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1、第五讲第五讲 风电场对电网的影响风电场对电网的影响5.15.1风力发电机并网过程对电网的冲击风力发电机并网过程对电网的冲击5.25.2对电网频率的影响对电网频率的影响5.35.3对电网电压的影响对电网电压的影响5.55.5对电网稳定性的影响对电网稳定性的影响5.55.5对电网继电保护装置的影响对电网继电保护装置的影响5.65.6对电能其它质量的影响（见第三讲）对电能其它质量的影响（见第三讲）5.75.7对配电网损耗的影响对配电网损耗的影响引言引言n风力发电特点：风力发电特点：原动力风的随机波动性和间歇性决定了风力发电机的输出特性也是波动的和间歇的风能资源地往往在电网相对薄弱的地方，对开发风能资
2、源构成了技术约束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，其无功需求是随有功输出的变化而变化的风电场容量在系统中所占比例的增加，风力发电对系统的影响就会越来越显著。n并网风力发电机组对电力系统的影响：并网风力发电机组对电力系统的影响：风力发电机并网过程对电网的冲击对电网频率的影响对电网电压的影响对电网稳定性的影响对电网继电保护装置的影响对电能其它质量的影响（第三讲）对配电网损耗的影响异步发电机有功无功曲线异步发电机有功无功曲线5.1 风电并网过程对电网的冲击风电并网过程对电网的冲击 n感应发电机的并网条件是：n转子转向应与定子旋转磁场转向一致，即感应发电机的相序和电
3、网相序相同。n发电机转速应尽可能接近同步速（98100同步速）。n并网的第一个条件必须满足，否则电机并网后将处于电磁制动状态。第二个条件不是非常严格，但越接近同步速并网，并网冲击电流越小且衰减时间越短。n风力发电机并网冲击电流产生的原因是异步电机作为发电机运行时，本身没有励磁机构，并网时发电机本身无电压，故并网时必然伴随一个过渡过程（一般零点几秒即可转入稳态）。试验证明，直接并网时，风机起动产生的冲击电流是额定电流的58倍。异步发电机功率关系与简化等值电路n功率关系与简化等值电路冲击电流的影响因素和危害冲击电流的影响因素和危害n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，
4、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。n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电网电压大幅度下跌大幅度下跌，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，使并网失败并网失败，甚至会影响到小电网系统的稳定与安全。抑制并网冲击电流的方法抑制并网冲击电流的方法n在感应发电机与三相电网之间串接电抗器串接电抗器，使系统电压不致下跌过大，待并网过渡过程结束后，再将其
5、短接。n人工干预使风电场的风电机组不同时起动风电机组不同时起动，限制风机启动时对电网的冲击。n采用双向晶闸管控制的软并网方式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。软起动并网原理与过程软起动并网原理与过程n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。n电流反馈对双向晶闸管导通角的控制，冲击电流限制在1.52倍
6、额定电流以内，从而得到一个比较平滑的并网过程。n并网过程结束后，将双向晶闸管短接。52 对电网频率的影响对电网频率的影响n风速的随机性决定着风机出力的随机性风机出力的随机性。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。n当风电容量在系统中所占的比例较大时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。n当风电由于停风或大风失速而失去出力后，会使电网频率降低，特别是当风电比重较大时，会影响到系统的频率稳定性。n频率稳定分析的基本原则是：失去风电出力后，电网频率不能低于允许频率稳定分析的基本原则是：失
7、去风电出力后，电网频率不能低于允许值。值。n当电力系统较大、联系紧密时，频率问题是不显著的。消除风电对系统频率影响的主要措施消除风电对系统频率影响的主要措施n要求电网中其他常规机组有较高的频率响应能力，能进行跟踪调节，抑制频率的波动n提高系统的备用容量n采取优化的调度运行方式。53 对电网电压的影响对电网电压的影响n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：n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。n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（即谐波），电压不平衡（即负序电压），瞬态
8、电压波动（即电压跌落和凹陷）等。例如：n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电压的升降和输电线的R/X有关系。有关系。n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塔架遮蔽造成的气流紊乱。n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。n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）对电网电压的影响（续）n从经验看，大量引入风电产生的联网问题主要是薄弱系统薄弱系统的电压问题，逆潮流引起的
9、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n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，n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。改善电压措施：功
