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1、大规模风电并网对电力系统的影响摘要：由于风能具有随机性、间歇性、不稳定性的特点，当风电装机容量占 总电网容量的比例较大时会对电网的稳定和安全运行带来冲击。针对这一 问题,阐述了大规模风电并网后对电力系统稳定性、电能质量、发电计划 与调度、系统备用容量等方面的影响。 关键词：风力发电；并网;电力系统;稳定性；电能质量1 风电发展现状1.1 世界风电发展现状风能是一种蕴藏丰富、分布广泛、清洁而可再生的能源，也是最重要 的替代能源之一. 风力发电技术，是产业成熟度最好、市场竞争力最强、 最易实现商业化的可再生能源技术。风力发电无温室气体排放,是二氧化 碳减排的有效技术,几乎适用于世界各地. 风力发电
2、的全球需求巨大，并 持续增长.风力发电在截止2011 年连续第六年创历史新高。这是继2008 年和2009年每年安装的增长率分别为42和35%之后，又一创纪录的结果2。011 年全球总装机容量为41712兆瓦，年均增长率为6。累计安装达21, 比2010年低4 个百分点.风电的累计增速放缓是开始于2008年9 月，是全球金融和经济危机 的直接后果。金融危机过去之后，美国市场逐渐有所改善，20从10 年的 大幅减少到安装6810兆瓦,但是比2009年时的高峰时期仍低30%。美洲地区作为一个整体，从增加了44%的安装到2010年减少42的安装。欧洲保持稳定增长，已安装容量10226兆瓦，比2010
3、年安装的数额 略少，占世界市场的24。5。欧洲仍然是迄今为止累计容量最大的大陆， 达97588兆瓦，比排在第二位的南亚和东亚多约8。3GW.在两个主要的欧 洲市场，西班牙为连续第二年下降（30），而与之相比，德国到2010 年实现29%的稳定增长.然而，通过新兴市场的显著增长欧，洲受到了鼓舞， 尤其是罗马尼亚,波兰和瑞典的新增装机容量。但是尽管欧洲的年跌幅仅 有7%，在全球市场份额中却跌到了迄今为止的最低（4点0。5%）。这主要 是因为在中国的持续快速增长的结果。2011年的观察数据显示全球风能市场比2010年更加多元化。十大市 场满足总需求从2010年的86.8%变为86.4%，通过这一事实
4、就可以证明. 在过去的五年时间里，世界年均装机容量增长率下降到22.7%，受2011年 轻微增长的影响，去年年均增长率为27。8%。在同一时间，平均累计增长 率为26%。表一 20062011世界风电市场增长率中国市场在过去5年经历了爆炸式的增长.今年的新增装机容量为 17631兆瓦，比2010年低了约6.9，但仍然使中国连续3年成为世界第 一大市场。现在的累计装机容量已经达到6了2412兆瓦，比排在第二位的 美国多约30。11。2中国风电开发特点现状我国10m高度层的风能资源总储量为2.26亿kW,其中实际可开发利 用的风能资源储量为。53亿kW。经济增长和能源需求使中国成为世界上 最具发展
5、前景的风电市场，“建设大基地，融入大电网”的风电发展战略, 对风电接入电网规划和运行带来了新的课题。总的来说，我国风电开发具 有以下几个特点：大规模，高集中，远距离。由于以上三个特点，我国风电大规模并网产生了很多急需解决的问题2.2 风力发电机组的并网风电运行有以下的特点：1）风电出力随机性强、间歇性明显风电出力波动幅度大，动频率也无规律性,在极端情况下,风电出力可能在0100范内变化.风电出力有 时与电网负荷呈现明显的反调节特性。2）风电年利用小时数偏低.根据我国部分省区2007年风电年利用小时数统计，风电场年利用小时数参差不齐，一 般在00h左右3）风电功率调节能力差风机在采用不弃风方式下
