風(fēng)力發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行的影響微探

黃鵬

摘要：電力系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)。風(fēng)電是一種間歇性、波動(dòng)性電源，大規(guī)模風(fēng)電的接入對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。本文對(duì)大規(guī)模風(fēng)電接入帶來(lái)的問(wèn)題進(jìn)行綜述，并提出了應(yīng)對(duì)措施和需要進(jìn)一步研究的課題。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電;電力系統(tǒng);暫態(tài)穩(wěn)定;電壓穩(wěn)定;預(yù)測(cè)

一、風(fēng)電對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行的影響

1.1對(duì)電能質(zhì)量的影響

大型風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)在一定程度上對(duì)電能質(zhì)量會(huì)造成一定影響。風(fēng)電機(jī)組的控制方式、類型、線路參數(shù)及系統(tǒng)容量等因素會(huì)影響到頻率、諧波、電壓暫降及閃變等方面。

1.1.1頻率。

與常規(guī)電源的區(qū)別是風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的間歇性問(wèn)題，使得大型風(fēng)電場(chǎng)所接入的電力系統(tǒng)的潮流常常處于重新分配的過(guò)程，影響電壓和系統(tǒng)的頻率。在一個(gè)地區(qū)，若風(fēng)力發(fā)電的容量超過(guò)這個(gè)地區(qū)總裝機(jī)容量的某個(gè)比例，就需要采取措施增加調(diào)頻容量。其中有專家提出了用飛輪輔助，對(duì)風(fēng)力發(fā)電—飛輪系統(tǒng)頻率和功率綜合控制方法。結(jié)果表明：風(fēng)力發(fā)電—飛輪系統(tǒng)在飛輪的輔助下，可以按要求輸出較為平穩(wěn)的功率，并且能夠參與電網(wǎng)的頻率控制。

1.1.2諧波。發(fā)電機(jī)自身產(chǎn)生的諧波，不論對(duì)于何種風(fēng)電機(jī)組而言，都是可以忽略的，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的電力電子元件是諧波電流的真正來(lái)源，其受干擾的程度取決于變流裝置和濾波系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。同時(shí)，還與風(fēng)電機(jī)組的輸出功率及電網(wǎng)的短路容量有關(guān)。在持續(xù)運(yùn)行過(guò)程中，固定轉(zhuǎn)速的風(fēng)電機(jī)組沒(méi)有電力電子元件的參與，一般不會(huì)產(chǎn)生諧波電流。由于運(yùn)行過(guò)程中，變速恒頻風(fēng)電機(jī)組變流器一直處于工作狀態(tài)，所以，實(shí)際中往往需要對(duì)諧波干擾進(jìn)行考慮。合理設(shè)計(jì)濾波器以及使用PWM開關(guān)變流器，能夠減小諧波的畸變。

1.1.3電壓暫降

風(fēng)電機(jī)組突然起動(dòng)會(huì)引起電力系統(tǒng)的電壓暫降，倘若固定轉(zhuǎn)速的風(fēng)電機(jī)組以感應(yīng)電機(jī)作為其發(fā)電機(jī)，在運(yùn)行時(shí)，引起的電壓暫降往往較為嚴(yán)重。減小操作不當(dāng)引起的電壓暫降，常運(yùn)用風(fēng)電場(chǎng)管理系統(tǒng)來(lái)對(duì)機(jī)組起動(dòng)的電壓和出力進(jìn)行控制，這種方法適用于各種類型的大風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)電場(chǎng)。

1.1.4無(wú)功電壓

在電網(wǎng)中，出現(xiàn)電壓偏差，一般屬于穩(wěn)定問(wèn)題。波動(dòng)較大的風(fēng)速會(huì)造成風(fēng)電機(jī)組出力波動(dòng)大，故風(fēng)電功率波動(dòng)引起電網(wǎng)內(nèi)某節(jié)點(diǎn)電壓偏差超出規(guī)定的限值。若出現(xiàn)這種狀況，可以在風(fēng)電場(chǎng)裝設(shè)無(wú)功補(bǔ)償裝置來(lái)改善電壓，或可以使得注入電網(wǎng)的風(fēng)電功率相對(duì)減少，從而緩解對(duì)系統(tǒng)的影響。

