风电接入对山东电网的影响及对策研究

徐大鹏 王 葵 李 磊

山东电力工程咨询院有限公司 山东 济南 250013

0 引言

随着全球能源危机的逐步凸显，世界各国把推动可再生能源的发展作为21世纪能源发展的基本战略。在各类可再生能源中，风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。风力发电作为技术最成熟、最具商业化和规模化发展前景，近些年来发展极为迅速。

中国是世界上少数几个以煤为主要能源的国家之一，煤炭消费量占能源总消费量的70%以上。山东省自1985年成为煤炭净调入省，煤炭调入量逐年增加，对省外煤的依存度越来越高，预计2012年山东年煤炭净调入量将保持在2亿吨左右。大力发展可再生能源是山东省建设资源节约型、环境友好型和实现经济可持续发展的重要措施。山东省气候属暖温带季风气候类型，平原面积大，海岸线长，风资源丰富，具有良好的开发利用条件。

可见，山东省风电发展潜力巨大，并入山东电网的风电功率将不断增加，但也面临诸多问题。本文通过分析山东省风电现状及发展规划，研究风电接入对山东电网的影响及影响风电接入容量的因素，并提出减少风电并网影响的相关策略。

1 山东省风电现状与发展规划

山东省风能资源的开发起步在80年代，风电事业发展迅速。从2006年开始，山东半岛开始掀起了一股风电建设的热潮。另外，随着小火电的关停，山东半岛也难免会出现电力缺口，这就为风电的发展提供了极大的市场空间。截止2010年底，全省已建成并投入运行的风电场总装机容量达1380MW，占全省装机总容量的2.2%。山东电网已运行风电场，多集中在山东北部沿海的滨州、东营、潍坊、烟台、威海等地市。

根据《山东省风能资源评价报告》，山东省陆地和海上风能资源总含量为67000MW。根据目前技术水平和开发能力，结合全省电力发展规划、各规划风电场前期工作进展及建设条件，预计2015年、2020年山东省风电装机规划容量将分别达到8000MW、15000MW，分别占全省电源装机总容量的7.61%、9.78%。山东省风电发展情况见附表1。

表1 山东省风能发电设备容量一览表 单位：MW

2 风电场接入对电力系统的影响

风力发电作为电源具有间歇性和难以调度的特性，风电场接入电网后，在向电网提供清洁能源的同时，对电力系统安全稳定运行及电能质量均可能产生不利的影响。主要表现在如下三个方面：

2.1 风电并网过程对电网的冲击

大型风电场的风力发电机很多都是异步发电机。异步发电机直接并网时，没有独立的励磁装置，并网前发电机本身没有电压，因此并网时必然伴随一个过渡过程，流过4~7倍额定电流的冲击电流，最大瞬时电流可达到额定值8倍，一般经过零点几秒后转入稳态。但该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。

2.2 对电网电压稳定性的影响

由于风力资源分布的限制，山东省风电场大多在电网的末端，网络结构比较薄弱 （短路容量较小），风力的波动会引起风机吸收无功的变化。若风电场容量较大，当系统电压水平降低时，无功补偿量下降，同时由于起无功补偿作用的电容器组装设在机端，无功补偿量与接入点的电压的平方成正比，此时风电场本身缺乏无功支持，而补偿无功又大大减少，导致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。风电机组停机后，风电场有功输出减少，需求无功相应减少，系统失去这部分无功负荷又容易导致电压水平偏高。

从欧美风电并网经验来看，大量引入风电产生的联网问题主要是薄弱系统的电问题，其次是闪变和谐波问题。

2.3 对系统频率的影响

风电作为系统的一个不稳定的电源，它的并网与脱网是很难预测的，从这一点考虑，风电实际上是系统的一个干扰源。风力发电的不稳定性表现在间歇性和难以预计性。阵风、从有风到无风，都会对电网频率产生影响。如果风电场接入的系统规模较小，风电的随机波动性和不稳定性对电网频率的影响就较为突出，这时限制风电穿透功率的主要因素就是系统的频率波动和稳定性。

3 影响风电接入容量的主要因素

风电接入容量的大小不仅取决于风电场机组的运行特性和系统中其它发电设备的调节能力，还与风电接入的系统网络结构等诸多因素紧密相关。影响风电接入容量的因素主要有：

1）风电场接入点负载能力的强弱；

2）风电场与电网的联接方式；

3）系统中常规机组的调节能力的大小；

4）风电机组的类型和无功补偿状况；

5）地区负荷的特性。

目前，国际上通常采用风电穿透功率极限和风电场短路容量比两个指标来度量电力系统可接入的风电规模，并可以据此作为风电场前期规划的依据。

风电穿透功率极限是指系统所能接受的风电场最大装机容量与系统最大负荷的比值。风电穿透功率极限这一概念，是从电网的角度出发，表征一个给定规模的电网最大可以成熟的风电容量的大小，旨在考虑风电场对系统频率的影响。与风电穿透功率极限有关的因素有：电网调峰能力、系统常规机组的优化调度、风电机组的类型和分布以及风电场的无功补偿状况。