10、率因数校正电容器改善电压措施：功率因数校正电容器n每台风力发电机都设有无功补偿装置：可投切电容器，SVCn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。n丹麦N43/600kW异步风力发电机组的功率因数是0.620.87，每台风力发电机都装有电力电容器200300kvar。n采用分步补偿方式分步补偿方式，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：n发电机负荷（%） 0 25 50 75 100 125 补偿后功率因数（cos）1.0 1.0 1.0 0.99 0.99 0.985 54 4 对
11、电网稳定性的影响对电网稳定性的影响n风电接入系统引起的稳定问题主要是电压稳定问题。n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式为电容器补偿，补偿量与接入点的电压的平方成正比，当系统电压水平不高时，无功补偿量下降很多，而风电场对电网的无功净需求反而上升，进一步恶化电压水平，造成电压崩溃电压崩溃，风机被迫停机。n在故障和操作后未发生功角失稳的情况下，部分风电机组由于自身的低电压保护而停机，系统失去部分无功负荷，导致电压水平偏高电压水平偏高，甚至使风电场母线电压越限。n故障切除不及时，会发生暂态电压失稳。系统稳定性算例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
12、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电压随风电注入功率的变化 V= V1-V0= (PR-XQ)/V0风电场接入通常使电压升高风电场接入通常使电压升高55对电网继电保护装置的影响对电网继电保护装置的影响n辐射配电网辐射配电网的大多数保护都是假定潮流从电网供电点流向下游的低电压网络，保护通常采用过电流继电器；nR是有时间延迟的过电流继电器，RN是有时间延迟的接地故障过电流继电器。n对于保护所在地下游的故障，该保护会动作，清除故障部分，造
13、成部分网络停电，上游及相邻无故障部分维持供电对电网继电保护装置的影响（续对电网继电保护装置的影响（续 ）n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。n系统通常配置断路器和熔断器，采用电流速断电流速断和延时过流延时过流（反时限特性）保护等。n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
14、潮流方向，容易引起保护装置的误动作。风电引起的保护问题风电引起的保护问题n风电接入配电网，则由继电器由继电器感知的故障电流可能增加或减感知的故障电流可能增加或减少少，取决于发电机和故障的位置；nK1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。风电引起的保护问题风电引起的保护问题邻近馈线故障，风电也提供短路电流引起不必要的断开风电瞬时故障跳闸后又重合于故障对电网继电保护装置的影响（续对电网继电保护装置的影响（续 ）n并网运行的异步发电机没有独立的励磁机
15、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（I0），两相短路时异步发电机提供的短路电流最大。n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（U35U0.69）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。n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。5 5.7 7 风力发电对配电网损耗的影响风力发电对配电网损耗的影响n风力发电接入配电网将改变有功
16、和无功功率的流动，因此将改变网络中的电气损耗。n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 n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nW=(P- p)2 +(Q + q)2R/V02风力发电对配电网损耗的影响风力发电对配电网损耗的影响( (续续) )n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， W=(P2 +Q2)R/V02 网络损耗可能降低，也可能增加。因此一年中有的时期可能 损耗增加，而另外的时期损耗可能降低。 W=(P- p)2 +(Q +
17、q)2R/V02n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510%范围。n目前，许多国家并不考虑风电引起的网络损耗的变化。n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无功功率负荷和电压控制n损耗计算公式还表明，如果要使网络损耗最小化
18、，就希望风电机尽可能运行在单位功率因数（即q = 0)。n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)。n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。无功功率负荷和电压控制无功功率负荷和电压控制V= V1-V0= (P
19、R-XQ)/V0n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。n评估电压极限的方法。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这种相当简单的方法可能导致风电场的连接被拒绝的条件每年仅仅持续几小时n采用概率潮流的概率电压估计采用概率潮流的概率电压估计。计算中输入是网络负荷和发电的概率描述，输出是网络电压和潮流的概率表示。概率潮流可以计算电压越计算电压越限的持续时间限的持续时间。可以预报在网络低负荷期间减少发电而失去收入的费用或因吸取较高的无功功率而增加的负担。概率潮流可能是建立在解析计算技术或者是建立在某种蒙特卡洛模拟基础上。ENDThanks !
