风电场和电力系统的相互影响

----风电并网对电压稳定的影响

引言：

 2011年3月18日，中国可再生能源学会风能专业委员会发布了《2010年中国风电装机容量统计》报告。其中中国的新增、累计容量均居世界首位，中止翻番势头。2010年中国（不包括地区）新增装机容量127.99MW，同比增长73.3%，累计装机容量达到44733.29MW。

另外根据丹麦BTM公司2009年的风电报告，预计从2010年到2014年新增装机总量79,000 MW，累计装机达到104,853 MW。我们可以看到我国近几年风电发展十分迅猛（2006-2009这四年间平均增速超过100%，2008-2009年为113.3%，2010年为73.3%）。

但是随着风电装机规模不断增加,大规模风电并网对电力系统产生的影响将逐渐突出,由此带来的相关系统问题将成为我国风电发展的主要制约因素之一。在这里我们主要探讨风电并网对电压稳定的影响

1、风电机组类型和无功特性

目前大型风力发电机组一般有两种类型,一种是采用异步发电机的固定转速风电机组,另一种是采用双馈电机或通过变频器并网的变速风电机组。固定转速风电机组发出有功的同时吸收无功功率,不具备调压能力,其电压通过无功补偿和调节系统电压水平来调整；通过变频器并网的变速风电机组不具备发无功能力,但通过调节变频器,可以使并网时功率因数达到很高水平；变速恒频风电机组具备调压能力,在发出有功功率的同时可以发出无功功率,并可根据系统需要在一定范围内调节无功输出,但从目前国内安装的变速恒频风电机组情况来看,大部分没有应用调压功能,运行中保持机端功率因数为1.0。

2、风电并网对电压稳定的影响

风电场并网运行对电网的影响由于风电具有随机性和间歇性特点,并网风电将对电网产生一定影响。风电发展初期装机规模较小,与配电网直接相连,对电网的影响主要表现为电能质量,随着大规模风电接入输电网,系统调峰压力加大,系统稳定和运行问题突显。电能质量风电机组对电能质量的影响主要表现在高次谐波、电压闪变和电压波动上,在采用双馈变速恒频风电机组的情况下较为严重。并网风电机组在连续运行和机组切换操作过程中都会产生电压波动和闪变。表一为风电场在公共接点引起的电压变动。

从有关实际运行情况及数据来看大规模风电接入对电网电压的影响问题主要是由于我国风能资源丰富地区距离负荷中心较远，大规模的风力发电无法就地消纳，需要通过输电网远距离输送到负荷中心。在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l给出了风电接入后的电压变化曲线。

从图1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。研究表明，通过采用一定的无功补偿手段，可以增加电网的电压稳定裕度、提高风电场的最大装机容量。

从图2中可以看出，如果在风电场中安装一定容量的无功补偿装置(如并联电容器组)来提高风电场并网点的电压水平，能够改善风电接人地区的电压水平，提高电压稳定裕度，增加风电场的最大装机容量。另外，加强网架结构、采用具有电压无功控制能力的双馈变速风电机组，都町以更好地改善风电接入地区电网的电压水平与电压稳定性。实际运行过程中，在风电功率波动大、无功需求量大且变化相对较快时，可能单依靠电容器组快速投切不能满足控制的要求，这时就需要在风电场内安装能够在风速波动时提供快速的无功支撑，有利于电网和风电场的无功电压调节的动态无功补偿装置。因此从无功电压控制角度考虑，宜采用具有调压功能的变速恒频风电机组。另外，在风电场内和并网点可适当考虑配置快速无功补偿设备SVC（静止无功补偿器）或STATCOM（静止无功发生器）；风电场变电站的主变压器宜采用有载调压变压器，分接头切换可手动控制或自动控制，根据电力调度部门的指令进行调整。

另外风电给系统带来的谐波主要来自于风机本身配备的电力电子装置，风机的并联补偿电容器也可能和线路电抗发生谐振。谐波问题一般通过在风电场内采取相关措施来解决。

同时风电场出力的变化对电网的频率特性也有影响。因为电网的调峰能力取决于地区负荷水平及特性、电源结构和备用容量大小。风电场出力可以看作为负的负荷，风电场接入电网后加大了电网的等效负荷的峰谷差。风电场总的出力范围约为风电装机的2%～70%（地理分布越广，装机容量越大、风电场出力越平滑）。在地区无风的情况下，电网调峰压力加大。地区电网的调峰能力一定程度上了并网风电的总规模。在风电比较集中地区宜建设一定容量调节速度快、性能好的电源（例如抽水蓄能电站）配合风电的运行，提高系统调峰能力，增加电网接受风电的容量。电网稳定性大型电网具有足够的备用容量和调节能力，对于小容量风电场一般可以不考虑风电进入引起频率稳定性问题，但是随着并网风电规模的加大，频率稳定问题将会有所突出，风电机组宜考虑参与系统频率控制。

分析可见，受电网调峰能力和无功电压控制的制约，一个既定的电力系统可接受的风电装机容量是有限的。值得注意的是，目前部分地区风电项目总规模（已投产、在建和已开展前期工作的项目）已超过某些设计年份电网最大接受风电能力，为满足电网运行安全，需要合理安排风电场投产规模和时序，加快电网及调峰电源的建设，提高电网接受风电能力。

结论1、由于风电的随机性和间歇性特点，及其很强的地域性，风电大规模发展对电力系统产生一定影响。2、一个既定的电力系统可承受的风电容量是有限的，有必要对系统调峰能力、无功电压控制等方面进行研究，科学地确定各地区风电场可接入电网的容量。3、风电场宜优先考虑电量的就地消化，对于风电大规模外送，需综合考虑合理选择送出方式，结合地区电网规划研究输电方案。另外，风电场接入点短路比是风电场接入系统需要考虑的重要因素。4、随着风电规模的增加，系统在频率、电压控制方面需对风电机组提出更高的技术要求。5、传统的电源运行方式和控制手段需要进行适当的改进和调整。6、为保证我国风电大规模的快速发展，需要加大电网投资，应积极做好配套电网建设。

建议1、风力发电应纳入地区电源及电网规划统筹考虑。当某一地区的风电场总装机总容量超过1000MW，建议对集中建设的风电场进行相关输电系统规划设计。2、建议加大风电前期工作力度，做好风电场的出力特性研究和发电量预测，为风电的大规模发展提供充足的项目储备和翔实的基础资料；建立各并网大型风电场的实时信息数据库，研究随机的发电计划算法，为风电并网运行提供技术支持。

参考文献：

1.《风力发电基础》王海云 重庆大学出版社

2.《中国能源报》2011年03月28日第21版

3.《风电并网对电压稳定的影响》2008中国国际供电会议 作者：丁巧林，丘忠，杨宏

4. 《风电并网系统问题探讨》作者：李炜，张琳，宋璇坤

5. 《大规模风电并网引起的电力系统运行与稳定问题及对策》作者：迟永宁等 《电力设备》2008年11月第9卷第11期