浅析风电场并网运行对电网电能质量的影响

孙仕舒

(云南恒安电力工程有限公司，云南 昆明 650011)

浅析风电场并网运行对电网电能质量的影响

孙仕舒

(云南恒安电力工程有限公司，云南 昆明 650011)

随着风电场规模不断扩大，其接入电网的容量也不断上升，并对电网的稳定运行造成了一定的影响。现以风力发电的工作特点为切入点，就当前风电场并网运行对电网供电质量的影响展开论述，并提出了改善措施，以提高其发电水平，满足用电需求。

风电场；并网；电网；电能质量

0 引言

随着资源的紧缺及环保意识的提高，电厂发电逐渐由传统的燃煤方式向新能源如风能、太阳能等发展，并已投入使用到实际生活中。以风力发电而言，其以自然界的风能为发电原动力，实现对资源充分利用的同时也起到环保的效果。然而，随着风电场向电网输送电能比重的增加，其以并网方式运行对电网送电质量的影响也更为突出，并制约着风力发电的发展。

1 风电场运行特点

1.1 风力发电过程

图1是风力发电基本过程示意图，当风进入风轮机时会带动风轮机轮毂旋转，从而将风能转换为机械能，而轮毂在机械传动机构如齿轮的辅助下将转子的机械能传送至发电机转子，带动转子转动，从而使发电机运行发电，最后在区域变电站作用下风电场将输出的电能并入电网中供用户使用。

图1 风力发电简图

1.2 风电场运行特点

由上文可知，风力发电以风能为原动力，在实现对自然界资源充分利用的同时也具有基本零污染排放的优势，另外其占地面积少、施工时间短，因而经济性及环保性都较为可观。然而由于自然界的风能其风速、风向是无法人为控制的，因而会造成风电场输出功率存在波动性，在并入电网后也会使得电网运行不稳定。

2 风电场并网运行对电网的影响

由于受风能的分布、风力大小、电网系统布局等因素制约，风电场的电能输出存在间歇性及波动性，在其容量较小的情况下，这种变化对电网的影响可忽略，然而若是风电场发电容量较大，占电网电能比重高，则这种不稳定的电能输出对电网供电质量的影响将不容忽视，其主要体现在引起电网电压波动及闪变、影响电网频率并对电网造成冲击、对短路电流及电网潮流及电厂中其他设备的影响。

2.1 闪变及电压波动

在风电场中造成电网闪变及电压波动主要源于并网后风电场输出功率的不稳定性，图2是风电机组并网示意图。图2中，若电网电压Ugrid保持恒定值，而风电机组中输出电能受风速等影响变动时，将会造成机端电压Uwind及并网点电压Upcc产生波动，进而导致电网电压的变化，当风电机组中输出电能波动较大时，这种闪变更为明显。

图2 风电机组并网示意图

从实际运行情况来看，风电场并网运行造成的电网系统电压波动多是发生在一些薄弱的电网系统中。因风电场多建设于电网系统的末尾处，其结构简单、短路容量较小，因而当风速、电网线路、控制系统等发生变化时，将会引起风电机组输出功率的明显改变，并造成电网电压不稳定、出现波动等，影响电网供电质量。

2.2 对电网频率的影响

随着风电场在电网中规模的扩大，其向电网输送的电能也逐渐增加，进而因输出功率的波动而对电网频率造成的影响也更为突出。若电网系统受到干扰，则会引起电网电压降低，并可能引发低压穿透性能差的风电机组停机。因而在风电场并网后，电网中其他常规型的机组需在频率响应上有较好的性能，具备跟踪调节及时补救电网频率波动的能力；此外，考虑到风电运行输电的波动是随机变化的，在无风或风速较小的状态下，电网的频率将急剧降低，从而严重威胁到整个电网频率的稳定性，这种情况下应加大电网系统的备用容量并选择优化的调度运行模式。

