Wind energy is a renewable energy source. With the continuous development of new wind power generation equipment， the efficiency of wind power utilization is constantly improving. However， due to the inherent instability of wind energy， when it is largely integrated into the power grid， it will fluctuate to the power grid and have an impact on power quality. However， In order to study the influence of wind power grid-connected on power quality， elaborates the influence of wind energy on grid voltage， frequency and waveform. Finally， the optimization measures and countermeasures are put forward.

Keywords： wind power;power quality;power supply;power system

隨著傳統(tǒng)能源的長期開采，火電這一發(fā)電形式因?yàn)槟茉聪拗?，發(fā)展受到了一定影響。由此，風(fēng)力發(fā)電快速發(fā)展，風(fēng)能成為新的能源利用形式。在我國，由于技術(shù)限制，對(duì)發(fā)電設(shè)備的研制比較晚，但是，國家政策支持和社會(huì)需求提升有力支撐著風(fēng)能發(fā)電的高速發(fā)展。目前，風(fēng)電裝機(jī)容量在大幅提高，風(fēng)電在整個(gè)系統(tǒng)中的占比也在不斷攀升。由此，大量風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電能質(zhì)量的影響也不斷凸顯出來，主要表現(xiàn)在系統(tǒng)電壓出現(xiàn)偏差、電網(wǎng)電壓跳變波動(dòng)和電網(wǎng)諧波等。

1 風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電能質(zhì)量的影響

1.1 風(fēng)電并網(wǎng)引起的無功電壓問題

配電系統(tǒng)對(duì)電能的輸送受到風(fēng)電特性的影響，風(fēng)能的隨機(jī)性和不穩(wěn)定性時(shí)刻影響線路中有功功率的穩(wěn)定。有功功率的變化會(huì)引起電網(wǎng)線路充電功率上下沖擊，進(jìn)而使電網(wǎng)的電壓產(chǎn)生波動(dòng)，進(jìn)一步對(duì)電能質(zhì)量造成影響。由于電網(wǎng)中配置了動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備SVC/SVG裝置，可以對(duì)系統(tǒng)中的無功功率起到一種平衡作用，但是由于受到無功分層平衡原則的限制，無法滿足整個(gè)系統(tǒng)的無功需求，在風(fēng)電場(chǎng)送出線路中產(chǎn)生的無功電壓和由風(fēng)電基地輸送線路產(chǎn)生的無功電壓問題還得不到有效解決，從而大規(guī)模風(fēng)電基地?zé)o功電壓控制矛盾突出。

1.2 風(fēng)電并網(wǎng)引起的諧波問題

在并網(wǎng)風(fēng)電系統(tǒng)中，風(fēng)電機(jī)組本身也會(huì)產(chǎn)生一定的諧波，但是由于諧波量比較少，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)不會(huì)造成嚴(yán)重干擾，從而其自身的諧波可以忽略不記。然而風(fēng)電系統(tǒng)是由大量的電力電子元件組成的，其中，多個(gè)元件是非線性的，向系統(tǒng)中輸入大量的諧波，影響了電能質(zhì)量。定速風(fēng)電機(jī)組中的電力電子元件沒有參與持續(xù)運(yùn)行過程，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行不產(chǎn)生諧波污染。而風(fēng)電機(jī)組中的變速恒頻系統(tǒng)是由多種大容量的電力電子設(shè)備組成，在正常向電力系統(tǒng)中傳送有功功率的同時(shí)，也產(chǎn)生了大量的諧波，干擾系統(tǒng)的安全運(yùn)行。雙饋式異步電動(dòng)機(jī)中的轉(zhuǎn)子繞組和定子繞組通過不同的方式接入交流電網(wǎng)，由于定子繞組采用交直交的變頻方式，電網(wǎng)的原始波形會(huì)和電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的多余電能的波形進(jìn)行疊加，進(jìn)而對(duì)電網(wǎng)波形造成畸變，增加了電網(wǎng)的供電損耗[1]。風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)特征直接影響電能的諧波含量，大量的非線性和較大功率的元器件會(huì)產(chǎn)生多次諧波，直接輸入電網(wǎng)中，造成電網(wǎng)諧波量增加。電網(wǎng)中設(shè)備的使用壽命和運(yùn)行效率直接受到風(fēng)電產(chǎn)生的諧波電流干擾，無法滿足系統(tǒng)安全運(yùn)行的需求。

1.3 風(fēng)電并網(wǎng)引起電壓波動(dòng)和閃變問題

對(duì)于傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)，大容量的沖擊性功率裝置是造成電壓波動(dòng)和閃變的主要因素。而在風(fēng)電系統(tǒng)中，主要是由于風(fēng)的自身特性導(dǎo)致的電壓不穩(wěn)定。由于風(fēng)速的不確定性，風(fēng)速的變化會(huì)直接引起風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速變化，從而使風(fēng)機(jī)的輸出功率產(chǎn)生震蕩，進(jìn)一步引起電網(wǎng)電壓波動(dòng)。電壓波動(dòng)的出現(xiàn)引起了較為明顯的閃變情況。在風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)過程中，由于變速機(jī)組對(duì)實(shí)際風(fēng)能狀況的反應(yīng)和恒速機(jī)組對(duì)具體風(fēng)能的吸收狀況不同，風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)、發(fā)電機(jī)的倒閘操作，會(huì)使風(fēng)機(jī)輸出不穩(wěn)定的功率，從而在風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)處引起電壓波動(dòng)和閃變。

