第五讲风电场对电网的影响

风力资源大都分布在沿海和一些边远地区，这些地区没有主 干电网，地区电网短路容量水平较低，R/X比值较大，
起动时的问题已经用软起动等技术基本解决
风电场对电压影响：慢速电压变化
慢速电压变化可用潮流计算来分析。在最高（对应最小负荷和风电最大）和最低 （对应最大负荷和没有风电）两种电压水平情况下的电压分布。节点1是高压变压 器的中压节点，其电压设定为常值1.0（p.u）。五台750kW的风机所构成的风电场 连接于节点54-58，而所有其它节点通过低压变压器和低压线与用户相连。
W=[(P- p)2 +(Q + q)2]R/V02
风力发电对配电网损耗的影响(续)
功率损耗取决于有功和无功负荷与风电场发电量的相对大小， 网络损耗可能降低，也可能增加。因此一年中有的时期可能
W=(P2 +Q2)R/V02
损耗增加，而另外的时期损耗可能降低。
W=[(P- p)2 +(Q + q)2]R/V02
采用分步补偿方式，根据运行工况进行自动分组投切。当电机满载时， 功率因数一般都能补偿到0.95以上，补偿结果：
发电机负荷（%）
0 25 50 75 100 125
补偿后功率因数（cosφ）1.0 1.0 1.0 0.99 0.99 0.98
5．4 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。 正常运行时风电穿透功率过大会引起电压崩溃。因为普通的无功补偿方
END
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无功功率负荷和电压控制
△V= V1-V0= (PR-XQ)/V0
有风电时，配电网的设计趋势受电压考虑的驱动而不是由设备的热极 限来驱动。风电场并网常常受电压波动考虑的制约。
评估电压极限的方法。通常考虑两种工况： (1) 风电场最大输出而网络负荷最小→电压升高 (2) 风电场零输出而网络负荷最大→电压降低
系统稳定性算例
•考虑停运一条132kV馈线 作为紧急事故状态； •当地负荷和当地发电量 均很少； •在高风电穿透功率下在 非停运馈线（节点1至节 点2）会造成热过负荷； •当风电功率超过100MW 时严重电压跌落 •当风电发电量超过 140MW时将发展为电压 崩溃
电压随风电注入功率的变化
△V= V1-V0= (PR-XQ)/V0
改善电压措施：功率因数校正电容器
每台风力发电机都设有无功补偿装置：可投切电容器，SVC
最大无功补偿量是根据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，一般为大于0.98。
丹麦N43/600kW异步风力发电机组的功率因数是0.62~0.87，每台风力 发电机都装有电力电容器200~300kvar。
对电网继电保护装置的影响（续 ）
风电扬的保护配置：33/11kV变压器中心点直接接地或经电阻接 地，两侧装有断路器。11kV/0.69kV变压器中性点可直接接地或 不接地，两侧装有负荷开关。发电机中性点不接地。
系统通常配置断路器和熔断器，采用电流速断和延时过流（反时 限特性）保护等。
与常规配电网保护不同，风电是间隙性的，风电场中有些元件通 过的潮流可能是双向的。风力发电机组在有风期间都是和电网相 连的，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。此时会改变系 统的潮流方向，容易引起保护装置的误动作。
提高系统的备用容量 采取优化的调度运行方式。
5．3 对电网电压的影响
风电出力变动大，多数采用感应电机，需从电网吸收无功建立磁场： 大多在电网的边缘即电网的薄弱点（短路容量较小的点）联网，所以在联
网时必然会影响电网的电压质量和电网的电压稳定性。 影响有慢的（稳态）的电压波动，快的电压波动（导致闪烁），波形畸变
风电引起的保护问题
瞬时故障跳闸后又重合于故障
邻近馈线故障，风 电也提供短路电流 引起不必要的断开 风电
对电网继电保护装置的影响（续 ）
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，发电机失去励磁，很难向电网输送短路电流。 异步发电机在三相短路故障时仅能提供很小的持续短路电流（I≈0）， 两相短路时异步发电机提供的短路电流最大。
网络中的电气损耗是因风电的存在而变化的，所以如果损耗降低了，风电场可受得到
奖励；如果损耗增加了，风电场必须支付该费用。
如何确定风电场的影响? “置换法” :简单的方法是分别计算有和没有风力发电时网络 损耗，计算可以针对一个典型网络负荷和发电机（风电场）输出进行。
在英国置换法被用来计算损耗调节因子。损耗调节因子用来对配电网络和输电网络连 接点负荷需求/发电量也就是配电网损耗总加。英国损耗调节因子5~10%范围。
软起动并网原理与过程
