风力发电并网对电网运行影响的分析研究

黄加明

(湖北工程职业学院，湖北 黄石 435003)

风力发电并网对电网运行影响的分析研究

黄加明

(湖北工程职业学院，湖北 黄石 435003)

文章介绍了风力发电场的几种风力发电机型，总结了目前风力发电并网对电网运行的分析方法及初步结论，提出了改进对策。

风力发电机；风电场；风电；并网；风能，运行

0 引 言

风能是一种清洁，安全，可再生的绿色能源，利用风能对环境无污染，对生态无破坏，环保效益和生态效益良好，对于人类社会可持续发展具有重要意义。进入20世纪70年代，在世界范围内爆发的能源危机告诫人们，要生存就要寻找开发新能源，此后各国政府纷纷制定能源政策支持新能源的开发利用。现今调整能源结构、减少温室气体排放、缓解环境污染、加强能源安全已成为国内外关注的热点。国家对可再生能源的利用,特别是风能开发利用给予了高度重视。

风电场出力的主要特点是随机性、间歇性及不可控性，主要随风速变化。因此，风电并网运行给电网带来诸多不利影响。随着风电场的容量越来越大，对系统的影响也越来越明显，研究风电并网对系统的影响已成为重要课题，文中将就风电并网研究中的一些问题进行分析。

1 风力发电机主要形式

分析风电并网的影响，首先要考虑风力发电机类型的不同。不同风电机组工作原理、数学模型都不相同，因此，分析方法也有差异。目前国内风电场选用机组主要有3种：

1.1 异步风力发电机

目前是我国主力机型，国内已运行风电场大部分机组是异步风力发电机。主要特点是结构简单，运行可靠，此种发电机为定速恒频机组，运行中转速基本不变，风力发电机组运行在风能转换最佳状态下的机率比较小，因而，发电能力比新型机组低。同时，运行中需要从电力系统中吸收无功功率。为满足电网对风电场功率因素的要求，采用在机端并联补偿电容器的方法，其补偿策略是异步发电机配有若干组固定容量电容器。由于风速大小随机变化，驱动异步发电机的风机不可能经常在额定风速下运转。

1.2 双馈异步风力发电机

兆瓦级风力发电机普遍采用双馈异步发电机形式，是目前世界主力机型，该机型称为变速恒频发电系统。由于风力机变速运行，其运行速度能在一个较宽的范围内调节，使风机风能利用系数Cp得到优化，获得高的系统效率；可以实现发电机较平滑的电功率输出；与电网连接简单，发电机本身不需要另外附加的无功补偿设备，可实现功率因素一定范围内的调节，例如从0.95领先到0.95滞后范围内，因而具有调节无功功率出力的能力。

1.3 直驱式交流永磁同步发电机

从大型风电机组实际运行经验中，齿轮箱是故障率较高部件。采用无齿轮箱结构则避免了这种故障的出现，可以大大提高风电机组的可利用率、可靠性，降低风电机组载荷，提高风力机组寿命。该机组采用直接驱动永磁式同步发电机，全部功率经A-D-A变换，接入电力系统并网运行。与其他机型比较，需考虑谐波治理问题。

2 风力发电并网对电网影响分析方法

由于风速变化是随机的，因此风电场出力也是随机的，风电本身这种特点使其容量可信度低，给电网有功、无功平衡调度带来困难。

在风电容量比较高的电网中，可能产生电能质量问题，例如电压波动和闪变、频率偏差，谐波问题等。更重要的是，需分析稳定性问题，系统静态稳定、动态稳定、暂态稳定、电压稳定等。当然，相同装机容量的风电场在不同接入点对电网的影响是不同的，在短路容量大的接入点对系统影响小，反之，影响大。

定量分析风电场对电网运行的影响，要从稳态和动态两方面进行分析。

稳态分析，就是对含风电场的电力系统进行潮流计算。在稳态潮流分析中，风电场高压母线不能简单视为PQ节点或PU节点。

含风电场电力系统对平衡节点的有功、无功平衡能力提出更高要求，要分析含风电场电网在电网大、小运行方式下，是否满足系统的安全稳定运行的各种约束。

动态分析过程，一般采用仿真的方法，要考虑异步发动机、双馈异步发动机等不同发电机的模型以及风速、风机、桨距调节等环节，用仿真程序PSS/E、PSCAD、PSASP等进行分析，分析的关键是各种风力发电机模型的选用。

分析风电并网对电网影响，还需考虑风电场无功问题。风电场无功消耗包括：异步发动机消耗；风机出口升压变压器；风电场升压站主变压器消耗等，如有必要，可采用动态电压控制设备。

目前风电的容量可信度常用的有两种评价方法：一种是计算含风电系统的可靠性指标，在保证系统可靠性不变的前提下，风电能够替代的常规发电机组容量即为其容量可信度，这种方法适合于系统的规划阶段；一种方法是时间序列仿真，选择合适的时间段作为研究对象，通过计算风电场的容量系数(风电场实际出力与理论发电量的比值)来估算容量可信度，在负荷高峰时段，可以认为容量系数等于容量可信度，该方法适用于为系统的运行提供决策支持。

