论文部分内容阅读
摘要：在可再生能源利用中，风能具有很强的竞争力。风能发电在技术上日趋成熟，商业化应用不断提高，是近期内最具有大规模开发利用前景的可再生资源。经济性方面，风力发电成本不断降低，同时常规能源发电由于环保要求增高使得成本进一步增加;而且随着技术的进步，风力发电的成本将有进一步降低的巨大潜力。
关键词：风力发电;电能质量;稳定性;解决方案
一、风力发电并网对电力系统的影响
1.1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。这些因素就形成了对于风力发电规模的制约，需要进行科学的研究和分析，才能确保进一步扩大风力发电的规模。
1.2电压波动和闪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。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。
1.3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潰。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。
1.4保护装置不能有效运转
在进行风电发电机组的运行过程中，由于机组受到风速的影响比较大，经常发生对接触器的损害，所以要适当安装电动机设备，在必要的时候进行补充运行，但是这就导致风力发电机组与国家电网之间的电流有时会出现双向流动。如果风力发电机组的系统设计时，没有充分考虑到这样的情况，就有可能对原有的保护装置产生损害。同时在风力发电机组产生短路等各种故障的时候，没有形成一部分短路电流，机组的保护装置可以借助这部分电流进行运行，迅速准确查找故障的原因，但是这种设计在保护装置起初的设置中没有考虑到，这就导致保护装置在风力发电系统发生故障的时候不能有效发挥作用。
二、解决措施
2.1风力发电场的规模问题
2.1.1衡量风力发电规模的两个指标
（1）风电穿透功率极限：风电穿透功率（windpowerpenetration）是指：系统中风电场装机容量占系统总负荷的比例。风电穿透功率极限定义为在满足一定技术指标的前提下接入系统的最大风电场装机容量与系统最大负荷的百分比。表征系统能够承受的最大风电场装机容量。根据欧洲国家的一些统计数据，风电穿透功率达到10%是可行的。
（2）风电场短路容量比：定义为风电场额定容量Pwind与该风电场与电力系统的连接点—PCC（PointofCommonCoupling）的短路容量Ssc之比。短路容量表示网络结构的强弱，短路容量大说明该节点与系统电源点的电气距离小，联系紧密。风电场接入点的短路容量反映了该节点的电压对风电注入功率变化的敏感程度。风电场短路容量比小表明系统承受风电扰动的能力强。对于风电场的短路容量比这一指标，欧洲国家给出的经验数据为3.3%～5%，日本学者认为短路比在10%左右也是允许的。
2.1.2风电场最大注入功率的影响因素
风电场的最大注入功率不仅取决于风电场的运行特性和系统中其它发电设备的调节能力，还与风电接入的系统的网络结构等诸多因素密切相关。主要的因素有：风电场接入点负载能力的强弱;风电场与电网的联接方式;系统中常规机组的调节能力的大小;风电机组的类型和无功补偿状况;地区负荷特性等。
分析计算表明，制约风机-异步发电机组的最大注入功率的主要原因是风电功率注入引起的节点电压越限。风电机组的最大注入功率是风电场接入地区的中枢点电压水平、风电系统负荷的轻重、风电场的无功补偿容量大小以及风电场接入系统的联络线的x/r的大小等因素综合作用的结果。提高风电接入系统的电压调整能力、适当增加风电场的无功补偿量和采用x/r较小的联络线将有利于提高风电场的最大注入功率。
2.2改善电能质量问题
2.2.1改善电网结构
并网风电机组的公共连接点短路比和电网的线路X/R比是影响风电机组引起的电压波动和闪变的重要因素。风电机组公共连接点短路比越大，风电机组引起的电压波动和闪变越小。
合适的电网线路X/R比可以使有功功率引起的电压波动被无功功率引起的电压波动补偿掉，从而使整个平均闪变值有所减轻。
2.2.2安装电力电子装置
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。
2.3保护装置的调整
在风电场保护装置的配置与整定方面，目前通常的做法是按照终端变电站的方案进行配置和整定。主要依靠配电网的保护来切除网络的故障，然后由孤岛保护、低电压保护等措施来逐台切除风电机组，从而在故障期间断开风电场与系统的连接，而当故障清除后，控制风电场自动重新并网。但是对于今后有大量风电场接入配电网的情况，这种方法会降低系统的可靠性。
三、结论
风力发电作为一种绿色能源有着改善能源结构，经济环保等方面的优势，也是未来能源电力发展的一个趋势，但风力发电技术要具备与传统发电技术相当的竞争力，还需进一步改善其并网性能，降低风电并网对电力系统的运行带来的负面影响。本文从分析风力发电对电力系统带来的影响入手，综合比较了各国研究和工程人员在风能电力并网方面的解决方案，指出各方案的优缺点，期待更加成熟的风力发电技术的形成，以建设我国具有自主产权的风电产业。
参考文献
[1]风力发电对电力系统小干扰稳定性影响述评[J].和萍，文福拴，薛禹胜，LedwichGerard.电力系统及其自动化学报.2014（01）
[2]考虑风力发电的电力系统经济调度[J].刘韬文，李孝杰.继电器.2007（S1）