目前，山东电网规模越来越大，风电场接入大系统中，其容量占电网总容量的比例很小，风电功率的注入对电网频率的影响甚微，不会对系统运行造成威胁，风电穿透功率不是制约风电场规模的主要问题。但在风资源丰富、负荷较小、电网结构薄弱的地方，风电功率的注入改变了电网潮流分布，会对局部电网的电压产生较大的影响，成为制约风电场规模的瓶颈。根据欧洲国家的一些统计数据，风电穿透功率达到10%是可行的。

风电场短路容量比是指风电场额定容量与系统公共连接点 （Point of Common Coupling，PCC）的短路容量之比。风电场接入点的短路容量反映了该节点的电压对风电注入功率变化的敏感程度。风电场短路容量比小表明系统承受风电扰动的能力强。用这一指标表示风电场接入规模的大小，是从风电场所在的局部电网出发，重点考察风电功率的注入对局部电网的电压质量和电压稳定性的影响。通常采用这一指标重点考察风电功率的注入对局部电网的电压质量和电压稳定性的影响。欧洲国家的经验数据为3.3%～5%，日本学者认为短路比在10%左右也是允许的。

4 风电接入对山东电网影响的对策研究

在山东电网接纳风电能力允许的条件下，随着接入电网的风电不断增加，针对减少风电并网影响提出以下几点建议：

1）合理选择风电机组类型

双馈感应发电机在采用恒功率因数控制方案时，接入地区电网的静态电压稳定性要远远好于异步机感应风电机组，但其主要缺点在于控制方式相对复杂，机组价格相对昂贵、需要使用大比例增速齿轮箱等。永磁同步发电机正常运行时，也无需从外电网吸收无功，并且结构简单且技术可靠性高，对电网运行影响小。另外，同步发电机与全容量变流器结合可以显著改善电能质量，减轻对低压电网的冲击，保障风电并网后的电网可靠性和安全性。可以预见，随着直驱风电机组技术的发展，将会有越来越多的永磁同步发电机为风电场所采用。

2）合理确定风电场并网电压等级

目前，山东省不具备风电分散式接入电网的条件。初步考虑对于风资源较为集中，相邻几个风电场总容量超过200MW的，考虑以220kV电压等级接入系统；对于分布相对分散、容量在50～100MW以内的单个风电场，或相邻几个风场总容量在200MW以内的，可考虑以110kV电压等级接入系统；对于个别分布较为分散、容量在40MW以内的单个风电场，可考虑以35kV电压等级接入系统。

3）确定并网点最大风电接入容量

目前确定风电场最大安装容量的方法主要有：时域仿真法、静态安全约束法、短路容量法、频率约束法[8－10]。

4）合理选择风电场的无功补偿设备

采用静止无功补偿器（SVC）、静止同步补偿器（STATCOM）等动态无功补偿设备代替普通的并联电容器组，动态平衡风电输出功率变化导致的无功需求变化，来减小风力发电功率波动对电网电压影响，从而达到改善系统电能质量和提高系统稳定性的目的[11]。与电容器组相比，SVC可以快速平滑的调节无功补偿功率的大小，稳定风电场的功率因数，提供动态的电压支撑，改善系统的运行性能。

5 结论及建议

随着山东电网风电接入容量不断增加，将会造成对电网冲击、电压稳定性及系统频率等不利影响。建议通过合理选择风电机组类型、合理确定风电场并网电压等级、确定并网点最大风电接入容量、合理选择风电场的无功补偿设备等措施来减少风电并网所带来的影响。

[1] 王 艳，李 磊，尹成竹.山东省风电发展与并网方式研究[J].山东电力技术，2009，（3）：16.

[2] 姚兴佳，王士荣，董丽萍.风电场及风力发电机并网运行[J].可再生能源，2006，（6）：100.

[3] 孙涛，王伟胜，戴慧珠.风力发电引起的电压波动和闪变[J].电网技术，2003，27（12）.

[4] 尹炼，刘文洲.风力发电[M].北京：中国电力出版社，2002.

[5] 申洪，梁军，戴慧珠.基于电力系统暂态稳定分析的风电场穿透功率极限计算[J].电网技术，2002，26（8）：8-11.

[6] Christensen J,Falck,etc.Methods and models for evaluating the impact of decentralized generation.CIGRE 38-301,Paris,1998.

[7] Ladakakos.P.D.,loannides.M.G.,Koulouvari.M.I.,Assessment of wind turbines impact on the power quality of autonomous weak grids,Harmonics And Quality of Power,Proceedings.8th International Conference on Vol.2,14-16,Oct.1998:900-905.

[8] 王伟胜，冯双磊，张义斌.风电场最大装机容量和电网短路容量的关系[J].国际电力，2005，9（2）:31一34.

[9] T.E.Kim andJ.E.Kim.“A Method for Determining the Introduction Limit of Distributed Generation System in Distribution System Proc”.2001 IEE UPES Summer Meeting，Vancouver，BC， July15－19，2001.

[10] Lei Yazhou，Wang weisheng，Yin Yonghua,etal.Wind Power Penetration Limit Calculation Based on Chance Constrained Programming [J].Proceedingsofthe CSEE，2002，22（5）:32－35.

[11] 王文忠，陈淑春，吴小玉等.TCR型SVC在风电并网领域中的应用[J].新技术新工艺，2009，（5）：58－61.