1.2風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)繼電保護(hù)的影響

大機(jī)組的風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行并網(wǎng)，對(duì)線路保護(hù)裝置的靈敏度以及保護(hù)范圍都會(huì)產(chǎn)生影響。圖2所示為某線路發(fā)生故障時(shí)，風(fēng)力發(fā)電對(duì)系統(tǒng)保護(hù)的影響。

如圖2所示線路圖，有一個(gè)風(fēng)電機(jī)組連接在距離線路末端X處，在線路的末端發(fā)生了短路故障，這時(shí)故障點(diǎn)將會(huì)出現(xiàn)短路電流，相應(yīng)地就減小了線路保護(hù)K所能夠檢測(cè)的故障電流值，降低了保護(hù)裝置K的靈敏度。在系統(tǒng)線路中的個(gè)別位置，無(wú)法起動(dòng)速斷保護(hù)裝置，這樣就形成了速斷保護(hù)的死區(qū)，線路的故障就不能得到及時(shí)的切除。當(dāng)線路中出現(xiàn)并網(wǎng)點(diǎn)處于線路速斷保護(hù)的死區(qū)時(shí)，若不改變保護(hù)系統(tǒng)，通過(guò)后備電流保護(hù)動(dòng)作來(lái)切除故障，會(huì)大大增加對(duì)電網(wǎng)的影響。對(duì)速斷保護(hù)整定值進(jìn)行調(diào)整，則會(huì)造成過(guò)電流保護(hù)、速斷以及其他控制裝置間的無(wú)法協(xié)調(diào)，使保護(hù)誤操作。

1.3風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)運(yùn)行和電網(wǎng)調(diào)度的影響

1.3.1對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行成本的影響

與傳統(tǒng)的火力發(fā)電相比，風(fēng)力發(fā)電的運(yùn)行成本非常低，帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益相對(duì)較為客觀。但是風(fēng)力發(fā)電具有間歇性和波動(dòng)性的特點(diǎn)，使得風(fēng)電場(chǎng)功率輸出表現(xiàn)出較強(qiáng)的隨機(jī)性現(xiàn)象，就目前的研究水平而言，預(yù)報(bào)水平不能夠滿足系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行需要。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，風(fēng)電并網(wǎng)要在原有基礎(chǔ)上，采用一些容量的備用來(lái)保證功率平衡和穩(wěn)定。由此可知，風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)主要存在兩個(gè)方面的影響：①分擔(dān)了機(jī)組的一部分負(fù)荷，減少了系統(tǒng)燃料成本的代價(jià)。②在某種程度上增加了系統(tǒng)的可靠性成本。

1.3.2對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度的影響

風(fēng)電并網(wǎng)所帶來(lái)的調(diào)度問(wèn)題主要是風(fēng)的間歇性與隨機(jī)性所造成的。目前的研究遠(yuǎn)不能合理地預(yù)測(cè)風(fēng)電功率，并網(wǎng)地區(qū)的系統(tǒng)常常預(yù)留一些備用容量來(lái)平衡風(fēng)電功率引起的波動(dòng)。若可以在一定精度上預(yù)測(cè)風(fēng)電功率，就可以按照傳統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)度方式，根據(jù)所預(yù)測(cè)的風(fēng)電功率，合理地安排各機(jī)組的發(fā)電計(jì)劃，降低電網(wǎng)運(yùn)行的費(fèi)用。

二、對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)的分析及抑制措施

2.1電網(wǎng)消納風(fēng)電能力分析

電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電能力的消納受其電力平衡和安全穩(wěn)定運(yùn)行能力的約束。目前，對(duì)風(fēng)電影響能力的消納主要因素是電力平衡，風(fēng)電功率的預(yù)測(cè)現(xiàn)在還不能計(jì)入電力平衡，消納能力主要靠廠用負(fù)荷水平以及同步機(jī)組調(diào)峰容量決定。最大的廠用負(fù)荷水平以及同步機(jī)組最小技術(shù)出力會(huì)決定風(fēng)電最大消納能力;而最小廠用負(fù)荷水平以及同步機(jī)組最小技術(shù)出力將會(huì)決定風(fēng)電最小消納能力。

