风电场并网对电网电能质量的影响及治理措施

徐 弈

（中海石油（中国）有限公司天津分公司辽东作业公司，天津 300450）

0 引 言

在风力发电设备正常运行期间，需要叶轮叶片为轮毂提供动力支撑，驱动其运动。这样既能实现风能到机械动能的有效转换，还可以通过风力涡轮机的运行完成机械动能到电能的转换。变流器设备能够保障电网电力的正常传输。但需要注意的是，风电场并网后，会直接影响电网的电能质量[1]。因此，如何识别并有效控制这些影响因素，并对电网电能质量影响因素和治理措施进行深入研究，具有重要意义。

1 风电场运行的特点分析

首先，风电场并网状态下发电厂规模相对较大。因此，在分析独立运行离网型风电场的过程中，必须考虑其接入电网运行的特性，并利用大电网补偿来提高资源利用效率。其次，并网型风力发电厂自动化水平较高。与其他发电模式运行现状相比，风电场并网运行满足无人值守的目标，只需考虑风能对其所产生影响。最后，风电场并网条件下电能输出功率存在高度波动性。从风电场并网运行角度来看，风速和风力大小会直接影响发电机组运行效率和电能输出功率，是并网运行期间应重点关注的问题[2]。风电场运行的基本流程如图1 所示。

图1 风力发电流程

2 风电场并网对电网电能质量的影响

2.1 对电网的冲击

在电网并网运行过程中，异步电机作为核心发电设备得到了广泛应用。由于风电场并网期间会产生额定电流，通过冲击电流作用能确保电网运行的安全性与可靠性。受电厂并网容量规模增大因素的影响，冲击电流对电网运行水平的影响较小。对于并网后容量较小的风电场而言，冲击电流的存在会对电网电压水平产生重要影响，甚至会对设备使用带来不良影响。小型风电并网系统费用概算如表1 所示。

表1 小型风电并网系统费用概算

由于风电场在电网运行期间的发电规模大，导致并网所需的电力输出显著增加，即并网电力输出功率呈上升趋势。从这一角度来看，输出功率波动对电网的影响呈现正相位关系。在风电场并网系统中，输出功率的振幅变化会对电网的运行频率产生影响。

2.2 对谐波产生的影响

在风电场并网运行期间，影响电网电能质量的因素有多种，包括电压波动、电网频率和谐波效应的变化等。电网系统内部谐波主要由电弧设备和铁磁饱和设备产生，而风力发电机的电力电子元件是谐波电流的主要来源[3]。为深入分析风电场并网运行条件下的谐波电流，需要提高电网运行的稳定性。通过合理安装风电场并网装置，可以确保谐波电流的稳定，从而促进电网的安全运行，以满足电力企业健康发展的需要。

在风电场并网运行的条件下，电网中的谐波主要来自两方面。一方面，发电机的质量因素是导致谐波产生的主要因素之一。发电机的三相绕组会受到各种因素的影响，难以保证铁芯的均匀性和一致性，从而产生谐波。另一方面，受输配电系统中电力变压器装置配置的影响。如果变压器装置未满足经济要求或铁芯饱和状态，会导致谐波的产生。同时，磁化电流表现出明显的尖峰波形特征，会产生奇次谐波。此外，这些谐波的大小会直接影响磁路的结构。

如果在并网风电场的运行过程中存在谐波，会对电网造成一定的损害。一方面，谐波会增加电网供电线路中的额外损耗。由于邻近效应的影响，线路的电阻水平会上升，导致电能的浪费。另一方面，谐波会干扰电网系统中各种电气设备的工作性能。以断路器装置为例，在电流波形过零的状态下，可能会增加断开的难度，延长故障电流的切断时间，从而对电网系统的运行造成严重影响。

3 风电场并网对电网电能质量的完善策略

3.1 应用改善无功补偿技术

在风电场并网运行的条件下，异步电机设备的应用较对广泛，但以其为代表的电感元件存在限制性问题。为提高电网电能质量，确保系统运行的稳定性，需要综合考虑不同地区电网接入点和电压值之间的差异性，并结合风电场的并网参数，选择无功补偿量。可以通过风电场并网来提高电网的整体质量水平，合理应用超导磁储能系统，并配置相应的无功补偿装置，明确不同地区电网的实际运行情况。通过科学设置无功补偿量，可以提高无功补偿装置调节电网性能的实效性，有效控制电网电压。因此，要确保风电场装置的净输出效率达到理想状态，并合理控制输电功率，以全面提高波动系统的使用质量。

3.2 做好风电场发电预测工作

在风电场的运行过程中，风能、风速等因素会直接影响电网运行的整体质量，从而影响风电场能源的正常输出。为了进一步提高风电场的运营管理水平，需要综合应用多种管理措施和技术，并结合预测技术，实现对阶段性风能规模的准确预测，以确保后续风机调度工作的顺利开展。

3.3 轻型直流输电连接电网的使用

目前，风力发电的速度较慢，风力发电相关技术也出现了重大变化，不利于风力发电的进步和发展。在资源节约型产业的发展背景下，公众更倾向于利用风能来获得电力支持。这样可以在不影响电力质量的情况下实现环保目标，并提高资源利用效率。然而，实际情况表明，输出功率的波动会直接影响电网的电能质量。因此，工作人员必须高度重视风电场并网运行系统中发电设备的管理[4]。

