风力发电对电力系统的影响研究

黄银银

【摘  要】我国在可持续发展道路上，着重开发可再生资源是满足当前电力需求供应的主要渠道，风力发电便是其中之一。依据风力发电控制系统工作原理，风速大小的变化，对产电量具有一定影响，随着风速的增加，产电量逐渐增多。虽然风速增加，对产电量的提升有所帮助，但是对电力系统的稳定运行是否会造成影响尚未明确，本文将对此展开研究。

【关键词】风力发电;电力系统;影响

在新能源当中，风力发电最具商业开发价值，我国蕴藏丰富的风力资源，广泛分布在新疆、甘肃、内蒙、河北和东南沿海等地区，近年来，我国风电发展速度越来越快，随着风电场容量越来越大，对电力系统的影响也越来越明显，本文对这些产生的影响进行分析和研究。

1我国风力发电现状

风力发电技术的应用、发展与全球能源危机下人们的忧患意识息息相关。20世纪70年代爆发的全球能源危机，促使人们不得不思考经济发展与能源利用之间的良性关系建立的问题。人口的不断增长与人类可用能源的有限性构成了不容忽视的矛盾，化石能源在过度开采之下的耗竭与人类的长远发展的冲突激起了人们对能源保护的重视。

中国位于亚欧大陆东部，濒临太平洋，国土面积大，这一独特的地理位置，使中国具备形成季风的条件，在夏秋两季极易受热带风暴的影响，带来强劲风力。但在现实中，我国的风能利用比例仍然很小，在发电系统中，火电依旧占据主导地位。不过中国正在进一步探索利用风能优势弥补改善供电系统的有效方法，过去十年间，我国风电规模不断扩大，风电成本大幅下降，初步具备与火电等传统能源竞争的能力，但风电可靠性和发电效率仍存在很大提升空间。

2风力发电机结构

风力发电机结构中的转子相当于缓冲器，风速与发电量之间并不存在直接联系，而是通过相关参数分析与计算，获取两者之间的关系。

通过分析单机机械能，采用累计法，计算机械能数值。与此同时，引入发电机特性，构建发电机模型，通过与电网模型交换输出功率、无功功率、电压、频率参数，完善发电机模型。依据该模型结构，可以探究风力发电机稳态特性，为电机稳态研究奠定理论基础。

3风力发电并网对电力系统的影响

3.1风力发电的规模设计问题

尽管近些年风力发电在国内迅速发展，但是总的发电规模以及装机容量与我国国家电网总的装机容量不构成显著的比例，并没有对电力系统构成什么重大的影响。但是由于我国风力资源的分布集中在西部地区，那里气候恶劣，地广人稀，用电负荷量本来就不高，一旦大规模进行风力发电的开发运行，就会对当地的电力系统产生较大的压力，这就导致对我国风力发电产生严重的制约因素。同时在另一方面，由于我国西部地区的风力发电，一般比较受制于气候条件的影响。尽管国内已经为风电场安装风功率预测系统，但是由于受到自然因素的影响比较大，电力生产无法得到有效保障，所以对于国家电网来说，无法形成有效地电力调配，这也导致对于当地的电力系统产生很多不确定的影响，构成安全隐患。

3.2电压波动和閃变对发电质量的影响

风力发电最大的影响因素就是风力大小的不确定性，导致发电机组的运行过程中出现电压波动和闪变等问题，而电压的波动和闪变就会对电网电能质量产生较大影响，这就会对整个电网安全和效率构成威胁。同时，风电发电机组的启动、运行、关闭等操作也会产生电压的波动以及闪变等问题。另外，如果风电机组中的大功率电力电子器件设计不合理，就有可能对电网输入谐波电流，引发电压波的畸变，从而导致一系列的问题产生。因此，这些不稳定的电压以及闪变问题，并网后就会对整个电网的发电质量产生影响，不利于电网安全、稳定运行。

3.3对电网稳定性的影响

风力发电机组与电网的并网点，通常位于电网的末端，这就导致在向电网输电的过程中产生逆向的电流流向和潮流分布的改变，这是之前没有考虑和遇到的问题，所导致的结果就是风力发电机组对于周围的局部电站或线路施加相当大的压力，有可能导致输电线路的崩溃。同时，风力发电机组向电网发电，由于是异步发电机组的功率输出，就会相应地从国家电网吸收无功功率，为了有效补偿发电机组的无功功率损失，需要安装动态无功补偿装置（SVC或SVG），或者更为先进的SVG设备来校正。随着风力发电规模的越来越大，这就导致风力发电机组对于整个国家电网的影响也越来越大，风力发电机组产生的不稳定性因素对于电网的冲击也在相应地增大，一不小心就会使得整个国家电网的系统陷入混乱状态，失去稳定性。

4风力发电对电网影响的解决措施

4.1风力发电规模的科学设计

为了有效解决风力发电规模的问题，需要采取相应的措施，解决面临的问题，目前国内外对于风力发电规模的研究，首先基本上依据风电穿透功率极限与风电场短路容量比这两个指标来判断风力发电规模的大小。在风电穿透功率极限这个概念中，需要注意风电穿透功率与风电场装机容量和系统总负荷有关，两者之间的比例就能确定风电穿透功率的大小，而风电穿透功率极限，就是风电穿透功率的最大值，反映出最大的风电场装机容量。在具体的分析过程中，西方国的一些统计数据，要求功率达到15%以上就可以建设风力发电设施。另外一个指标就是风电场短路容量比，其内容包括风电场额定容量与该风电场与电力系统的连接点的短路容量之比。其中短路容量主要表示网络结构强弱情况，当短路容量小就可以说明该节点与系统电源点的电气距离大，联系不紧密。风电场接入点的短路容量比大表明系统承受风电扰动的能力弱，对于短路容量指标在欧洲需要达到4%左右，日本需要更宽松达到10%左右也是可以的。其次就是需要考虑风电场最大注入功率的影响，这就需要从风电场的运行特点以及其他设备的调节能力还有网络结构等因素来研究，提高接入系统的电压调整能力、增加无功补偿量和采用较小的联络线就提高最大注入功率。

4.2增强电能质量

为了有效提高风电系统并网后的电网供电质量，需要采取有效地措施改善电网结构。并网过后的连接点短路比和电网线路是影响风电系统电压和闪变的重要因素，其中公共连接点短路比与风电系统的电压波动以及闪变成反比，短路比越大，电压的波动和闪变就会越小。

对于风电场并网过程对电网造成的冲击，通常采用的是双向晶闸管控制的软启动（Soft-Start）装置。当风力机将发电机带到同步速附近时，发电机输出端断路器闭合，使发电机经一组双向晶闸管与电网连接，通过电流反馈对双向晶闸管导通角进行控制，使双向晶闸管的触发角由180o向0o逐渐打开，并网过程结束后，将双向晶闸管短接。通过采用这种软启动方式，可以将风电场并网时的冲击电流限制在1.2～1.5倍额定电流以内，得到一个比较平滑的并网过程。

结语

综上所述，风力发电是一种绿色能源，具有不仅经济而且环保的优势，是今后电网发电的主要发展趋势。在风力发电的运用过程中，需要非常成熟的技术条件，需要不断地对并网性能进行进一步的改善，对风电与电力系统的并网运行产生的负面的影响进行有效的降低，通过上文对风力发电并网对电力系统的负面影响的分析，在今后的工作中，需要加强研究，对这些影响进行有效的改善，保证风力发电技术的不断发展和运用。

参考文献：

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（作者单位：南瑞集团有限公司（国网电力科学研究院有限公司））