風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的電壓波動(dòng)和閃變問題是由多動(dòng)因素共同作用的結(jié)果，比如，風(fēng)電機(jī)組容量的差異性，風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)系統(tǒng)中的并聯(lián)模式以及風(fēng)能的獨(dú)特性質(zhì)等因素。電網(wǎng)電壓的波動(dòng)會(huì)引起多種用電事故，使照明設(shè)備無法正常工作，干擾精密電子儀器的工作，影響電機(jī)設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行。

1.4 風(fēng)電并網(wǎng)引起的電壓偏差問題

衡量電能質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)包括電壓、頻率和波形等。電壓的好壞直接影響電能質(zhì)量的安全可靠，在電力系統(tǒng)中，電壓偏差的情況是比較常見的穩(wěn)態(tài)問題。電網(wǎng)系統(tǒng)中的無功功率制約著電壓偏差的大小。在風(fēng)電系統(tǒng)中，功率的傳輸波動(dòng)比較大，且功率的傳輸和相鄰的系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，所以在風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)，局部結(jié)點(diǎn)電壓發(fā)生變化的概率相對(duì)較大，定速風(fēng)電機(jī)組由于是感應(yīng)發(fā)電機(jī)裝配而成的，更容易發(fā)生電壓偏差等問題。電力系統(tǒng)功率的不平衡引起電壓偏差，在風(fēng)電系統(tǒng)中，造成功率不平衡的因素有很多，隨著風(fēng)力的不定變化，發(fā)電機(jī)組的輸出功率也在變化，電力系統(tǒng)的用戶側(cè)也在不停變化，風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行方式的改變也會(huì)引起網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化，這些因素使電網(wǎng)電壓出現(xiàn)偏差。雖然在電力系統(tǒng)中加有電容器補(bǔ)償裝置，由于在投切電容器的過程中，會(huì)出現(xiàn)一定的波動(dòng)，而不是平滑的狀態(tài)，對(duì)系統(tǒng)不能完成精確補(bǔ)償，從而引起了電壓偏差，嚴(yán)重的情況下，甚至干擾電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

2 風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電能質(zhì)量影響的治理

風(fēng)電并網(wǎng)在一定程度上干擾著電能的安全可靠傳輸，從而對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行也產(chǎn)生了一定影響，同時(shí)，用戶側(cè)對(duì)電能的使用體驗(yàn)感下降。目前，風(fēng)電在傳輸電能時(shí)，由于受到長距離的影響，在風(fēng)電系統(tǒng)中自有的無功補(bǔ)償裝置無法滿足整個(gè)系統(tǒng)的需求，由于風(fēng)速的不穩(wěn)定性，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成了較大干擾。系統(tǒng)中的無功補(bǔ)償裝置的規(guī)模有限，在電能受到威脅時(shí)，單純依靠投切電容器無法向系統(tǒng)中提供足夠的無功功率，因此，需要在風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)連接點(diǎn)處增加動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，通過變化的無功補(bǔ)償，隨時(shí)調(diào)整系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，從而增加動(dòng)態(tài)的無功補(bǔ)償裝置。通過變化的無功補(bǔ)償，隨時(shí)調(diào)整系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，從而減小系統(tǒng)受到的影響，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性，從而實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量治理。為了緩解電壓偏差問題，改善電能質(zhì)量，相關(guān)單位應(yīng)從以下幾個(gè)方面加以優(yōu)化。如果風(fēng)速變化引起的電壓偏差較小，這種干擾可以忽略不記;如果風(fēng)速變化較大，對(duì)系統(tǒng)的干擾較為嚴(yán)重，引起電壓偏差較大的情況，可以通過調(diào)節(jié)風(fēng)電功率的大小來緩解電網(wǎng)波動(dòng)，也可以在系統(tǒng)中增加有效裝置來調(diào)節(jié)電壓的相序和幅值，從而起到調(diào)節(jié)電壓偏壓的作用。對(duì)于電網(wǎng)諧波和電壓波動(dòng)問題，可以在電網(wǎng)中并聯(lián)補(bǔ)償裝置，如電容器、電抗器、靜止同步補(bǔ)償器、靜止無功補(bǔ)償裝置等。

3 結(jié)論與展望

風(fēng)電的發(fā)展越來越快，由于受到風(fēng)力資源的地域限制、用戶單位及用電市場(chǎng)的特殊分布規(guī)律，這些因素決定了風(fēng)電的布局特點(diǎn)和輸配電方式。在偏遠(yuǎn)地區(qū)，建設(shè)大型的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)打破了以往的設(shè)計(jì)思路，但也有諸多關(guān)鍵問題急需解決[2]。大規(guī)模風(fēng)電集中并網(wǎng)對(duì)電能質(zhì)量的電壓、頻率和波形造成了一定影響，也會(huì)影響電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，甚至造成嚴(yán)重的安全事故。通過一定的補(bǔ)償措施可以有效控制這些問題。因此，工作人員要不停探索，研究新的科學(xué)技術(shù)，進(jìn)一步減小風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電能質(zhì)量的影響，保證電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]遲永寧，李群英，李琰，等.大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)引起的電力系統(tǒng)運(yùn)行與穩(wěn)定問題及對(duì)策[J].電力設(shè)備，2008（11）：16-19.

[2]周明，冉瑞江，李庚銀.風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)可用輸電能力的評(píng)估[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010（22）：14-21.