風(fēng)電接入對(duì)電力系統(tǒng)的影響及應(yīng)對(duì)策略

摘 要：由于風(fēng)能具有隨機(jī)性、間歇性、不穩(wěn)定性的特點(diǎn)，當(dāng)風(fēng)電裝機(jī)容量占總電網(wǎng)容量的比例較大時(shí)會(huì)對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定和安全運(yùn)行帶來沖擊。針對(duì)這一問題，闡述了大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)后對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、電能質(zhì)量、發(fā)電計(jì)劃與調(diào)度、系統(tǒng)備用容量等方面的影響。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；并網(wǎng)；電力系統(tǒng)；穩(wěn)定性；電能質(zhì)量

現(xiàn)代社會(huì)離不開一個(gè)電能安全，穩(wěn)定，可靠的電能供應(yīng)系統(tǒng)。在向低碳電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)變的過程中使電力系統(tǒng)保持一個(gè)高的供電可靠性水平是至關(guān)重要的。我國(guó)存在著電源與電網(wǎng)發(fā)展不協(xié)調(diào)、不平衡的問題。我國(guó)各大電網(wǎng)互聯(lián)輸電能力不完善，電網(wǎng)之間的互相救濟(jì)與跨電網(wǎng)的補(bǔ)償能力還有待優(yōu)化。

由于各種因素，目前我國(guó)主要的如風(fēng)能等資源分布較為偏遠(yuǎn)，而在偏遠(yuǎn)地區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)比較薄弱，實(shí)現(xiàn)大容量、遠(yuǎn)距離輸送電能還較難滿足需求。所以國(guó)內(nèi)電力系統(tǒng)的電網(wǎng)規(guī)劃必須向智能電網(wǎng)轉(zhuǎn)型。

風(fēng)電是現(xiàn)今一種最成熟、最具大規(guī)模商業(yè)開發(fā)條件，成本相對(duì)較低的一種的可再生的清潔能源。世界上很多國(guó)家把風(fēng)電作為改善能源結(jié)構(gòu)、應(yīng)對(duì)氣候變化的重要選擇。在我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量增長(zhǎng)迅速，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大型化，成本大幅降低其帶來的風(fēng)能資源也是十分巨大。風(fēng)力發(fā)電是特殊的電力，其具有自身特殊的特點(diǎn)，風(fēng)力的隨機(jī)性和間歇性以及機(jī)組運(yùn)行時(shí)對(duì)無功需求都會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)將會(huì)給電網(wǎng)帶來諸多如安全穩(wěn)定、電能質(zhì)量等不利的影響。

1 風(fēng)電接入對(duì)電力系統(tǒng)的影響

由于風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)不同地理位置的風(fēng)力資源分布、風(fēng)速不同，以及風(fēng)電場(chǎng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、控制方式和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組受到的塔影效應(yīng)等因素，風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率具有隨機(jī)性、擾動(dòng)性和間歇性等特點(diǎn)。小規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)的裝機(jī)容量較小，不會(huì)嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)，但是大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電力系統(tǒng)的影響較之顯著。功率的變化將會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生一系列的影響，主要包括：對(duì)電能質(zhì)量的影響、對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響、對(duì)繼電保護(hù)的影響等。

由于風(fēng)能的隨機(jī)性，風(fēng)電場(chǎng)不利于電網(wǎng)的調(diào)頻、調(diào)峰。在風(fēng)電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速前，其功率與風(fēng)速的立方成正比，即風(fēng)速增加一倍，輸出功率增加8倍。由于風(fēng)能的不可預(yù)測(cè)，風(fēng)能分布的隨機(jī)性等因素，風(fēng)電的出力變化也在相當(dāng)程度上不可預(yù)測(cè)和控制。同時(shí)，風(fēng)電的出力變化與電網(wǎng)負(fù)荷變化一般都是相反的，即風(fēng)電功率大時(shí)，電網(wǎng)的負(fù)荷往往是在下降的，尤其是在一些農(nóng)灌負(fù)荷占相當(dāng)比重的電網(wǎng)中。在風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)總量占全網(wǎng)比重不大的情況下，風(fēng)電場(chǎng)不會(huì)對(duì)電網(wǎng)的調(diào)頻、調(diào)峰造成太大的影響，反之就會(huì)有不利影響。

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一般在電網(wǎng)末端接入，改變了配電網(wǎng)傳統(tǒng)的單電源分布式結(jié)構(gòu)，使潮流流向和分布都發(fā)生了改變。隨著風(fēng)電注入功率的增大，可能會(huì)引起風(fēng)電場(chǎng)附近的局部電網(wǎng)電壓越限，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致電壓崩潰。傳統(tǒng)風(fēng)電場(chǎng)容量很小，一般都作為負(fù)荷不參與電力系統(tǒng)的控制，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，切除風(fēng)電機(jī)組 保證風(fēng)電場(chǎng)和電網(wǎng)的安全。但是隨著風(fēng)電場(chǎng)滲透功率的不斷增大，風(fēng)電輸出的不穩(wěn)定性對(duì)電網(wǎng)的功率沖擊效應(yīng)也不斷增大，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響就更加顯著，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)使系統(tǒng)失去動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的瓦解。

