大规模风电集中并网对电能质量的影响研究

张继阳 杨捷 仝战营

摘 要：风能是可再生能源，随着新型风力发电设备的研发，风电的利用效率也在不断提高。但是由于风能本身具有不稳定性，当大量并入电网时，会对电网产生波动，对电能质量产生冲击。为了研究风电并网对电能质量的影响，本文详细阐述了风能对电网电压、频率、波形等产生的影响，最后提出了优化措施和对策。

关键词：风电;电能质量;电力供应;电力系统

中图分类号：TM614文献标識码：A文章编号：1003-5168（2019）16-0143-02

Abstract： Wind energy is a renewable energy source. With the continuous development of new wind power generation equipment， the efficiency of wind power utilization is constantly improving. However， due to the inherent instability of wind energy， when it is largely integrated into the power grid， it will fluctuate to the power grid and have an impact on power quality. However， In order to study the influence of wind power grid-connected on power quality， elaborates the influence of wind energy on grid voltage， frequency and waveform. Finally， the optimization measures and countermeasures are put forward.

Keywords： wind power;power quality;power supply;power system

随着传统能源的长期开采，火电这一发电形式因为能源限制，发展受到了一定影响。由此，风力发电快速发展，风能成为新的能源利用形式。在我国，由于技术限制，对发电设备的研制比较晚，但是，国家政策支持和社会需求提升有力支撑着风能发电的高速发展。目前，风电装机容量在大幅提高，风电在整个系统中的占比也在不断攀升。由此，大量风电并网对电能质量的影响也不断凸显出来，主要表现在系统电压出现偏差、电网电压跳变波动和电网谐波等。

1 风电并网对电能质量的影响

1.1 风电并网引起的无功电压问题

配电系统对电能的输送受到风电特性的影响，风能的随机性和不稳定性时刻影响线路中有功功率的稳定。有功功率的变化会引起电网线路充电功率上下冲击，进而使电网的电压产生波动，进一步对电能质量造成影响。由于电网中配置了动态无功补偿设备SVC/SVG装置，可以对系统中的无功功率起到一种平衡作用，但是由于受到无功分层平衡原则的限制，无法满足整个系统的无功需求，在风电场送出线路中产生的无功电压和由风电基地输送线路产生的无功电压问题还得不到有效解决，从而大规模风电基地无功电压控制矛盾突出。

1.2 风电并网引起的谐波问题

在并网风电系统中，风电机组本身也会产生一定的谐波，但是由于谐波量比较少，对整个系统不会造成严重干扰，从而其自身的谐波可以忽略不记。然而风电系统是由大量的电力电子元件组成的，其中，多个元件是非线性的，向系统中输入大量的谐波，影响了电能质量。定速风电机组中的电力电子元件没有参与持续运行过程，对系统的稳定运行不产生谐波污染。而风电机组中的变速恒频系统是由多种大容量的电力电子设备组成，在正常向电力系统中传送有功功率的同时，也产生了大量的谐波，干扰系统的安全运行。双馈式异步电动机中的转子绕组和定子绕组通过不同的方式接入交流电网，由于定子绕组采用交直交的变频方式，电网的原始波形会和电动机产生的多余电能的波形进行叠加，进而对电网波形造成畸变，增加了电网的供电损耗[1]。风电机组的结构特征直接影响电能的谐波含量，大量的非线性和较大功率的元器件会产生多次谐波，直接输入电网中，造成电网谐波量增加。电网中设备的使用寿命和运行效率直接受到风电产生的谐波电流干扰，无法满足系统安全运行的需求。

1.3 风电并网引起电压波动和闪变问题

对于传统的电力系统，大容量的冲击性功率装置是造成电压波动和闪变的主要因素。而在风电系统中，主要是由于风的自身特性导致的电压不稳定。由于风速的不确定性，风速的变化会直接引起风电机组转速变化，从而使风机的输出功率产生震荡，进一步引起电网电压波动。电压波动的出现引起了较为明显的闪变情况。在风电机组并网过程中，由于变速机组对实际风能状况的反应和恒速机组对具体风能的吸收状况不同，风机的启动、发电机的倒闸操作，会使风机输出不稳定的功率，从而在风电机组并网的节点处引起电压波动和闪变。

