风电场并网对电力系统的影响

Author:hank

摘要：由于风能资源本身的随机因素，风电场并网往往会对电力系统的稳定性、安全性以及输电质量等产生一系列影响。本文在实例分析的基础上，对这些影响简要进行说明，最后总结了几条改善风电场运行性能的对策。

关键词：风电场；并网；电力系统；稳定性

0 引言

风力发电的快速发展，一方面缓解了来自能源需求和环境保护的压力，对优化能源结构，实现二氧化碳减排，起到有效的积极作用；一方面又对与之相关的风电生产、传输、分配等技术及其标准提出新的要求，在这些方面的突破表现为风电价格的显著下降。风能资源由于存在随即性，在风电传输过程中会对电力系统的稳定产生影响，降低电力质量。这种不良影响会随着风电渗透率的增大而趋于扩大，因此在风电的迅速发展的情况下，必须对这些影响进行研究，予以消除。

1 风力发电特点

    风能与其他的自然资源相似，既存在促进生产，满足经济社会需要的有利特点，又天然具有在时间分布上的随机性和在地域分布上显著差异性等不利特点。总体上，它的优点值得我们为克服其缺点而付出的代价。

    风力发电的不利特点[1]是：

    a) 风能的稳定性差。风能属于过程性能源，是自然产生的，具有随机性、间歇性、不稳定性的特点，风速和风向决定了风力发电的发电状态以及出力大小。

    b) 风能不能储存。对于单机运行的风力发电机组，要保证不间断供电，必须配备相应的储能装置。

c) 风电场的分布位置通常比较偏远。我国的风电场多数集中在风能资源比较丰富的西北、华北和东北地区。

由以上特点伴随的风电场并网，将对接入的电网产生不利影响。

2 风电场并入电网

2．1    同步发电机[2]

同步发电机并网运行时，既能输出有功功率，又能提供无功功率，且频率稳定。该结构允许同步发电机以可变速度运行．能够产生可变电压和频率的功率。

一般是通过AC—DC-AC的整流逆变方式与系统进行并网，其原理结构见图l。

并网方式可采用自动准同步并网和自同步并网。由于自同步并网装置相对简单。操作简化且并网时间短。

2．2    笼型异步发电机笼型异步发电机

一般采用直接并网、降压并网和晶闸管软并网的并网方式。异步发电机的晶闸管并网的结构原理见图2。笼型异步发电机并网不需要同步设备。并网相对简单。维护较少。但为提高转子的转速．需在风力机和异步发电机之间加装增速齿轮箱．并且由于并网瞬间冲击电流较大．还需要无功补偿装置。

2．3    绕线式异步发电机

绕线式异步发电机并网常用结构见图3。定子直接与电网相连，电力变换器与绕线转子相连。三相转子绕组通过集电环与外部相连．通过外接可变转子电阻来改变发电机的转差率．能实现有限变速运行．提高输出功率．同时采用变桨距调节和转子电流控制，可以提高动态性能，维持输出功率稳定．减小风速变化对电网的扰动。

2．4    双馈异步发电机

双馈异步发电机并网结构类似于图1所示系统。由双馈异步发电机和变频器组成，采用脉宽调制技术(PWM)控制。可根据风速的变化和发电机转速的变化调整转子的电流频率，实现恒频控制。其输出电能质量高，可以调节有功、无功功率输出，调节功率因数，起到电网无功补偿的作用。

3 电力系统安全稳定标准

电力系统稳定从广义上讲是电力系统在正常运行条件下能够保持其运行状态，在受到扰动之后能够恢复或者到达另一个平衡的运行状态的能力。国内常按照两种方式分类。第一种根据系统承受干扰的方式和系统的动态过程分为静态稳定、暂态稳定和中长期动态稳定；第二种根据系统失去稳定性后的物理特征分为功角稳定、频率稳定和电压稳定[3]。如图4 所示：

图4 电力系统稳定分类

电力系统静态稳定是指电力系统受到小干扰后，不发生振荡或周期性失步，自动恢复到起始运行状态的能力。电力系统时时刻刻都受到小的干扰，例如，负荷和发电机出力的微小变化，蒸气机压力的波动等，因此，电力系统静态稳定问题实际上就是确定系统的某个运行方式能否保持的问题。 

