风力发电对电网的影响

风力发电对电网的影响

一、引言：

能源是推动社会进步和人类赖以生存的物质基础。目前全球能源消耗的速度逐年增加，大量的能源消耗，以带来很多的环境问题，如环境变暖、生态破坏、大气污染等，并且传统的化石能源储量有限，过度的开采利用将加速其消耗力度，在我国由于长期发电结构不合理，火电所占的比例过大，由此带来了日益严重的燃料资源的短缺和环境污染问题。对于可再生资源的开发和应用有着重大的前途。

在各种各样的可再生自然资源中，风能有很大潜力，风能在发电的技术上日益成熟，商业化应用的提高，是最具有大规模开发利用前景的可再生自然资源。经济方面，风力发电成本的不断下降，同时常规能源发电由于环保要求的增高，随着风力发电技术的成熟，风力发电的成本将有进一步降低。

当风电装机容量占总电网容量的比例较大时对输电网的安全和经济运行都会带来击。大风天气时风电出力增加，会造成严重的输电瓶颈。此外，大规模风力发电对系统小干扰稳定、频率稳定及电压稳定都有着不同程度的影响。风力发电功率输出的随机波动很大且不可控，预测精度较差，这对发电运行计划方式以及系统备用容量也都提出了新的要求。

二、风力发电机的类型

分析风电并网的影响，首先要考虑风力发电机类型的不同。同风电机组的工作原理、数学模型都不相同，因此分析方法也有所差异。目前国内风电机组的主要机型有3种，每种机型都有其特点。

2.1异步风力发电机

国内已运行风电场大部分机组是异步风电发电机。主要特点是结构简单、运行可靠、价格便宜。这种发电机组为定速恒频机沮，运行中转速基本不变，风力发电机组运行在风能转换最佳状态下的几率比较小，因而发电能力比新型机组低。同时运行中需要从电力系统中吸收无功功率。为满足电网对风电场功率因数的要求，多采用在机端并联补偿电容器的方法，其补偿策略是异步发电机配有若干组固定容量的电容器。

由于风速大小随气候环境变化，驱动发电机的风力机不可能经常在额定风速下运行，为了充分利用低风速时的风能，增加全年的发电量，近年广泛应用双速异步发电机。这种双速异步发电机可以改变极对数，有大、小电机2种运行方式。

2.2双馈异步风力发电机

国内还有一些风电场选用双馈异步风力发电机，大多来源于国外，价格较贵。这种机型称为变速恒频发电系统，其风力机可以变速运行，运行速度能在一个较宽的范围内调节，使风机风能利用系数Cp得到优化,获得高的利用效率；可以实现发电机较平滑的电功率输出；发电机本身不需要另外附加无功补偿设备，可实现功率因数在一定范围内的调节，例如功率因数从领先0.95调节到滞后0.95

范围内，因而具有调节无功功率出力的能力。

2.3直驱式交流永磁同步发电机

大型风力发电机组在实际运行中，齿轮箱是故障较高的部件。采用无齿轮箱结构能大大提高风电机组的可靠性，降低故障率，提高风电机组的寿命。目前国内有风电场使用了直驱式交流永磁同步发电机，运行时全部功率经A-D-A变换，接入电力系统并网运行。与其他机型比较，需考虑谐波治理问题。

三、风力发电并网方式

直接影响到风力发电机能否向电网输送电能以及机组是否受到并网时冲击电流影响。并网控制装置有软并网、降压运行和整流逆变三种方式。

3.1软并网：

现代的风电机组主要以软并网的方式。即采用电力电子装置在发电机转轴同电力网频之间建立一种柔性连接。在风电机组启动时，控制系统对风速不间断地检测。由于异步电动机在启动时，其转速小，切入电网时其转差率较大。会产生相当于发电机额定电流的5—7倍的冲击电流电流。此电流不仅会对电网造成很大的冲击，而影响机组的使用寿命.建议风电机组启动时，其转速接近或达到同步转速时切入电网。尽量避免冲击电流对电力系统及风电机组本身造成损害。当前一般使用的方式是当电机转速接近同步转速时，与电网直接相连的双向可控硅在门极触发脉冲的控制下按0、15、30、45、60、75、90、120、150、180导通角逐步打开，冲击电流将并网限制在2倍电机额定电流以内。可控硅完全导通后，转速超过同步转速进入发电状态，旁路接触器将双向可控硅短路，风电机组进入稳态运行阶段。