在风电场并网正常运行的情况下，轻直流输电方式具有显著优势。一方面，轻直流输电方式支持在电网系统中实现异步连接功能，特别是对于相同额定频率的交流系统。其可以充分利用交流系统相互备份的特性，构建稳定的支持环境，从而确保电网运行的经济水平；另一方面，轻型直流输电方式对高压、长距离、大容量输电系统具有较好的适用性。在这种模式下，功率角关系不会受到影响，即在静态或瞬态稳定性较差的情况下，输送能力不会受到显著影响。例如，在铺设长度超过40 km 或架空电力线路时，轻直流输电方式具有显著的综合应用优势和经济优势。

就电网的整体电能质量而言，轻型直流输电连接技术的应用具有重大价值。电压源逆变器主要基于脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWN），具有通用的技术特征和强大的直流传输性能。在风电场并网运行过程中应用该技术，可以避免发生输电走廊问题。风速是影响风电场并网运行效率的关键因素。在风速预测等各种技术手段不断改进的过程中，要不断提高预测质量，确保电网人员能够准确获取风力发电性能值。高精度的预测有助于提高电网容纳风电场的能力，并为电网的可持续性发展奠定坚实的基础。

3.4 降低功率损耗

有功损耗和无功损耗属于风电电网功率损耗的重要组成部分。通过深入研究功率损耗，可以防止风电电力线路出现相关问题，降低功率损耗，切实提升风电系统的用电负荷控制水平，从而延长风电设备的使用寿命。因此，风电场需要具有准确计算有功功率的能力，合理选择导线路径，提升电阻压力控制水平，从而最大限度地控制有功损耗。如果无功功率降低，会加深对风电场实际情况的分析，从而为变压器的合理选择提供有利依据，及时补偿无功功率。在目前的风电场中，常见的无功补偿方式包括整合电网资源、并联电容器等。这些方式的作用在于降低风电并网的压力，提高风电并网系统整体的安全性。

在降低功率损耗时，相关人员要结合实际情况，加强对高效电动机的应用，以满足节电需求，促进运行效率和功率因数的提升。高效电动机主要是指总损耗比标准系列电动机低20%以上，主要由定子铁芯和转子铁芯组成，且制造工艺先进。因此，在电机运行期间，可以有效控制损耗问题，且运行稳定性较好。

4 风电并网对电能质量影响的治理实践

在风电场并网线路终端，由于无功补偿装置在满负荷输出时难以与无功装置集成，尤其是在风速波动较大的情况下，会对电力系统产生一定影响。在这种情况下，简单地切换电容器组无法满足无功功率需求。因此，应在风电场并网点安装无功补偿装置，以促进无功功率的恢复，提高线路运行的稳定性和电能质量管理水平[5]。

4.1 设备选型和设计

在风电场中，无功补偿设备（Static Var Generator，SVG）的选型和设计非常重要。由于风电场规模大、环境复杂，SVG 的选型和设计要考虑多种因素。例如，系统负荷变化对无功补偿的影响、风机容量的大小、电网工频电压的波动幅度以及过载电流的大小等。这些因素均会影响SVG 的性能和使用寿命。

第一，负载变化。由于风电机组在不同风速下产生的功率和无功功率会有所不同，在选择SVG 时要选择合适的容量，以确保设备能够有效地对无功进行补偿。第二，设备温度。SVG 在工作时会产生一定的热量，如果设备温度过高，会直接影响设备的性能和寿命。因此，在设备选型和设计时要考虑设备散热问题，提高设备散热效率。

4.2 设备安装和调试

在安装和调试SVG 的过程中面临着巨大挑战。特别是在风电场这种复杂环境下，设备的安装和调试工作要格外谨慎。在实际工作中，SVG 的安装和调试要考虑两方面内容。第一，设备的安装和固定方式。在风电场中安装和固定SVG应从设备质量、大小、位置及工作环境等方面入手，遵循相关的安全规范和标准，确保设备能够安全可靠地运行。第二，设备的调试和校准。SVG 的调试和校准应严格按照设备厂家的规定进行。在调试和校准期间，需要指定专业人员负责操作，以确保设备的正常运行。

4.3 设备运行和维护

SVG 是现代电力系统中应用较为广泛的一种电力调节设备，主要用于动态控制电力系统的无功功率，以提升系统的无功补偿性能。由于电力系统环境多变、设备技术复杂，SVG 在运行和维护过程中面临着各种挑战。

首先，环境因素。如果SVG 长期处于高温、低温、潮湿等恶劣环境中，不仅会影响设备的稳定性，还会加快设备的老化速度。因此，在设备运行和维护期间，必须准确分析环境因素对设备的影响，并采取相应的防护措施，以确保设备的正常运行，延长设备使用寿命。

其次，设备监测和维护。在SVG 运行过程中，需要对其进行实时监测，以及时发现故障问题，为维修和保养提供依据。此外，应定期开展设备维护工作，清洁设备内部的灰尘和其他污物，并及时更新设备部件和零件，确保设备能够正常运行。

最后，建立科学严格的保养和维护计划，制定日常保养和维护工作标准。这样既能确保设备持续稳定地运行，又能提高设备的可靠性和稳定性。同时，加强对维修人员的培训力度，提高现场工作人员的专业技能和素质，以达到理想的SVG 设备管理效果。

5 结 论

风电场并网对电网的电能质量有着深远的影响。文章结合风电场运行的特点，总结并概括了风电场并网对电网电能质量的影响，提出了风电场并网对电网电能质量的完善策略。同时，从设备选型和设计、设备安装和调试、设备运行和维护3 个方面探讨了风电并网对电能质量影响的治理实践，以提高风电场的供电质量，使其达到最佳状态。