风力发电对电力系统影响探析

2016-11-30周伟

中国新技术新产品 2016年17期

关键词：发电机组风力风电场

周　伟

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610000）

风力发电对电力系统影响探析

周伟

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610000）

随着国家和社会对于环保越来越重视，一批如风能发电、太阳能发电等清洁能源开始逐步得到推广和应用，成为电力能源发展的新方向。尤其在风能发电的运用上，已经取得一定的成就，但是仍存在发电规模、质量、稳定性等问题，需要进一步提升科技水平来解决。本文通过对风力发电对电力系统的影响进行分析，结合具体的情况，提出一些合理的意见和建议，以期今后得到更好的应用。

风力；风力发电；发电质量；稳定性

目前，在国内的各种新能源的开发利用方面，风能发电的优势进一步彰显。首先由于风能发电在技术上得到长足发展，效率大大提高，从而使得风能利用的成本不断降低，经济效益凸显。其次，在环境保护方面，风能是清洁无污染的能源，在发电过程中不会对周围的自然环境产生较大的影响，环保效益显著。但是，在实际的运用过程中，大规模风力发电与国家电网并网运行仍然存在很多技术问题，需要进一步研究。本文主要就是从大规模风力发电并网对电力系统的影响研究，寻找解决问题的有效措施。

一、风力发电并网对电力系统的影响

在国外有很多国家的风力发电系统已经非常成熟地并入其国家电网，取得了一定的技术成果和经验。但是，由于我国国家电网和国外的电网系统存在很多不同，所以很难借鉴到我国的并网运行上来。目前，风力发电在并网过程中，主要面临的问题是发电规模、质量以及稳定性等，需要认真研究。

1.风力发电的规模设计问题

尽管近些年风力发电在国内迅速发展，但是总的发电规模以及装机容量与我国国家电网总的装机容量不构成显著的比例，并没有对电力系统构成什么重大的影响。但是由于我国风力资源的分布集中在西部地区，那里气候恶劣，地广人稀，用电负荷量本来就不高，一旦大规模进行风力发电的开发运行，就会对当地的电力系统产生较大的压力，这就导致对我国风力发电产生严重的制约因素。同时在另一方面，由于我国西部地区的风力发电，一般比较受制于气候条件的影响。尽管国内已经为风电场安装风功率预测系统，但是由于受到自然因素的影响比较大，电力生产无法得到有效保障，所以对于国家电网来说，无法形成有效地电力调配，这也导致对于当地的电力系统产生很多不确定的影响，构成安全隐患。这些因素就形成了对于风力发电规模的制约，需要进行科学的研究和分析，才能确保进一步扩大风力发电的规模。

2.电压波动和闪变对发电质量的影响

风力发电最大的影响因素就是风力大小的不确定性，导致发电机组的运行过程中出现电压波动和闪变等问题，而电压的波动和闪变就会对电网电能质量产生较大影响，这就会对整个电网安全和效率构成威胁。同时，风电发电机组的启动、运行、关闭等操作也会产生电压的波动以及闪变等问题。另外，如果风电机组中的大功率电力电子器件设计不合理，就有可能对电网输入谐波电流，引发电压波的畸变，从而导致一系列的问题产生。因此，这些不稳定的电压以及闪变问题，并网后就会对整个电网的发电质量产生影响，不利于电网安全、稳定运行。

3.对电网稳定性的影响

风力发电机组与电网的并网点，通常位于电网的末端，这就导致在向电网输电的过程中产生逆向的电流流向和潮流分布的改变，这是之前没有考虑和遇到的问题，所导致的结果就是风力发电机组对于周围的局部电站或线路施加相当大的压力，有可能导致输电线路的崩溃。同时，风力发电机组向电网发电，由于是异步发电机组的功率输出，就会相应地从国家电网吸收无功功率，为了有效补偿发电机组的无功功率损失，需要安装动态无功补偿装置（SVC或SVG），或者更为先进的SVG设备来校正。随着风力发电规模的越来越大，这就导致风力发电机组对于整个国家电网的影响也越来越大，风力发电机组产生的不稳定性因素对于电网的冲击也在相应地增大，一不小心就会使得整个国家电网的系统陷入混乱状态，失去稳定性。