3 风力发电并网对电网影响

通过上述分析方法，风电并网对电网影响主要表现为以下几方面：

3.1 电压闪变

风力发电机组大多采用软并网方式，但是在启动时仍然会产生较大的冲击电流。当风速超过切出风速时，风机会从额定出力状态自动退出运行。如果整个风电场所有风机几乎同时动作，这种冲击对配电网的影响十分明显。不但如此，风速的变化和风机的塔影效应都会导致风机出力的波动，而其波动正好处在能够产生电压闪变的频率范围之内(低于25 Hz)，因此，风机在正常运行时也会给电网带来闪变问题，影响电能质量。已有的研究成果表明，闪变对并网点的短路电流水平和电网的阻抗比(也有说是阻抗角)十分敏感。

3.2 谐波污染

风电给系统带来谐波的途径主要有两种：一种是风力发电机本身配备的电力电子装置，可能带来谐波问题。对于直接和电网相连的恒速风力发电机，软启动阶段要通过电力电子装置与电网相连，因此会产生一定的谐波，不过因为过程很短，发生的次数也不多，通常可以忽略。但是对于变速风力发电机则不然，因为变速风力发电机通过整流和逆变装置接入系统，如果电力电子装置的切换频率恰好在产生谐波的范围内，则会产生很严重的谐波问题，不过随着电力电子器件的不断改进，这一问题也在逐步得到解决。另一种是风力发电机的并联补偿电容器可能和线路电抗发生谐振，在实际运行中，曾经观测到在风电场出口变压器的低压侧产生大量谐波的现象。与电压闪变问题相比，风电并网带来的谐波问题不是很严重。

3.3 电压稳定性

大型风电场及其周围地区，常常会有电压波动大的情况。主要是因为以下三种情况。风力发电机组启动时仍然会产生较大的冲击电流。单台风力发电机组并网对电网电压的冲击相对较小，但并网过程至少持续一段时间后(约为几十秒)才基本消失，多台风力发电机组同时直接并网会造成电网电压骤降。

因此多台风力发电机组的并网需分组进行，且要有一定的间隔时间。当风速超过切出风速或发生故障时，风力发电机会从额定出力状态自动退出并网状态，风力发电机组的脱网会产生电网电压的突降，而机端较多的电容补偿由于抬高了脱网前风电场的运行电压，从而引起了更大的电网电压的下降。

风电场风速条件变化也将引起风电场及其附近的电压波动。比如当风场平均风速加大，输入系统的有功功率增加，风电场母线电压开始有所降低，然后升高。这是因为当风场输入功率较小时，输入有功功率引起的电压升数值小，而吸收无功功率引起的电压降大；当风场输入功率增大时，输入有功引起的电压升数值增加较大，而吸收无功功率引起的电压降增加较小。如果考虑机端电容补偿，则风电场的电压增加。特别的，当风电场与系统间等值阻抗较大时，由于风速变动引起的电压波动现象更为明显。研究发现，使用电力电子转换装置的风力发电机，能够减少电压波动，比如并网时风电场机端若能提供瞬时无功，则启动电流也大大减小，对地方电网的冲击将大大减轻。值得一提的是，如果采用异步发电机作为风力发电机，除非采取必要的预防措施，如动态无功补偿、加固网络或者采用HVDC连接，否则当网络中某处发生三相接地故障时，将有可能导致全网的电压崩溃。

3.4 无功控制、有功调度

大型风电场的风力发电机几乎都是异步发电机，在其并网运行时需从电力系统中吸收大量无功功率，增加电网的无功负担，有可能导致小型电网的电压失稳。因此风力发电机端往往配备有电容器组，进行无功补偿，从而提高电网运行质量及降低成本。双馈型变速恒频风力发电机对这一系列问题有很好地解决作用，由于添加了控制环节，它具有了以下优良特性：

(1)可以实现对无功功率的控制--双馈发电机在实现电压控制的同时还可以从电网中吸收无功功率或是为电网提供无功补偿。

(2)可以通过对转子励磁电流的独立控制实现了有功和无功功率的解耦控制。具体原理是，双馈发电机在转子侧的变频器通过转子电流d轴分量实现对转子转速和力矩的控制，无功和励磁则是通过转子电流的q轴分量来控制的。同时，电网侧的变频器也以类似的方式工作，d轴分量通过直流电压媒介电路控制有功功率，实现转子侧与电网侧变频器之间的有功交换。

4 结束语

随着风电的高速发展，对风电并网的研究会越来越重要。影响风电并网的技术障碍包括缺少风电场规划、风力发电机和风电场模型的模拟软件、风电场输出预测等。

建议通过硬件建设，改进电网负荷平衡能力；通过软件建设，提高电网的调度能力和水平；制订严格的风电入网标准，促进风机制造技术的进步；提高风电短期预测技术能力和水平。

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Analysis of Wind Power and Influence of the Network Grid Operation

HUANG Jia-ming

(Hubei Engineering Vocational College，Huangshi 435003, Hubei Province, China)

This paper describes several wind turbine wind farm, and summarizes the current wind power generation and network analysis methods and preliminary conclusions of the power grid, and proposed improvement measures.

Wind turbines; Wind farms; Wind power; Grid; Wind; Run

2015-03-28

2015-04-10

黄加明(1967-)，男，湖北黄石人，副教授，电气工程师，主要从事电气自动化专业教学。

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.05.014

TK89

B

1009-3230(2015)05-0046-04