风力机将发电机带到同步速附近，发电机输出端断路器闭合，发电 机经一组双向晶闸管与电网连接，双向晶闸管的触发角由180o向0o打 开，双向晶闸管的导通角由0o至180o逐渐增大。
电流反馈对双向晶闸管导通角的控制，冲击电流限制在1.5~2倍额定 电流以内，从而得到一个比较平滑的并网过程。
（即谐波），电压不平衡（即负序电压），瞬态电压波动（即电压跌落和 凹陷）等。例如：
由于风速变化、风机投切、风湍流等引起电压波动。当无功补偿不足时，有功 和无功潮流都有发生反向的可能性，在这种情况下，电压的升降和输电线的 R/X有关系。
风电的出力中存在周期短（1Hz级）且变动大的功率波动现象，所以容易发生 电压脉动。主要起因是由于塔架遮蔽造成的气流紊乱。
抑制并网冲击电流的方法
在感应发电机与三相电网之间串接电抗器，使系统电压不致下跌过大， 待并网过渡过程结束后，再将其短接。
人工干预使风电场的风电机组不同时起动，限制风机启动时对电网的冲 击。
采用双向晶闸管控制的软并网方式（soft start）。目前软并网技术的控 制方式有两种，一是电压谐波方式，另一种是限流方式。整个软启动过 程可以在几百毫秒到一秒钟内完成，也就是在十几个周波到几十个周波 内完成。
由于电能转换系统可控硅控制元件和电容器产生的谐波电压。 起动时需要较大的起动电流，有引起系统瞬时电压下降的危险。
对电网电压的影响（续）
从经验看，大量引入风电产生的联网问题主要是薄弱系统的 电压问题，逆潮流引起的静态电压问题较多，其次是闪变问 题， 解决办法：加装无功补偿设备和调相设备或减少系统阻抗
异步发电机功率关系与简化等值电路
功率关系与简化等值电路
r1 x1
r2 x2
Pcu1
rm PFe Pcu2
I x1 r2/s x2
U
xm
Pe
xm PM
PΩ r2(1-s)/s
I
x1
r2/sபைடு நூலகம்
x2
冲击电流的影响因素和危害 U xm
影响异步发电机并网时的冲击电流大小的因素：
—
发电机本身暂态电抗，
并网过程结束后，将双向晶闸管短接。
齿轮箱 风力机
感应发电机
电网 断路器
5．2 对电网频率的影响
风速的随机性决定着风机出力的随机性。风机的并网与脱网很难预测， 风电实际上是系统的一个干扰源。
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 电网频率的影响就是显著的，影响了电网的频率质量和一些频率敏感负 荷的正常工作。
目前，许多国家并不考虑风电引起的网络损耗的变化。
风电发电对输电系统损耗也有改善。
无功功率负荷和电压控制
损耗计算公式还表明，如果要使网络损耗最小化，就希望风电机尽可能运行 在单位功率因数（即q = 0)。
降低无功流动反映在许多公司的电价中，用户要承担一个周期内吸取的无功 电量(kVArh)或峰值无功功率(kVAr)(这样的电价通常用于有功和无功都向同一 个方向流动的情况)。
x
' d
小，电流大；
— 并网时的电压大小，U大，电流大；
— 其有效值还与并网时的滑差S，S越大，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。
对小容量的电网系统或接入点短路容量很小时，并网瞬间会引起电网电压 大幅度下跌，从而影响接在同一电网上的其他电气设备的正常运行，有可 能导致电机保护开关动作，使并网失败，甚至会影响到小电网系统的稳定 与安全。
5.7 风力发电对配电网损耗的影响
风力发电接入配电网将改变有功和无功功率的流动，因此将改变网络 中的电气损耗。
没有风电场时，当向负荷提供有功功率负荷P，无功功率Q时，经配 电馈电线电阻R，在电路中的电功率损耗为W=I2R，近似等于 W=(P2 +Q2)R/V02
如果风电机连接于母线，输出有功功率p和输入无功功率q，则损耗近 似为
风机出口电压是低压系统如0.69kV，折算到35kV(或更高电压等级)侧 时其阻抗需乘以K2＝（U35／U0.69）2，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。
风电场故障电流主要是公用电网电源提供的。风电场保护的困难是要 根据有限的故障电流识别故障的发生。
常规配电网中无功潮流的任何减少都将导致网络上较小的电压波动（有负荷 时电压跌落）。然而当用于风力发电时，它们也可能有不同的结果，风力发 电送出有功时，为网络电压控制而吸取一些无功功率，因而限制电压升高可 能是值得的。 这种情况下，发电机吸取无功功率以控制由于有功功率输出引起的电压升高， 但要为这些无功需求收费。
风电引起的保护问题
风电接入配电网，则由继电器 感知的故障电流可能增加或减 少，取决于发电机和故障的位 置；
K1处故障，由10KV馈线继电器 看到的故障电流增加了，而在 K2处故障，由10KV馈线继电器 看到的故障电流可能减少了， 因为风电的接入，K2处故障时， 风电接入点残压提高了，由系 统提供的短路电流小了。