穩(wěn)態(tài)情況下，風(fēng)電并網(wǎng)的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是引起接入點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)電壓上升。對(duì)于大規(guī)模分布式發(fā)電并入電網(wǎng)，只要其注入的功率大約小于所接入電網(wǎng)的整體負(fù)荷功率的20%，就可以減少線路上的功率損失，從而提升電壓水平，因此風(fēng)力發(fā)電并入電網(wǎng)總體上來說是會(huì)改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)電壓分布狀態(tài)的，但其改善程度隨風(fēng)力發(fā)電機(jī)的類型、風(fēng)電場(chǎng)的接入位置、風(fēng)電場(chǎng)的容量、接入電網(wǎng)系統(tǒng)的R/比值的不同而有差別，如果選擇不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致過電壓。

一方面風(fēng)電場(chǎng)的有功出力使負(fù)荷特性極限功率增大，增強(qiáng)了靜態(tài)電壓穩(wěn)定性；另一方面風(fēng)電場(chǎng)的無功需求則使負(fù)荷特性的極限功率減少，降低了靜態(tài)電壓穩(wěn)定性，但只要系統(tǒng)的無功供給足夠多，則整體上可以認(rèn)為風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)增加了系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性。也就是說，風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響可以是正面的也可以是負(fù)面的，它跟風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)是密切相關(guān)的。

由于當(dāng)前很多中型和大型的并網(wǎng)風(fēng)機(jī)采用異步電機(jī)，風(fēng)機(jī)群并網(wǎng)啟動(dòng)的時(shí)候產(chǎn)生的電壓波動(dòng)更加是不可忽視的。異步電機(jī)啟動(dòng)的時(shí)候通過勵(lì)磁從電網(wǎng)吸收無功功率，從而影響到電網(wǎng)側(cè)的電壓，風(fēng)機(jī)群并接到弱電網(wǎng)的時(shí)候這種效果就會(huì)被放大，導(dǎo)致電網(wǎng)側(cè)電壓的突降。從異步電機(jī)吸收無功功率與電網(wǎng)電壓的關(guān)系圖可以看到，當(dāng)電壓下降向臨界電壓Ucr逼近時(shí)，異步機(jī)吸收的無功接近為常量。在超過Ucr以后，吸收無功Q隨電壓的下降反向增長(zhǎng)，這會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓下降的加劇，使多臺(tái)電機(jī)的同時(shí)投入造成電壓的急劇下降，甚至引起電壓崩潰。

2 解決措施

2.1 改善電能質(zhì)量

并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)的公共連接點(diǎn)短路比 SCR 和電網(wǎng)的線路電抗 / 電阻比即：X/R 比，是影響風(fēng)力發(fā)電引起的電壓波動(dòng)和閃變的重要因素。SCR越大，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組引起的電壓波動(dòng)與閃變?cè)叫?。如果電網(wǎng)線路 X/R 比合適，無功功率引起的電壓波動(dòng)可以補(bǔ)償有功功率引起的電壓波動(dòng)，從而減輕整個(gè)平均閃變值。在風(fēng)電場(chǎng)設(shè)置合理的電容器組 （或電抗器組）可以抑制電壓變動(dòng)和電壓偏差。

2.2 保護(hù)裝置的調(diào)整

風(fēng)電場(chǎng)接入配電網(wǎng)時(shí)，須考慮風(fēng)力發(fā)電提供的故障電流，需要重新配置和整定配電網(wǎng)保護(hù)；在進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)保護(hù)裝置的整定和配置時(shí)，須考慮風(fēng)電場(chǎng)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進(jìn)行配置和整定。主要依靠配電網(wǎng)的保護(hù)來切除系統(tǒng)的故障，然后采用孤島保護(hù)、低電壓保護(hù)等措施，逐臺(tái)切除風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，從而在故障期間斷開風(fēng)電場(chǎng)與系統(tǒng)的連接，而當(dāng)故障清除后，控制風(fēng)電場(chǎng)自動(dòng)重新并網(wǎng)。但是對(duì)于今后大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)接入配電網(wǎng)的情況，這種方法會(huì)降低系統(tǒng)的可靠性。

2.3 提高電壓穩(wěn)定性

提高電壓穩(wěn)定性的措施主要有：

無功補(bǔ)償，提高無功補(bǔ)償能力提高大容量異步風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)接入后電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的重要措施。適當(dāng)提高電容器的補(bǔ)償容量，有助于提高風(fēng)電系統(tǒng)短路故障后的穩(wěn)定性，進(jìn)一步可選擇安裝動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置來提供動(dòng)態(tài)的電壓支撐，改善系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。

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作者簡(jiǎn)介：

王巨光（1982-），男，漢族，山西太原人，本科生，助理工程師，主要研究方向?yàn)殡姎庾詣?dòng)化.