2.2加強(qiáng)風(fēng)機(jī)低電壓穿越能力

所謂的風(fēng)機(jī)穿越故障能力指的是在系統(tǒng)出現(xiàn)故障，電壓水平降低的狀況下，風(fēng)電場(chǎng)仍然可以并網(wǎng)運(yùn)行并且能夠保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。如北美的電力可靠委員會(huì)規(guī)定，裝機(jī)2萬(wàn)kW以上風(fēng)電場(chǎng)，風(fēng)機(jī)所能承受故障電壓為15%，持續(xù)時(shí)間625ms，時(shí)間恢復(fù)3000ms，還準(zhǔn)備提出更高要求，即出現(xiàn)故障電壓為零時(shí)，持續(xù)時(shí)間167ms。

2.3加強(qiáng)風(fēng)電并網(wǎng)安全穩(wěn)定研究

需要進(jìn)一步開展研究風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)的影響，以確定風(fēng)電消納能力。目前對(duì)于風(fēng)電機(jī)組的研究也只是局限于雙饋機(jī)組、異步機(jī)組和直驅(qū)機(jī)組的模型以及參數(shù)。由于各個(gè)公司生產(chǎn)的風(fēng)電機(jī)組存在差異，尤其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)差異較大，為了更準(zhǔn)確地進(jìn)行機(jī)組模型的仿真，需要開展風(fēng)電機(jī)組的建模工作和參數(shù)測(cè)試。開展對(duì)其控制系統(tǒng)的仿真，逐步使得所制訂的模型標(biāo)準(zhǔn)化，同時(shí)使得各個(gè)風(fēng)電機(jī)組廠家生產(chǎn)的機(jī)組能夠標(biāo)準(zhǔn)化。

2.4深入風(fēng)電場(chǎng)安全技術(shù)研究

1）推進(jìn)風(fēng)電機(jī)組通過(guò)恒電壓控制方式進(jìn)行機(jī)組無(wú)功出力的調(diào)節(jié)和改造工作。2）繼續(xù)推進(jìn)風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率和有功功率自動(dòng)控制工作，從而使得風(fēng)電場(chǎng)出力能夠根據(jù)系統(tǒng)的負(fù)荷進(jìn)行調(diào)峰，風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率可以根據(jù)系統(tǒng)電壓的要求進(jìn)行調(diào)壓。3）加強(qiáng)風(fēng)電安全的可控性，風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)可以加入判斷邏輯，電壓或頻率導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組出現(xiàn)脫網(wǎng)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的并網(wǎng)。4）深入研究風(fēng)電機(jī)組頻率、電壓、三相不一致保護(hù)和低電壓穿越功能，自動(dòng)重合閘和系統(tǒng)保護(hù)的相互配合，深入開展風(fēng)電機(jī)組低壓穿越能力的研究、改造，防止風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)造成大的沖擊。

三、結(jié)語(yǔ)

本文論述了風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的新特點(diǎn)，對(duì)大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)帶來(lái)的問(wèn)題進(jìn)行了綜述，針對(duì)這些問(wèn)題，論述了開展風(fēng)電場(chǎng)綜合控制和風(fēng)電功率預(yù)測(cè)研究的必要性。

參考文獻(xiàn)

[1]張義斌，王偉勝，戴慧珠.基于P-V曲線的風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析[J].電網(wǎng)技術(shù)，2004，28（23）：61-65.

[2]中國(guó)電力科學(xué)研究院.赤峰市電網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電接入能力研究[R].2007.

[3]CarsonW，Talor.電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定[M].王偉勝，譯.北京：中國(guó)電力出版社，2002.

[4]曹娜，趙海翔，戴慧珠.常用風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的無(wú)功與電壓分析[J].電網(wǎng)技術(shù)，2006，30（22）：91-94.

[5]吳義純，丁明，張立軍.含風(fēng)電場(chǎng)的電力系統(tǒng)潮流計(jì)算[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25（4）：36-39.