电力系统暂态稳定是指电力系统在某个运行情况下突然受到大的干扰后，能否经过暂态过程达到新的稳态运行状态或者恢复到原来的运行状态的能力。

3.1    电力系统承受大扰动能力的安全稳定标准 

长期的运行实践证实，国内外历次系统的大事故，几乎无一不与系统失去稳定相 关联，包括失去同步稳定性（系统失步振荡），失去频率稳定性（系统频率崩溃）和失去电压稳定性（电压崩溃）这三类。为了总结我国高压电网安全稳定运行的经验和教训，同时指导电力系统规划、设计、运行和科学试验等有关电力系统安全稳定的工作，国家电力公司颁发了《电力系统安全稳定导则》。将电力系统承受大扰动能力的安全稳定标准分为三级。 

电力系统中的事故种类繁多，对系统安全性的影响也大小不同，单凭经验和直觉难以判断事故的严重性和安全水平， 因此， 需根据这三级标准进行暂态稳定校验工作，并对系统稳定性做全面的评估。这三级要求构筑了保障电网安全运行的“三道纺线”，可以保证在发生稳定故障时，能够保证主要地区和用户的供电。

3.2    电力系统安全稳定计算 

    电力系统安全稳定计算分析的任务是确定电力系统的静态稳定和暂态稳定水平，分析和研究提高安全稳定的措施，并研究非同步运行后的再同步及事故后的恢复策略。进行电力系统安全稳定计算分析时，应研究、实测和建立电网计算中的各种元件、装置及负荷的详细模型。 计算分析中应使用合理的模型和参数， 以保证所要求的精度。  

  （1）电力系统静态安全计算分析 

    电力系统静态安全分析指对系统进行N-1扫描，即逐个无故障断开线路、变压器等元件，检查其他元件是否因此导致过负荷和电网电压偏低，用以检验电网结构强度和运行方式是否满足安全稳定运行的要求。

    电力系统静态安全计算分析的目的是应用相应的判据确定电力系统的稳定性和输电功率极限，检验给定方式下的稳定储备。

  （2）电力系统暂态安全计算分析 

    电力系统暂态稳定计算分析的目的是在规定的运行方式和故障形态下，对系统稳定性进行校验，并对继电保护和自动装置以及各种措施提出相应的要求。 电力系统暂态稳定计算的条件如下： 

    ① 应考虑在最不利的地点发生金属性短路故障； 

    ② 发电机模型在可能的条件下，应考虑采用暂态电势变化甚至是次暂态电势变化的详细模型，考虑发电机的励磁调节器和调速器的作用；

    ③ 继电保护、重合闸和有关自动装置的动作状态和时间，应结合实际情况考虑；  

    ④ 考虑负荷特性。 

    考察系统暂态稳定的判据为： 

    ① 功角稳定：发生故障后，同步系统中任意两台机组相对功角摇摆曲线呈减幅振荡。 

    ② 电压稳定：故障清除后，主要枢纽变电所的母线电压能够恢复到0.8p.u.以上。母线电压持续低于 0.75p.u.的时间不超过 1 秒。 

    ③ 频率稳定：在采取了切机切负荷后，不发生系统频率崩溃，且能够恢复到正常范围及不影响到大机组的安全运行。

4 风电场并网对电力系统稳定性的影响

4．1大型风电场并网运行的特点

    大型风电场并网运行具有和其他常规能源电厂不同的特点：

    1)风力发电机多为异步发电机．在发出有功功率的同时还要从系统吸收无功功率．而且其无功需求随着有功输出的变化而变化。

    2)风力发电一般都是无人值守．由于风能的不可控性．不能根据负荷的大小来对风力发电进行调度。

    3)输入风能的随机性、间歇性致使风电机组发出的电能也是波动的、随机变化的。

    4)风电机组一般距电力主系统和负荷中心较远。与相对较为薄弱的电网相连。

4．2    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[4]。当风电场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将会影响到电网的电能质量和系统中其他一些频率敏感负荷的正常工作。

4．3    对电网电压的影响

    风电场的风电出力较高时，大量风电功率的远距离输送往往会造成线路压降过大，风电场的无功需求及电网线路的无功损耗增大，电网的无功不足，局部电网的电压稳定性受到影响、稳定裕度降低。以吉林白城地区风电接人为例，图5