2.3 对电网的冲击作用

风电场中多使用异步电机作为发电机构，其在并网时需满足相序与电网相一致同时转速趋近于同步速度的条件才能顺利并网。然而由于异步电机缺少独立的励磁结构，并网前电压归零，因而并网后达到稳定的电压需经历一个过渡，在过程中会形成比额定电流值大5～8倍的冲击电流，经过几百毫秒或几秒后才趋向稳态。在并网时形成的冲击电流是随着并网电压、异步电机自身的暂态电抗及并网过程中的滑差的变化而改变的。若风电场是并网在容量较大的电网系统中，则因冲击电流对电网造成的影响可忽略，然而若是并联在小电网中，则在并网中形成的冲击电流将使得电网电压骤降，并可能威胁到线路中其他设备的安全使用。

2.4 对短路电流及电网潮流的影响

风电场中使用的异步电机在运行过程中会在自身电动势作用下向短路点输送短路电流，进而加大电网系统的短路电流值，因而风电场在并网时应尽量减少其对短路电流的作用。此外，风电机组的并网运行对电网潮流的影响也不容忽视，风速变化、电机运行状态等因素都可能会引起风电机组的脱网运行，进而造成电网潮流发生变化或转移；另外，若是风电机组本身不具备低压穿透性能，在发生故障电压瞬时波动时也可能会引起脱网，影响电网的稳定运行。

3 改善风电场并网运行对电网影响的措施

随着科技的发展，风电场不断向智能化、大型化方向发展，然而其对电网电能质量的影响仍然存在。为更好地提高风力发电机的运行效率，并改善其输出电能质量，在风电场并网运行时可适当应用以下措施：

3.1 在风电场中改善无功补偿技术

风电场中的异步发电机多为感性元件，其在运行过程中需无功支持，无功补偿量的多少与接入点的电压相关。在风电场中可应用动态无功补偿装置(SVC)及SMES超导磁储能系统。前者可因地制宜地调整电网中所需的无功补偿功率值，从而合理调节电压大小，提高系统的工作性能。SVC在风电场中应安装于出口处，通过对风电场中接入点处的电压偏差量的计算来控制无功补偿量，从而稳定风电场节点电压，减少因功率波动造成的电网失稳；而超导磁储能系统SMES则具备对有功及无功功率综合调节的性能，可灵活调整系统功率补偿，降低风电场输出功率波动程度，保持电网电压的稳定性。

3.2 在风电场中使用轻型直流输电连接电网

轻型直流输电技术是基于以PWM为主的电压源换流器(VSC)技术、晶闸管等，因而具备直流输电的性能。在风电场中应用该技术可有效解决因电源分散接入引起的输电走廊问题，同时因其具备对无功补偿的自动调节控制能力，使用轻型直流输电还可克服短路容量对风电场容量的限定，进一步确保电网运行的稳定性，并保障输送至电网的电能质量。

3.3 提高对风电场发电预测的准确性

风电场运行效率主要决定于风速变化，随着神经网络等新型技术的不断突破，应提高对风速的预测能力，从而更准确地预估风力发电的出力性能，使得电网更灵活地容纳风电场；此外，应对风电场的控制性能加以优化，使之向普通发电机的工作性能靠拢，以便于合理安排调度工作，保障电网系统的安全运行。

4 结语

因风力发电使用的是清洁无污染的自然资源，技术也较为成熟，因而其未来发展前景十分可观。然而，随着风电场对电网的并行容量在不断扩大，其输出功率的波动性对电网电能质量的影响也更加突出，在实际应用时，应加强对风电场中发电设备的建设及管理，优化其调度管理，从而更好地提高电网对风电场并网的接纳能力，改善电网供电质量。

[1] 成云云，李文亮，王新华，等.风力发电机组并网运行对电网运行的影响[J].供用电，2012(2)

[2] 白鸿斌，王瑞红.风电场并网对电网电能质量的影响分析[J].电力系统及其自动化学报，2012(1)

2014-09-02

孙仕舒(1985—)，女，四川洪雅人，助理工程师，研究方向：电力系统一次规划。