6、,只能提供系统故 障状况下的有限功率调节机组本身的运行特性和风资源的不确定性，使 得风电机组不具备常规火电机组的功率调节能力3。目前国内外大量采用的是交流异步发电,机其并网方式根据电机的容量不同和控制方式不同而变化。2.1. 风力发电机组并网方法（1）直接并网。这种并网方法要求在并网发电机的相序与电网的相序 相同,当发电机转速接近同步转速时,即可自动并入电网,自动并网的信号 由测速装置给出,而后通过自动空气开关完成并网过程。2）降压并网。这种并网方法是通过在异步电机与电网之间通过串 接电阻、电抗器、自耦变压器等方式,从而降低并网合闸瞬间冲击电流幅 值及电网电压下降的幅度。由于电阻、电抗器等元件
7、消耗功率，在发电机 并网后，进入稳定进行状态时，必须将其迅速切除。(3)通过晶闸管软并网。这种并网方法是在异步发电机定子与电网之 间每相串入一只双向晶闸管连接起来,从而使发电机并网瞬间的冲击电流， 得到一个平滑的暂态过程。2.2风力发电机组并网运行方式(1)恒速恒频方式。风力机组的转速不随风速的波动而变化，始终维 持恒转速运转，从而输出恒定频率的交流,电但具有简单可靠的优点，但 是风能利用率较低.(2)变速恒频方式.风力发电机组的转速随风速的波动作变速运,行但 输出恒定频率的交流电。这种方式提高了风能的利用,率但需增加实现恒 频输出的整流逆变的电力电子设,备并会带来谐波污染。43 风电并网对电
8、力系统稳定性影响3.1对电网调频调峰的影响风力发电接入电网运行对电力系统的影响是多方面的。风力发电接入 电网后，电力网络由一个放射状网络变为一个遍布电源和用户互联的网络 传统配电网中的功率方向总是由配电变压器流向用户,侧接入风电后功率 就有可能反向流过变压器，这样对电力系统设计与分析时就不能采用传统 的方法，从而带来不便。另外，由于风能的随机性，风电场不利于电网的调频、调峰。在风电 机达到额定转速前，其功率与风速的立方成正比，即风速增加一倍，输出 功率增加8倍。由于风能的不可预测，风能分布的随机性等因素，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 负荷变化一般都是
9、相反的即，风电功率大时，电网的负荷往往是在下降的， 尤其是在一些农灌负荷占相当比重的电网中在。风电场装机总量占全网比 重不大的情况下，风电场不会对电网的调频、调峰造成太大的影,反响之 就会有不利影响。3.2对稳态电压分布的影响稳态情况下,风电并网的一个显著特点就是引起接入点的稳态 电压上升。对于大规模分布式发电并入电网，只要其注入的功率大约小于 所接入电网的整体负荷功率的20,就可以减少线路上的功率损失，从而 提升电压水平，因此风力发电并入电网总体上来说是会改善系统的稳态电 压分布状态的，但其改善程度随风力发电机的类型、风电场的接入位置、 风电场的容量、接入电网系统的R/比值的不同而有差别如果
10、选择不当会 导致过电压。一方面风电场的有功出力使负荷特性极限功率增大增强了静态电压 稳定性；另一方面风电场的无功需求则使负荷特性的极限功率减少，降低 了静态电压稳定性，但只要系统的无功供给足够多，则整体上可以认为风 电场的并网增加了系统的静态电压稳定性。也就是说，风电并网对电网静 态电压稳定性的影响可以是正面的也可以是负面的它跟风力发电机的运 行点是密切相关的.3.3对保护装置的影响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，当风速在起动风速附近变化,时允许风电机组短时电 动机运行，因此风电场与电网之间联络线的功率流向有时是双向.因的此， 风电场继电保护装置
11、的配置和整定应充分考虑到这种运行方.异式步发电 机在发生近距离三相短路故障时不能提供持续的故障电流在，不对称故障 时提供的短路电流也非常有限.因此风电场保护技术的困难是如何根据有 限的故障电流来检测故障的发生，使保护装置准确而快速的动作。另一方 面,尽管风力发电提供的故障电流非常有限，但也有可能会影响现有配电 网络保护装置的正确运行，这在最初的配电网保护配置和整定时往往没有 考虑。54 风电并网对电能质量影响4。1谐波对于风电机组来说，发电机本身产生的谐波是可以忽略的，谐波电压 是由电能转换系统、电力电子控制元件和电容器产生的。一台风机在运行 期间产生的各种扰动的程度，主要依赖于其装备的电能转
