风电并网对电力系统的影响及改善措施

风电并网对电力系统的影响及改善措施中国电力工程顾问集团公司-—王敏[摘要]：由于风电场是一种依赖于自然能源的分散电源，同时目前大多采用恒速恒频异步风力发电系统，其并网运行降低了电网的稳定性和电能质量。着眼于并网风电场与电网之间的相互影响，特别是对系统稳定性以及电能质量的影响，对大型风电场并网运行中的一些基础性的技术问题进行了研究。[关键词]:风电场；并网；现状分析。一、引言风力发电作为一种重要的可再生能源形式，越来越受到人们的广泛关注,并网型风力发电以其独特的能源、环保优势和规模化效益，得到长足发展,随着风电设备制造技术的日益成熟和风电价格的逐步降低，近些年来，无论是发达国家还是发展中国家都在大力发展风力发电。风力发电之所以在全世界范围获得快速发展，除了能源和环保方面的优势外，还因为风电场本身所具有的独特优点：(1)风能资源丰富，属于清洁的可再生能源；(2)施工周期短，实际占地少，对土地要求低；(3)投资少，投资灵活，投资回收快；(4)风电场运行简单，风力发电具有经济性；(5)风力发电技术相对成熟。自20世纪80年代以来，大、中型风电场并网容量发展最为迅猛，对常规电力系统运行造成的影响逐步明显和加大,随着风电场规模的不断扩大，风电特性对电网的负面影响愈加显著，成为制约风电场建设规模的严重障碍。因此深入研究风电场与电网的相互作用成为进一步开发风电所迫切要求解决的问题。其局限性主要表现在：(1)风能的能量密度小且不稳定，不能大量储存；(2)风轮机的效率较低；(3)对生态环境有影响，产生机械和电磁噪声；(4)接入电网时，对电网有负面影响。二、我国风力发电装机容量现状根据中国风能协会发布《2012年中国风电装机容量统计》报告中数据显示，2012年，中国（不包括台湾地区）新增安装风电机组7872台，装机容量12960MW，同比下降26.5%；累计安装风电机组53764台，装机容量75324.2MW，同比增长20.8%。2001-2012年中国新增及累计风电装机容量区域装机情况图（引自《2012年中国风电装机容量统计》）2006-2012年中国各区域累计风电装机容量图（引自《2012年中国风电装机容量统计》）三、风电并网对电力系统的影响风力发电是一种特殊的电力，它以自然风为原动力，风资源的随机性和间歇性决定了风电机组的输出特性也是波动和间歇的。作为发电机构的异步发电机在发出有功功率的同时，需要从系统吸收无功功率，且无功需求随有功输出的变化而变化。当风电场的容量较小时，这些特性对电力系统的影响并不显著，但随着风电场容量在系统中所占比例的增加，风电场对电力系统的影响会越来越显著。本文主要从以下几个方面讨论并网风电场对电力系统的影响，包括并网过程对电网的冲击、对电网频率、电网电压、电网稳定性、电能质量以及继电保护的影响。1、并网过程对电网的冲击异步电机作为发电机运行时，没有独立的励磁装置，并网前发电机本身没有电压，因此并网时必然伴随一个过渡过程。直接并网时，流过5～8倍额定电流的冲击电流，一般经过几百毫秒后转入稳态。异步发电机并网时冲击电流的大小，与并网时网络电压的大小、发电机的暂态电抗以及并网时的滑差有关。滑差越大，则交流暂态衰减时间越长，并网时冲击电流有效值也就越大。风力发电机组与大电网并联时，合闸瞬间的冲击电流对发电机及电网系统安全运行不会有太大影响。但对小容量电网而言，风电场并网瞬间将会造成电网电压的大幅度下跌，从而影响接在同一电网上的其他电器设备的正常运行，甚至会影响到整个电网的稳定与安全。目前可以通过加装软起动装置和风机非同期并网来削弱冲击电流，但会给电网带来一定的谐波污染。2、对电网频率的影响风电场对系统频率的影响取决于风电场容量占系统总容量的比例。当风电容量在系统中所占的比例较大时，其输出功率的随机波动性对电网频率的影响显著，影响电网的电能质量和一些对频率敏感负荷的正常工作。这就要求电网中其他常规机组有较高的频率响应能力，能进行跟踪调节，抑制频率的波动。