给出了风电接入后的电压变化曲线。

图5 接入后电网电压变化曲线

    从图5中可以看出，随着接人风电容量的增大。风电场从系统中吸收的无功功率逐渐增大，如果系统不能提供充足的无功，网内相关节点电压会逐渐降低。

    电网的电压稳定极限了风电场最大的装机容量，在电网规划没有与风电规划协调发展时，往往电网接纳风电的能力不能适应风电规划的发展，接入的风电场容量受到电网自身条件的。

    风速变化、风机投切、风湍流等都会引起电压波动和闪变等电能质量问题．一般认为风电场在公共连接点引起的电压波动应满足表2的要求[4]。

表1 电压变动限值

    风电电源往往远离电力主系统和负荷中心．与电网之间的交流连接相对较弱。若大容量感应型风电场机组退出运行时。会瞬间造成大量无功富余。使系统有过电压的危险。

4．5    小干扰稳定问题

    风电电源远离负荷中心．须通过长距离输电系统跨区输送电能．电力潮流的增大有可能一定程度上影响整个系统的小干扰稳定性。

4．6    对电网继电保护装置的影响

    风电场有时可能会带来逆向潮流．引起原有保护系统的功能紊乱。另外,故障时风力发电机提供的故障电流非常有限．有可能影响现有配电网络保

护装置的正确动作。

4．7    风电的随机性对电网调度计划的影响

    电网的发电计划主要是基于电源的可靠性、负荷的可预测性。当系统风电容量达到一定的规模后．风电的随机和不可预测性会给传统的调度安排和实施带来影响。

5 风电场并网举例[5]

5．1东海大桥海上风电场并网接线 

    下图是一个简化后的东海大桥海上风电场并网示意图。

图6 东海大桥海上风电场接线图

    由于风力发电机的机端电压是不稳定的， 因此在发电机机舱里安装有一个风机箱式变压器，用来将风机端口的0.69kv电压升至35kv，这也是发电机的一部分。 

    风力发电机获得电能以后，需要通过海底电缆将电能传输到岸上的电网。东海大桥海上风电场这一工程的电缆主要连接风机与风机之间，风机与变电站之间，均为海底铺设，总长约76 公里。 

    电能传输到岸上以后需要再经过一次变电站。东海大桥海上风电场经过岸上的110kv升压变电站升压后电压等级达到110kv， 然后经由两回11公里长的110kv电缆接入220kv海洋站的110kv母线并纳入上海市电网。

5.2     上海南汇风电场并网接线 

    上海南汇风电场自 2005 年 5 月投运以来，积累了大量的运行经验，因此对于分析东海大桥海上风电场接入对电力系统运行的影响具有参考价值。它共装配了11 台风机，容量 1.65 万千万。风机电压在风电场中升至 35kv 后通过两路电缆与架空线的混合线路接入35kv大治站。 

    总的来说，东海大桥海上风电场并网接线方式与陆上风电场如南汇风电场类似，故它在并网时可以借鉴南汇风电场已有的运行经验。但是两者接入电网的电压等级有所区别，对电力系统的影响也各不相同。

图7 上海南汇风电场并网接线图

    首先， 两者在接线上最大的区别在于海上风电场必须使用很长的海底电缆进行电能输送。由于长电缆会产生大量的无功功率，因此在并网时必须认识到这一特点并加以关注。  

    其次，东海大桥海上风电场经过升压站后直接接入220kv变电站的110kv母线，而南汇风电场则接入 35kv 变电站的 35kv 母线。由于电压等级的不同，东海大桥海上风电场对于配电网电压波动的影响要小于南汇风电场。

5．3上海南汇风电场运行分析 

    上海南汇风电场的容量与东海大桥海上风电场相比较小， 但其对电网产生的影响对于研究大型海上风电场并网具有重要的借鉴意义。在实际运行中发现，南汇风电场对于电网调峰，调频几乎没有影响，但它对区域配电网的电能质量尤其是电压波动却起到了很大的作用。

    以大治站 35kv二段母线电压的电压合格率为例。自2009 年1 月1 日至2009 年5 月31 日的五个月时间中，共采集电压28 次，其中合格6969 次，电压合格率仅为78.06%。在同一时间段内，上海市东电网 35kv 母线电压平均合格率为95.23%。大治站 35kv 二段母线的电压合格率远远低于电网平均水平，由此可见南汇风电场并网后对区域配电网的电压波动产生了较大的影响。

    在上海，夏季台风来临也会对风电场的运行产生较大的影响。台风初来时往往伴随着风力上升，此时风电场风机处于满发状态。但随着风力不断加大超过了风机的切出风速时，风电场中所有的风机会在短时间内全部停止。风机出力突然变化可能会给电网带来较大的冲击及电压波动。由于南汇风电场容量较小，因此其对电网冲击不大，但是风机停止时会减少从电网吸取无功，从而导致电缆中产生的无功功率全部注入大治站，引起大治站35kv 母线电压异常升高。