12、换系统的形式。 对于定速风电机组来说,在连续运行过程中没有电力电子器件参与，因而 也基本没有谐波产生。当机组进行投入操作,软时并网装置处于工作状态, 将产生谐波电流但由于投入的过程较短这时的谐波注入可以忽略QI. 变速风电机组则采用大容量的电力电子元件直，驱永磁同步风力发电机组 的交直交变频器采用整流后接C/DC变换，在电网侧采用逆变器输出恒定 频率和电压的三相交流电;双馈式异步风力发电机组定子绕组直接接入交 流电网，转子绕组端接线由三只滑环引出接至一台双向功率变换器，电网 侧同样采用逆变器，定子绕组端口并网后始终发出电功,转率子绕组端口 电功率的流向则取决于转差率.不论是哪种变速风电机组，并
13、网后变流器 将始终处于工作状态。如果电力电子装置的切换频率恰好在产生谐波的范 围内，则会产生很严重的谐波问题不。过，随着电力电子器件的不断改进， 这个问题也在逐步得到解决。另外，针对变压器采用或接线，也可以采用 Y/ 或A/Y减少输入电网的谐波电流，阻止高次谐波从高压流向低压，危 害用户，或阻止高次谐波从低压侧流向高压侧，危及整个电力.系统 4.2风电并网对系统电压的影响4.2。1 电压波动和闪变在并网风电机组持续运行过程中，由于受塔影效应、偏航误差和风剪 切等因素的影响，并网风电机组不仅产生功率波动，同时也产生电压波动 和闪变等问题。影响风电机组产生电压波动和闪变的因素很,比多如风况、 发电
14、机类型、控制系统和电网状况等等。风况对并网风电机组引起的电压 波动和闪变影响最大,尤其是平均风速和湍流强度.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.大当风速达到额定风速并持续增大 时,恒速恒频风电机组产生的电压波动和闪变继续增大而变速恒频风电机 组因为能够平滑输出功率,产生的电压波动和闪变却开始减小.湍流强度 对电压波动和闪变的影响也是很大的两，者几乎成正比例增长关系其。次， 并网风电机组类型和控制系统对风电机组的电压质量影响也很大。例如， 恒速恒频风电机组对P和3P频率比较敏感会产生较大的电压波动和闪变 但变速恒频风电机组却可以减输频率的影响变速恒频风电机组运行产 生的电压波
15、动和闪变水平远低于恒速恒频风电机组几，乎是恒速恒频风电 机组的1/4.再者，并网风电机组公共连接点短路比和电网线路X比是影响风电机组引起的电压波动和闪变的重要因.素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。合适R/x比可以使有功 功率引起的电压波动被无功功率引起的电压波动补偿掉从，而使整个平均 闪变值有所减轻研究表明，当线跚/x比很小时，并网风电机组引起的 电压波动和闪变很大当线路R/X比对应的线路阻抗角为070%时，并 网风电机组引起的电压波动和闪变最.小4.2.2电压跌落 异步发电机与电网压降由于当前很多中型和大型的并网风机采用异步电,机风机群并网启动 的时候产生的电压
16、波动更加是不可忽视的。异步电机启动的时候通过励磁 从电网吸收无功功率，从而影响到电网侧的电压，风机群并接到弱电网的 时候这种效果就会被放大,导致电网侧电压的突降。从异步电机吸收无功 功率与电网电压的关系图可以看到当电压下降向临界电压cr逼近时， 异步机吸收的无功接近为常.在超过Ucr以后，吸收无珈随电压的下 降反向增长，这会导致电网电压下降的加剧使多台电机的同时投入造成 电压的急剧下降甚至引起电压崩溃.4.2。3无功补偿装置对系统电压的影响由于采用异步发电机，变速恒频风电系统在向电网注入功率的同时需 要从电网吸收大量的无功功率。因此为了补偿风电场的无功，每台风力 发电机都配有功率因数校正装置，目前常用的是分组投切的并联电容器， 电容器的投切属于离散控制在补偿量的各个台阶中有功功率的变化引起 的无功需求仍要由电网电压提供，影