考虑到风电的不稳定性，当风电由于停风或大失速而失去出力后，会使电网频率降低，特别是当风电比重较大时，会影响到系统的频率稳定性。消除该影响的主要措施是提高系统的备用容量和采取优化的调度运行方式。当然，当电力系统较大、联系紧密时，频率问题不显著。3、对电网电压的影响风力发电出力随风速大小等因素而变化，同时由于风力资源分布的限制，风电场大多建设在电网的末端，网络结构比较薄弱(短路容量较小)，因此在风电场并网运行时必然会影响电网的电压质量和电压稳定性。另外，风力发电机多采用感应发电机，感应发电机的运行需要无功支持，因此并网运行的风力发电机对电网来说是一个无功负荷。为满足风力发电场的无功需求，每台风力发电机都配有无功补偿装置。目前常用的是分组投切电容器，其最大无功补偿量是根据异步发电机在额定功率时的功率因数设计的。即在额定功率时无功补偿量必须保证功率因数达到设计的额定功率因数，一般大于0．98。由于分组投切电容器不能实现快速连续的电压调节，对快速的电压变化无能为力。风力发电对电网电压的影响主要有慢的(稳态)的电压波动、快的电压波动(1~lJ闪变)、波形畸变(1llJ谐波)、电压不平衡(即负序电压)、瞬态电压波动(1~lJ电压跌落和凹陷)等。4、对电网稳定性的影响风电接入系统引起的稳定问题主要是电压稳定问题。这是由于：(1)普通的无功补偿方式为电容器补偿，补偿量与接入点电压的平方成正比，当系统电压水平降低时，无功补偿量下降很多，而风电场对电网的无功需求反而上升，进一步恶化电压水平，严重时会造成电压崩溃，风机被迫停机；(2)在故障和操作后未发生功角失稳的情况下，部分风电机组由于自身的低电压保护而停机，风电场有功输出减少，相应地系统失去部分无功负荷，从而导致电压水平偏高，甚至使风电场母线电压越限；(3)故障切除不及时，会发生暂态电压失稳；(4)风电场出力过高有可能降低电网的电压安全裕度，容易导致电压崩溃。总而言之，并网型风电场对于电网稳定性的主要威胁，一方面是风速的波动性和随机性引起风电场出力随时问变化且难以准确预测，导致风力发电接入系统时潜在安全隐患；另一方面是弱电网中风电注入功率过高引起的电压稳定性降低。5、对电能质量的影响风电对于电力系统是一个干扰源。风电对电能质量的影响主要有以下三方面(前述对电压的影响是最重要的方面)：(1)风速变化、湍流以及风力机尾流效应造成的紊流，会引起风电功率的波动和风电机组的频繁启停，风机的杆塔遮蔽效应使风电机组输出功率存在周期性的脉动；(2)软起动并网时，由软起动装置引起的各次谐波；(3)风电经AC／DC／AC并网时，由于脉宽调制变换器产生的谐波。谐波的次数和大小与采用的变换装置和滤波系统有关。6、对继电保护装置的影响与常规配电网保护不同，通过风电场与电力系统联络线的潮流有时是双向的。风力发电机组在有风期间都和电网相连，当风速在起动风速附近变化时，为防止风电机组频繁投切对接触器的损害，允许风电机组短时电动机运行，此时会改变联络线的潮流方向，继电保护装置应充分考虑到这种运行方式。其次，并网运行的异步发电机没有独立的励磁机构，在电网发生短路故障时，由于机端电压显著降低，异步发电机仅能提供短暂的冲击短路电流。此外，由于目前一般风机出口电压大都是690V，折算到35kV(威更高电压等级)侧时其阻抗需乘以=(u35／Uo6),因此从35kV侧的等值电路来看，风力发电机及相应的低压电缆相当于一个很大的限流电抗，短路电流无法送出，因此风电接入点的保护配置要考虑到风电场的这一特点。总之，风电场故障电流主要由公用电网电源提供，风电场保护的技术困难是如何根据有限的故障电流来识别故障的发生，从而使保护装置快速而准确地动作。7、大容量风电并网电网故障对潮流的影响在电网发生事故时，系统电压瞬时发生变化，风机在自身保护特性的作用下，降低了出力，系统潮流重新分布，重要联络线潮流变化明显。通过电网实际故障经模拟计算故障情况下风电机组出力变化对系统潮流的影响，因此在各种工况计算时，应充分考虑风电机组出力对计算结果的影响。