风电并网对系统产生的电压波动和闪变问题是由多动因素共同作用的结果，比如，风电机组容量的差异性，风电机组在电网系统中的并联模式以及风能的独特性质等因素。电网电压的波动会引起多种用电事故，使照明设备无法正常工作，干扰精密电子仪器的工作，影响电机设备的平稳运行。

1.4 风电并网引起的电压偏差问题

衡量电能质量好坏的重要指标包括电压、频率和波形等。电压的好坏直接影响电能质量的安全可靠，在电力系统中，电压偏差的情况是比较常见的稳态问题。电网系统中的无功功率制约着电压偏差的大小。在风电系统中，功率的传输波动比较大，且功率的传输和相邻的系统联网，所以在风电并网点，局部结点电压发生变化的概率相对较大，定速风电机组由于是感应发电机装配而成的，更容易发生电压偏差等问题。电力系统功率的不平衡引起电压偏差，在风电系统中，造成功率不平衡的因素有很多，随着风力的不定变化，发电机组的输出功率也在变化，电力系统的用户侧也在不停变化，风电机组运行方式的改变也会引起网络结构变化，这些因素使电网电压出现偏差。虽然在电力系统中加有电容器补偿装置，由于在投切电容器的过程中，会出现一定的波动，而不是平滑的状态，对系统不能完成精确补偿，从而引起了电压偏差，严重的情况下，甚至干扰电网的安全运行。

2 风电并网对电能质量影响的治理

风电并网在一定程度上干扰着电能的安全可靠传输，从而对电网的安全稳定运行也产生了一定影响，同时，用户侧对电能的使用体验感下降。目前，风电在传输电能时，由于受到长距离的影响，在风电系统中自有的无功补偿装置无法满足整个系统的需求，由于风速的不稳定性，对整个系统的稳定运行造成了较大干扰。系统中的无功补偿装置的规模有限，在电能受到威胁时，单纯依靠投切电容器无法向系统中提供足够的无功功率，因此，需要在风电场的并网连接点处增加动态无功补偿装置，通过变化的无功补偿，随时调整系统的运行状态，从而增加动态的无功补偿装置。通过变化的无功补偿，随时调整系统的运行状态，从而减小系统受到的影响，提高电网的稳定性，从而实现电能质量治理。为了缓解电压偏差问题，改善电能质量，相关单位应从以下几个方面加以优化。如果风速变化引起的电压偏差较小，这种干扰可以忽略不记;如果风速变化较大，对系统的干扰较为严重，引起电压偏差较大的情况，可以通过调节风电功率的大小来缓解电网波动，也可以在系统中增加有效装置来调节电压的相序和幅值，从而起到调节电压偏压的作用。对于电网谐波和电压波动问题，可以在电网中并联补偿装置，如电容器、电抗器、静止同步补偿器、静止无功补偿装置等。

3 结论与展望

风电的发展越来越快，由于受到风力资源的地域限制、用户单位及用电市场的特殊分布规律，这些因素决定了风电的布局特点和输配电方式。在偏远地区，建设大型的风力发电场打破了以往的设计思路，但也有诸多关键问题急需解决[2]。大规模风电集中并网对电能质量的电压、频率和波形造成了一定影响，也会影响电力系统的安全运行，甚至造成严重的安全事故。通过一定的补偿措施可以有效控制这些问题。因此，工作人员要不停探索，研究新的科学技术，进一步减小风电并网对电能质量的影响，保证电网的安全可靠运行。

参考文献：

[1]迟永宁，李群英，李琰，等.大规模风电并网引起的电力系统运行与稳定问题及对策[J].电力设备，2008（11）：16-19.

[2]周明，冉瑞江，李庚银.风电并网系统可用输电能力的评估[J].中国电机工程学报，2010（22）：14-21.