大规模风电并网引起的电力系统运行与稳定问题及对策



大规模风电并网引起的电力系统运行与稳定问题及对策

赵 龙,汪宁渤,何世恩,刘光途,张金平,王定美,周 强,黄 蓉,王明松

(甘肃省电力公司风电技术中心,甘肃兰州,730050)

摘要：风力发电间歇性强、可控性差、机组种类多、出力预测难，大规模风电并网对电力系统的运行与稳定有着巨大的影响。本文就大规模风电并网引起的电力系统运行与稳定问题进行了研究，并有针对性的提出一些解决策略，对促进风电并网的安全与稳定有一定帮助。

关键词：风电并网；电网稳定；解决策略

0　引言

随着经济的发展和社会的进步，全球电能缺口越来越大，同时全球能源紧缺和环境污染也越来越重，急需加强清洁可再生能源的利用。风力发电环境污染小，利用率高，成本低，具有极高的利用价值，近年来在全球范围内被迅速推广，全球装机容量迅速攀升。在《可再生能源法》实施以后，我国风电产业也得到了迅速的发展，目前装机容量已经超过丹麦、德国、印度等国家，仅次于美国和西班牙，风力发电应用越来越为广泛。不过风力发电受风速影响，具有明显的随机性、间歇性和不可控性，大规模风电并网给电力系统的运行与稳定带来很多负面影响，研究风电并网对电力系统运行与稳定的影响极为重要。下面，本文就大规模风电并网引起的电力系统运行与稳定问题进行浅要的研究，并提出一些有针对性的解决策略。

1　大规模风电并网给电力系统的影响

由于我国风能资源丰富地区距离负荷中心较远，大规模的风力发电无法就地消纳，需要通过输电网远距离输送到负荷中心。在风电场的风电出力较高时，大量风电功率的远距离输送往往会造成线路压降过大，风电场的无功需求及电网线路的无功损耗增大，电网的无功不足，局部电网的电压稳定性受到影响、稳定裕度降低。电网的电压稳定极限限制了风电场最大的装机容量，在电网规划没有与风电规划协调发展时，往往电网接纳风电的能力不能适应风电规划的发展，接人的风电场容量受到电网自身条件的限制。

1.1调峰调频容量的影响

在风力发电系统中，基本上不进行调峰，在接入电网时大多采用软并网的方式，系统在启动运行过程中，会产生较大的冲击电流。尤其当风速超出切出风速时，风电机组会从额定出力状态解列退出运行，大规模风电并网时，大量风电机组的解列会给电网造成巨大的冲击。此外，风速变化与塔影效应，都会造成风电机组的出力波动，造成电网电压闪变。虽然单台风电机组对电网电压的冲击较小，但极便是单机对电网电压的冲击也需要持续一段时间才能基本消失，而大规模风电并网所造成的电压冲击，则往往会造成电网电压的骤降。当风速增大时，系统输入的有功功率会增加，风电场母线电压先降后升，这种现象在风电场与电力系统间等值阻抗较大时产生的电压波动更为明显。

1.2无功电压的影响

目前，风力发电系统中所采用的风力发电机具有多种类型，国内应用较多的主要有异步风力发电机、双馈异步风力发电机和直驱式交流永磁同步发电机三种。异步风力发电机是我国风电系统中应用最为广泛的一种机型，异步风力发电机为定速恒频机组，在运行中转速基本不变，但机组运行时风能转换很难保持在最佳状态下，在并网运行时需要大量从电力系统中吸收无功功率，当大规模风电并网时，所需要吸怍的无功功率将极为巨大，严重增加电网的无功负担，导致电网电压失稳。

1.3电能质量的影响

风力发电系统中，风电机组输出功率具有明显的波动性，这种波动性除了受风速变化的影响，还受风电机组自身的一些固有特性的影响。风电系统所带来的谐波污染，会严重降低电网电能质量。机组本身所配备的各种电力电子装置，有可能带来谐波污染。对与恒速风力发电机，当直接与电网并联时，虽然在软启动阶段会产生一定的谐波污染，但过程较短发生次数较少，通常可以忽略。但对于变速风力发电机，由于需要利用整流和逆变装置来接入电力系统，极容易产生严重的谐波污染降低电力系统电能质量。

2　大规模风电并网运行与稳定问题解决对策

2.1调峰调频问题解决对策

大规模风电并网增加了电力系统的调峰调频难度，需要电力系统具有更大的调峰调频容量，为了解决大规模风电并网造成的调峰调频问题，可提高电网的调峰调频备用容量。在实际应用中，可以从多个方面进行。一方面调整电网电源结构从而改善电网的负荷平衡能力，如降低风电机组比重，提高抽水蓄能和燃气机组在电网中的比重，对于新接入的风电机组，必须考虑其具有更低的负载率运行能力，从而增加电力系统的调峰调频幅度。另一方面，可以加强对风电场出力预测评估，从源头来提高风电场出力预测的精确度和准确度，避免大规模风电并网超出电力系统的调峰调频能力。此外，还可以强化风电机组与其它发电机组之间的协调能力，使其它发电机组能与风电机组的切入、切出和出力变化相协调，如提高风电机组的灵活性以适应快速的启动和关停，或者对风电机组的发电曲线进行优化调整适应电网调节速度，必要时还可以控制风电机组的出力以降低系统负荷水平。