积累风电运行经验，对故障期间风电受低电压能机组的实际动作、出力变化情况提供基础数据，以提高仿真计算的精确度，更好地掌握在风电机组并网时的系统运行经验。8、电网电压不平衡对风力发电机组的影响潮流计算是获取电网运行情况和分析电网稳定状态的基础工具,一些风力发电的相关研究已经使用了潮流计算。这些研究近似认为系统三相平衡,潮流可以采用单相代表三相来处理,然而为了研究电网的三相不平衡运行,三相必须分别计算。由于风力发电机并网点电压取决于系统电压,而风力发电机组吸收的无功功率及机端电容补偿的无功功率与并网点电压有关。因此风力发电机组母线电压、无功均为未知量。风力异步发电机并入电网,发出有功功率,吸收无功功率。同时电网通过发电机终端电压影响风力发电机组的运行。风力发电机组与电网的关系实际上是功率和电压之间的关系,通过适当连接电网和风力发电机组的模型可以进行综合仿真.仿真步骤如下:(1)设t=t0(t0是仿真周期的起始时间),给出各母线电压各相初始值；(2)应用t时刻风速和风力发电机组终端电压当前值,进行风力发电机组动态仿真,计算出风力发电机组有功、无功功率；(3)进行电网三相潮流计算,得到修正后电压；(4)应用t时刻风速和风力发电机组终端电压当前值,进行风力发电机组动态仿真,计算出风力发电机组有功、无功功率；(5)如果有功和无功功率的初始值与修正后的修正值非常接近(误差10-3),则进入第6步,否则返回第3步；(6)t=t+$t($t是时间步长)；(7)判断:是否ttend(tend仿真周期的截止时间),如果此式成立,进入第8步,否则返回第2步。四、改善风电场对电网影响的措施风力发电的并网对电网的电能质量和安全稳定运行带来的负面影响，可以通过一些有效措施得到改善，进一步降低风电对电网的影响。1、无功补偿技术改善风电系统运行性能的无功补偿技术包括风电场出口安装动态的无功调节装置(svc)、具有有功无功综合调节能力的超导~g(SMES)装置等措施。静止无功补偿器(svc)可以快速平滑地调节无功补偿功率的大小，提供动态的电压支撑，改善系统的运行性能。将SVC安装在风电场的出口，根据风电场接入点的电压偏差量来控制svc~l,偿的无功功率，能够稳定风电场节点电压，降低风电功率波动对电网电压的影响。SMES可以在四象限灵活调节有功和无功功率，为系统提供功率补偿，跟踪电气量的波动。在风电场出口安装SMES装置，充分利用SMES有功无功综合调节的能力，可以降低风电场输出功率的波动，稳定风电场电压。2、风电场通过轻型直流输电(HVDCLight)与电网相连轻型直流输电(HVDCLight)是在电压源换流器(VSC)技术、门极可关断晶闸管(GTO)及绝缘栅双极晶体管(IGBT)等全控型功率器件基础上发展起来的。由于使用了基于PWM控制的VSC结构，HVDCLight具有直流输电的优点。HVDCLight不仅解决了分散电源接入的输电走廊问题，而且其灵活的无功、电压调节能力，打破了短路容量比对风电场容量的限制，同时也改善了交流系统的稳定性和电能质量，是风力发电等分散电源与电网相连的一种理想选择。3、变速恒频风力发电机组随着电力电子元件的性价比不断提高，未来几年变速恒频电机、双馈电机等新型发电机组开始在风机上推广应用，风电场可以像常规机组一样，承担电压及无功控制的任务，以最大限度提高风能的利用效率。使用变速恒频风电机组有几种方案可供选择：采用通过电力电子装置与电网相连的同步发电机；或者采用变速恒频双馈风力发电机，实现风机以最佳叶尖比运行，比变桨距控制的实现更简单、更经济。五、结论风力发电是一种新能源,风能是近期最有大规模开发利用前景的可再生能源,许多国家都制定了风力发电的发展规划和激励政策,以加快技术改进和市场开拓。目前并网风力发电是大规模利用风能最经济的方式,随着技术的发展和规模的扩大,风力发电的成本还将继续下降。中国电力部年决定加快风力发电的商业化进程,将清洁的风能作为世纪能源可持续发展的一