图8 母线电压曲线图

    上图为2007 年9 月19 日台风“韦帕”来袭时上海南汇风电场35kv 母线的电压曲线。由图可知，在台风的影响下这一天的电压合格率仅为 48.78%，电压最大值甚至达到了38.86kv，严重影响到了区域配电网的电压质量。

5．4东海大桥海上风电场运行分析 

    由于东海大桥海上风电场投运时间尚短，并未达到其最大出力，也没有经受过台风等恶劣天气的考验，因此还无法在实际情况中检验其在极端环境下对电力系统的影响。 

    在正常运行情况下， 由于尚未达到其设计最大出力， 东海大桥海上风电场对电网调峰，调频几乎没有影响。在无功管理方面，由于东海大桥海上风电场是接入 220kv 变电站的110kv母线，其连接点短路比远大于南汇风电场接入点的短路比，无功出力的波动比较容易得到电网的支持，因此引起的电压波动也较小。相对而言，东海大桥海上风电场对于区域配电网的电压质量影响也较小。

5．5大型海上风电场接入对电网调度的影响

    借鉴陆上风电场的运行经验并结合自身特点， 大型海上风电场接入对电网调度的影响主要集中在以下两个方面： 

5．5.1    对无功管理的影响 

    海上风电场与陆上风电场相比其最大的特点就在于它必须使用较长的海底电缆来输送电能，这给电网无功管理带来了新的问题。例如：在风力很小时海上风力发电机会停止工作，此时风电场的无功需求非常小，电缆产生的无功将全部倒送入电网，可能会使地区的电网电压过高，从而影响电压稳定。因此，调度员应随时了解海上的风速变化，根据风机的出力及时调节无功补偿设备，从而提高电网的电压质量。

5．5.2    对调峰、调频的影响 

    由于风能的不可预测，风能分布的随机性等等因素，风电的出力变化也在相当程度上不可预测和控制。同时，风电的出力变化与电网的负荷变化往往是相反的，即风力发电减少时，电网的负荷往往是上升的，尤其是在夏季高温时，空调降温负荷占相当比重的电网中。在天气异常炎热时，海面上的风力往往偏小，这又进一步导致了炎热加剧，引起降温负荷持续飙升。大型海上风电场接入电网后，电网调度员必须计及其对电网的负调峰影响，合理安排机组的出力和检修。

    由于上海电网规模较大，并且具有较多的备用容量和调节能力，因此一般不必考虑东海大桥海上风电场并入电网后引起的频率稳定性问题。但是由于其处在海上，受台风影响的可能性也较陆上风电场更大。一旦台风袭击上海，海上风机可能会在极短的时间内从满发转为停止，这样就会使电网在数分钟内失去 100MW 的出力，对电网产生较大冲击和波动，严重时甚至可能导致电压崩溃。因此，调度员必须为此制定预案，密切关注天气情况。一旦台风即将来临，不能借着风力增大的时机增加风机的出力，反而应当有选择性地关停部分风机，以免风电场由于风力过大停机导致出力突然减少，进而影响电网稳定。

6 消除风电场并网不良影响的措施

    1)改善电网结构：并网风电机组的公共连接点短路容量比和电网的线路X/R比是影响风电机组引起的电压波动和闪变的重要因素。提高公共连接点短路容量比和采用适当的线路X/R比能够有效抑制风电机组引起的电压波动和闪变。

    2)改善并网方式：采用双向晶闸管控制的软启动(Soft Start)装置并网，减小风电场并网对电网造成的冲击．将风电场并网时的冲击电流在1.2—1.5倍额定电流以内,得到—个比较平滑的并网过程。

    3)利用补偿装置抑制电压波动与闪变．如静止无功补偿器(SVC)、有源滤波器(APF)、动态电压恢复器(DVR)以及配电系统电能质量统一控制器(UPFC)等。

参考文献：

[1] 黄德琥,陈继军,张岚. 大规模风电并网对电力系统的影响[J]. 广东电力，2010,

    33(7):27-30

[2] 王天施,苑 舜. 风力发电对电网的影响及对策[J]. 高压电器,2010,46(8):-92.

[3] 骆玲. 并网风电场对电网稳定性影响的数字仿真基础研究[D].武汉:华中科技大学，2007

[4] 庞爱莉．风力发电场接人后对系统的影响[J]．上海电力，2007(1):33-35.

[5] 缪源诚. 大型海上风电场并网对配电网的影响探讨. 上海: 上海市电力公司浦东供电公司,2001