2.2无功电压问题对策

风电场的出力不稳定，要解决无功电压问题的影响，需要电力系统具有更多的容性无功补偿。通常情况下，风电机组的利用小时数较低，当机组满负荷发电时，线路潮流将会超出线路自然功率，使得线路消耗的无功功率迅速递增。在解决这一问题时，必须考虑两种不同情况，在无风状态下风电场送出系统轻载，输电线路充电功率远大于系统需要，此时需要利用感性无功补偿容量。当系统出力增加时，整个风电场送出系统重载，此时需要利用容性无功补偿容量来进行补偿。对于分散接入低压配电网的风电机组，为了保证系统故障情况下的供电能力，还应当提高风电场的低电压穿越能力。对于通过高压输电通道集中外送的风电场，此时如果风电机组具有低电压穿越能力，处于不稳定运行状态时很可能会造成整个系统的稳定问题，应当使风电场尽快从系统中解列，因此可以不具备低电压穿越能力。

2.3电能质量问题对策

大规模风电并网引起的电力系统电能质量问题，主要受风电场功率波动的影响。为了解决大规模风电并网引起的电力系统电能质量问题，可以采用轻型直流输电并入电力系统的方法，即使用电压源换流器技术、门极可关断晶闸管及绝缘栅极昌体管构建基于PWM控制的VSC结构，构建轻型直流输电系统，利用直流输电的优点来解决分散电源接入的输电走廊问题，提升无功、电压调节能力，改善交流系统的稳定性，提高电力系统的电能质量。此外，还可以采用变速恒频电机、双馈电机等新型机组，使风电场发电机组可以和常规机组一样承担电压和无功控制任务，从而降低大规模风电并网对电力系统电能质量的负面影响。

2.4储能技术解决大规模风电并网问题

储能应用于电力系统，无论是应对负荷波动问题还是系统稳定问题，都受到国内外工业界和学术界的长期关注。已获得大规模应用的储能技术目前还仅限于抽水蓄能。截至2008年底，世界抽水蓄能电站总装机容量约130 GW,而其他储能技术的总装机容量约在数百兆瓦，且多为示范应用。大规模风电并网后，电力系统在供电充裕性及运行稳定性方面所面临的新挑战为储能在电力系统中的规模化应用提供了新的机遇。储能作为一种可调度资源是解决风电波动性和不确定性问题对系统影响的途径之一。大规模风电并网增加了系统对调频及负荷跟踪备用的需求，解决这2种问题要求储能的充放电周期在分钟至小时级，适用的储能技术包括铅酸电池、镍镉电池、镍金属氢化物电池、锂离子电池等储能形式。同时，大规模风电并网也增加了系统中基荷机组组合的挑战。解决这个问题要求储能的充放电周期在小时至日级，适用的储能技术包括钠硫电池、液流电池、抽水蓄能、压缩空气蓄能、热能储能等储能形式。中国国家能源局及美国能源部都已规划大力推动大规模储能尤其是抽水蓄能电站的建设。

3　结论

风电的快速发展和大规模接人电网赋予了电力系统电压稳

定新的研究内容。不同的系统面临的电压稳定问题可能有较大的差异，即使同一个电力系统，不同的发展时期，网架结构的差异、负荷特性的差异以及风电接人容量的差异均使系统的电压稳定问题变得不同，需要区别对待和解决。为了风电接人系统后的电压稳定应 选择技术性能好的风机、尽可能地将风电场分散接人系统、风电场及系统其他节点的无功电源的快速有效响应、完善低压和低频减载 装置。另外，还应深人研究风机建模和进行风电接人系统后的长过程仿真。

参考文献

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Power system operation and stability problems and Countermeasures Caused by large-scale wind power grid

Zhao Long,Wang Ningbo,He Shien,Liu Guangtu,Zhang Jinping,Wang Dingmei,Zhou Qiang,Huang Rong, Wang Mingsong

(Gansu province electric power company wind power technology center,Gansu Lanzhou City,730050)

Abstract：Intermittent wind power, strong controllability,unit variety,output prediction difficult,has the huge impact of large-scale wind power operation and stability of power system.The power system operation and stability problems of the large-scale wind power grid caused are studied,and put forward some solving strategies,is helpful to promote the safety and stability of wind power grid.

Keywords：Wind power grid;grid stability;Solutions