[3]风力发电对电力系统运行的影响[J].徐浩，李扬.江苏电机工程.2007（06）
作者简介：李欢，男，汉族，助理工程师，本科学历，研究方向：风力发电。
关键词：风力发电;电能质量;稳定性;解决方案
一、风力发电并网对电力系统的影响
1.1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。这些因素就形成了对于风力发电规模的制约，需要进行科学的研究和分析，才能确保进一步扩大风力发电的规模。
1.2电压波动和闪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。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。
1.3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潰。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。
1.4保护装置不能有效运转
在进行风电发电机组的运行过程中，由于机组受到风速的影响比较大，经常发生对接触器的损害，所以要适当安装电动机设备，在必要的时候进行补充运行，但是这就导致风力发电机组与国家电网之间的电流有时会出现双向流动。如果风力发电机组的系统设计时，没有充分考虑到这样的情况，就有可能对原有的保护装置产生损害。同时在风力发电机组产生短路等各种故障的时候，没有形成一部分短路电流，机组的保护装置可以借助这部分电流进行运行，迅速准确查找故障的原因，但是这种设计在保护装置起初的设置中没有考虑到，这就导致保护装置在风力发电系统发生故障的时候不能有效发挥作用。
二、解决措施
2.1风力发电场的规模问题
2.1.1衡量风力发电规模的两个指标
（1）风电穿透功率极限：风电穿透功率（windpowerpenetration）是指：系统中风电场装机容量占系统总负荷的比例。风电穿透功率极限定义为在满足一定技术指标的前提下接入系统的最大风电场装机容量与系统最大负荷的百分比。表征系统能够承受的最大风电场装机容量。根据欧洲国家的一些统计数据，风电穿透功率达到10%是可行的。
（2）风电场短路容量比：定义为风电场额定容量Pwind与该风电场与电力系统的连接点—PCC（PointofCommonCoupling）的短路容量Ssc之比。短路容量表示网络结构的强弱，短路容量大说明该节点与系统电源点的电气距离小，联系紧密。风电场接入点的短路容量反映了该节点的电压对风电注入功率变化的敏感程度。风电场短路容量比小表明系统承受风电扰动的能力强。对于风电场的短路容量比这一指标，欧洲国家给出的经验数据为3.3%～5%，日本学者认为短路比在10%左右也是允许的。
2.1.2风电场最大注入功率的影响因素
风电场的最大注入功率不仅取决于风电场的运行特性和系统中其它发电设备的调节能力，还与风电接入的系统的网络结构等诸多因素密切相关。主要的因素有：风电场接入点负载能力的强弱;风电场与电网的联接方式;系统中常规机组的调节能力的大小;风电机组的类型和无功补偿状况;地区负荷特性等。
分析计算表明，制约风机-异步发电机组的最大注入功率的主要原因是风电功率注入引起的节点电压越限。风电机组的最大注入功率是风电场接入地区的中枢点电压水平、风电系统负荷的轻重、风电场的无功补偿容量大小以及风电场接入系统的联络线的x/r的大小等因素综合作用的结果。提高风电接入系统的电压调整能力、适当增加风电场的无功补偿量和采用x/r较小的联络线将有利于提高风电场的最大注入功率。
2.2改善电能质量问题
2.2.1改善电网结构
并网风电机组的公共连接点短路比和电网的线路X/R比是影响风电机组引起的电压波动和闪变的重要因素。风电机组公共连接点短路比越大，风电机组引起的电压波动和闪变越小。
合适的电网线路X/R比可以使有功功率引起的电压波动被无功功率引起的电压波动补偿掉，从而使整个平均闪变值有所减轻。
2.2.2安装电力电子装置
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。
2.3保护装置的调整
在风电场保护装置的配置与整定方面，目前通常的做法是按照终端变电站的方案进行配置和整定。主要依靠配电网的保护来切除网络的故障，然后由孤岛保护、低电压保护等措施来逐台切除风电机组，从而在故障期间断开风电场与系统的连接，而当故障清除后，控制风电场自动重新并网。但是对于今后有大量风电场接入配电网的情况，这种方法会降低系统的可靠性。
三、结论
风力发电作为一种绿色能源有着改善能源结构，经济环保等方面的优势，也是未来能源电力发展的一个趋势，但风力发电技术要具备与传统发电技术相当的竞争力，还需进一步改善其并网性能，降低风电并网对电力系统的运行带来的负面影响。本文从分析风力发电对电力系统带来的影响入手，综合比较了各国研究和工程人员在风能电力并网方面的解决方案，指出各方案的优缺点，期待更加成熟的风力发电技术的形成，以建设我国具有自主产权的风电产业。
参考文献
[1]风力发电对电力系统小干扰稳定性影响述评[J].和萍，文福拴，薛禹胜，LedwichGerard.电力系统及其自动化学报.2014（01）
[2]考虑风力发电的电力系统经济调度[J].刘韬文，李孝杰.继电器.2007（S1）
[3]风力发电对电力系统运行的影响[J].徐浩，李扬.江苏电机工程.2007（06）
作者简介：李欢，男，汉族，助理工程师，本科学历，研究方向：风力发电。