3.2降压运行装置：

软并网装置只是在风力发电机启动时运行，而降压装置是始终运行的，控制方法也比较复杂，该装置在风速低于风力发电机启动风速时将风力发电机与电网切断，避免了风力发电机的电动状态。

3.3整流逆变装置：

整流逆变是一种较好的并网方式，它可以对无功功率进行控制，有利于电力系统的安全稳定的运行，缺点是造价高。随着风电场规模的不断扩大和大功率电力电子设备价格的降低，将来这种并网装置可能会得到广泛的应用。

四、风力发电对电力系统的影响

4.1电能的质量的影响

风资源的不确定性风电机组本身的运行特性是风电机组的输出功率是波动的，可能影响电网的能质量，如电压的偏差、电压的波动和闪变、谐波以及周期电压脉动等。电压波动和闪变是风力发电对电网电能质量的主要负面影响之一。电压波动的危害表现在照明灯光的闪烁、电视机画面质量下降、电动机转速不均和影响电子仪器、计算机、自动控制设备的正常工作状况等。影响风力发电产生波动和闪变的因素有很多：随着风速的增大，风电机组产生的电压波动和闪变也不断增大。并网风电机组在启动、停止和发电机切换过程中也产生电压波动和闪变。风电机组公共连接点短路比越大，风电机组引起的电压波动和闪变越小。另外风电机组中的风电机组中的电力电子控制装置如果设计不当，将会向电网注入谐波电流，引起电压波形发生不可接受的畸变，并可能引发由谐振带来的潜在问题。异步电动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，因此并网是必然伴随一个过渡过程，流过5—6倍额定电流的冲击电流，一般经过几百毫安秒后转入稳态。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的影响。但对小容量的电网而言，风电场并网瞬间将会造成电网电压的大幅度下跌，从而影响接在同一个电网上的其它电气设备的正运行，甚至会影响到整个电网的稳定与安全。

4.2谐波影响：

风电给系统带来谐波的途径主要有两种：一种是风力发电机本身配备的电力电子装置，可能带来谐波问题。对于直接和电网相连的恒速风力发电机，软启动阶段要通过整流和逆变装置接入系统，如果电力电子的切换频率恰好在产生谐波的范围内，则会产生严重的谐波问题，随着电力电子器件不段改进，这一问题也在逐步得到解决。另一种是风力发电机的并联补偿电容器可能和线路电路电抗发生谐振，在实际运行中，曾经观测到在风电场出口变压器的低压侧产生大量谐波的现象。

4.3电压稳定性的影响：

大型风电场及其周围地区，常常会有电压波动大的情况，主要有以下三种。风力发电机机组启动时，仍然产生较大的冲击电流。单台风力发电机组并网对电网电压的冲击相对较小，但并网过程至少持续一段时间后（约几十秒）才消失。多台风力发电机组同时直接并网会造成电网电压剧降，因此多台风力发电机组的并网需分组进行且有一定的时间。当风速超过切出风速或发生故障时，风力发电机会从额定出力状态自动退出并网状态，风力发电机组的脱网会导致电网电压的突降，而机端较多的电容补偿由于太高了脱网前风电场的运行电压，引起了电网电压的急剧下降。

五、保护装置的调整：

为了减少风电机组的频繁投切对接触器的损害，在有风期间风电机组都保持与电网相连，当风速在启动风速附近变化时，允许风电机组短时间电动机运行，所以风电机组与电网之间的联络线是双向的，因此风电场的继电保护装置的配置和整定也应是双向的。再有异步发电机发生近距离的短路故障时不能提供持续的短路故障电流，在不对称故障时提供的短路电流也是非常有限的。即使是故障电流非常有限，但也会对影响电网电力系统的正常运行。

在风电场保护装置与整定方面，目前通常做法是按照终端变电站的方案进行配置和整定。主要依靠配电网的保护来切除网络的故障，然后由孤岛保护、低电压保护等措施来逐台切除风电机组，从而在故障期间断开风电场，以减小对电网的破坏。

六、结论：

风力发电作为一种绿色能源有着改善能源结构，经济环保等方面的优势，也是未来能源电力发展的一个趋势，风力发电技术要求具有与传统发电技术相当的竞争力，还需要进一步改善其并网性能，降低风电并网对电力系统的运行带来的负面影响。本文分析了风力发电发电方式、并网方式和对并网后电网运行时可能带来的影响，以及解决方案。期待更加成熟的风力发电技术，以建设具有我国的特色的风力发电技术产业。