4.保护装置不能有效运转

在进行风电发电机组的运行过程中，由于机组受到风速的影响比较大，经常发生对接触器的损害，所以要适当安装电动机设备，在必要的时候进行补充运行，但是这就导致风力发电机组与国家电网之间的电流有时会出现双向流动。如果风力发电机组的系统设计时，没有充分考虑到这样的情况，就有可能对原有的保护装置产生损害。同时在风力发电机组产生短路等各种故障的时候，没有形成一部分短路电流，机组的保护装置可以借助这部分电流进行运行，迅速准确查找故障的原因，但是这种设计在保护装置起初的设置中没有考虑到，这就导致保护装置在风力发电系统发生故障的时候不能有效发挥作用。

二、风力发电对电网影响的解决措施

1.风力发电规模的科学设计

为了有效解决风力发电规模的问题，需要采取相应的措施，解决面临的问题，目前国内外对于风力发电规模的研究，首先基本上依据风电穿透功率极限与风电场短路容量比这两个指标来判断风力发电规模的大小。在风电穿透功率极限这个概念中，需要注意风电穿透功率与风电场装机容量和系统总负荷有关，两者之间的比例就能确定风电穿透功率的大小，而风电穿透功率极限，就是风电穿透功率的最大值，反映出最大的风电场装机容量。在具体的分析过程中，西方国的一些统计数据，要求功率达到15%以上就可以建设风力发电设施。另外一个指标就是风电场短路容量比，其内容包括风电场额定容量与该风电场与电力系统的连接点的短路容量之比。其中短路容量主要表示网络结构强弱情况，当短路容量小就可以说明该节点与系统电源点的电气距离大，联系不紧密。风电场接入点的短路容量比大表明系统承受风电扰动的能力弱，对于短路容量指标在欧洲需要达到4%左右，日本需要更宽松达到10%左右也是可以的。其次就是需要考虑风电场最大注入功率的影响，这就需要从风电场的运行特点以及其他设备的调节能力还有网络结构等因素来研究，发现风电机组的最大注入功率受到风电场接入地区的中枢点电压水平以及风电场接入系统的联络线大小等因素共同影响，只要提高接入系统的电压调整能力、增加无功补偿量和采用较小的联络线就提高最大注入功率。

2.增强电能质量

为了有效提高风电系统并网后的电网供电质量，需要采取有效地措施改善电网结构。并网过后的连接点短路比和电网线路是影响风电系统电压和闪变的重要因素，其中公共连接点短路比与风电系统的电压波动以及闪变成反比，短路比越大，电压的波动和闪变就会越小。同时，安装合适的电网线路也可以有效降低电压波动和闪变。当然也可以使用电子装置，降低风电场并网过程对电网造成的影响。

3.提高电网的稳定性

对于提升整个电网的稳定性，首先需要通过计算风速和负荷变化对风电场输出有功功率和无功功率影响，然后安装分组投切电容器，但是这种电容器不能对连续波动的电压进行有效调节，还需要安装静止无功补偿器，这种设备可以有效调节无功补偿功率的大小，并且针对连续性的电压波动，提供相应的电压支持，提升整个系统的性能稳定性。其次，还需要安装超导储能装置（SMES），这种装置能量密度高，而且可以快速吞吐有功功率。利用基于GTO的双桥结构换流装置，SMES可以在四象限灵活地调节有功和无功功率，为系统功率不足的地方提供补偿。这样就可以降低输出功率的波动，使得电压得到稳定，提高了电网的稳定性。

4.保护装置的设计

目前对于保护装置的设计，首先在安装方面都是从终端变电站安装和整定。其次在具体的过程中，主要是通过孤岛保护、低压保护等措施来对于发生故障的风电机组进行逐一排除，断开与电网的联系，等恢复正常以后，继续连接使用。最后，就是由于风力发电的规模越来越大，可能这种装置的功效的稳定性就会受到较大的影响，不一定能及时发挥作用。