风力发电并网对电力系统造成的影响及其应对措施

风力发电并网对电力系统造成的影响及其应对措施风力发电是一种清洁的可再生能源它能够带来显著的环境效益和社会效益合理有效地利用风能源对我国实现高速可持续发展具有极其重要的意义随着风电装机容量在电网中所占比例的增长风力发电对电网的影响范围从局部逐渐扩大目前风电接入电网出现了与以往不同的特点表现为单个风力发电场容量增大风电场接入电网的电压等级更高增加的风电接入容量与接入更高的电压等级使得电网受风电影响的范围更广在风电穿透功率较大的电网中由于风电注入改变了电网原有的潮流分布线路传输功率与整个系统的惯量并且由于风电机组与传统同步发电机组有不同的稳态与暂态特性因此风电接入后电网的电压稳定性暂态稳定性及频率稳定性都会发生变化所以在风电场建设与接入电网之前进行必要的包含风电场的电力系统分析计算研究风电场并网后系统运行的稳定性变化情况无论是对于风电场业主还是电网部门而言都是非常必要的。风能发电的特点是：a)风能的稳定性差。风能属于过程性能源，是不可控的，具有随机性、间歇性、不稳定性的特点，风速和风向决定了风力发电机的发电状态以及出力的大小。b)风能不能储存。对于单机独立运行的风力发电机组，要保证不间断供电，必须配备相应的储能装置。c)风电场的分布位置通常比较偏远。我国的风电场多数集中在风能资源比较丰富的西北、华北和东北地区。由于风能发电具有以上特点，使得风电的开发和利用较之水力发电困难得多。风电的最大缺点是稳定性差，若风电系统所产生的电能直接并入电网，将影响局部电网运行的稳定。影响一、对系统稳定性的影响大规模风电场接人电力系统时，风电场对无功功率的需求是导致电网电压稳定性降低的主要原因。研究表明：一方面，风电场的有功出力使负荷特性极限功率增大，增强了静态电压稳定性；另一方面，风电场的无功需求使负荷特性的极限功率减少，降低了静态电压稳定性。目前，风力发电多采用异步发电机，需要外部系统提供无功支持。变速恒频风电系统在向电网注入功率的同时需要从电网吸收大量的无功功率，风电场的无功仍可看作是一个正的无功负荷，因此，当风电场的容量较大且无功控制能力不足时，易影响电压的稳定性，严重时会造成电压崩溃。风电场的并网改变了配电网的功率流向和潮流分布，这是既有的电网在规划和设计时未曾考虑的。因此，随着风电注入功率的增加，风电场附近局部电网的电压和联络线功率将超出安全运行范围，影响系统的稳定性。随着各地风力发电的蓬勃发展，风电场的规模不断扩大，风电装机容量在系统中所占的比例不断增加，风电输出的不稳定性对电网的功率冲击效应也不断增大，对系统稳定性的影响就更加明显。情况严重时，将会使系统失去动态稳定性，导致整个系统瓦解。二、对电能质量的影响目前，电压波动和闪变是风力发电对电网电能质量的主要负面影响之一。风资源的不确定性和风电机组本身的运行特性使风电机组的输出功率呈波动性，可能会影响电网的电能质量，如电压偏差、电压波动和闪变、谐波等。虽然大多数风电机组采用软并网方式，但在启动时仍会产生5～6倍额定电流的冲击电流，对小容量的电网而言，风电场并网瞬间将造成电网电压的大幅度下跌；正常运行时的风速变化也会导致风机出力的波动而影响电能质量。随着风速的增大，风电机组产生的电压波动和闪变也将增大，并且风电机组公共连接点短路比越大，其引起的电压波动和闪变越小。当风速超过切出风速时，风电机组会从额定出力状态自动退出运行，若风电场所有风电机组几乎同时退出，这种冲击对配电网的影响十分明显。与电压波动和闪变相比，风电并网带来的谐波问题也不容忽视。风电并带来谐波的途径主要有2种：a)风力发电机本身的电力电子控制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，会产生一定的谐波，不过过程很短，通常可以忽略。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，则会产生严重的谐波问题。b)风力发电机的并联补偿电容器可能与线路电抗发生谐振。在实际运行中，曾检测到在风电场出口变压器的低压侧产生大量谐波。三、对电网频率的影响当风速大于切入风速时，风电机组启动挂网运行；当风速低于切入风速时，风电机组停机并与电网解列。当风速大于切出风速时，为保证安全，风电机组必须停机。因此，受风速变化的影响，风电机组的出力也随时变化，一天内可能有多次启动并网和停机解列。风电场不稳定的功率输出会给电网的运行带来许多问题。如果风电容量在电网总装机容量中所占比例很小，风电功率的注入对电网频率影响甚微。但是，当风电场与其他发电方式的电源组成一个小型的孤立电网时，可能会对孤立系统的频率造成较大影响。随着电网中风力发电装机容量所占的比例逐步提高，大量风电功率的波动增大了系统调频的难度，而系统频率的变化又会对风电机组的运行状态产生影响。各国风电接入系统导则都要求风电机组能够在一定的频率范围内正常运行，频率超过一定范围后限制出力运行或延迟一定时间后退出运行，以维持系统的频率稳定。四、对发电计划与调度的影响传统的发电计划基于电源的可靠性以及负荷的可预测性，以这2点为基础，发电计划的制定和实施有了可靠的保证。如果电力系统内含有风电场，由于风电场的出力具有极大的随机性，因此会对发电计划的制定和实施产生较大的影响。风电场如果参与调度计划，则需预测未来24h的发电曲线。在日交易计划的实施过程中，由于负荷的非预期变化和发电机组的非计划停运等，电网调度中心还要进行在线校正发电计划，而校正计划一般需要提前30min下发给电厂和供电公司，如果并网风电场能够预测未来1---3h的出力，则对电网的调度也是有意义的。五、对系统备用容量的影响如果风电功率的波动特性与电网负荷的波动特性一致，那么风电就有自然调峰的作用，反之，将会使电网的调峰问题变得更加突出。风电场并网后，电网的可用调峰容量减去用于平衡负荷波动的备用容量后，剩余的可用调峰容量都能够用于为风电调峰。如果整个电网可用于风电的调峰容量有限，无法完全平衡风电场的功率波动时，就需要限制注入电网的风电功率。因为风电功率的波动对于电网而言完全是随机的，最严重的情况就等于整个风电装机容量大小的风电功率在短时问内的波动，这种情况发生的概率很小，但是在实际运行中无法排除这种可能性。因此，系统要有与风电场额定容量相当的备用容量，以保证电网的安全稳定运行。应对措施一、改善稳定性的措施传统的分组快速投切电容器组可对风电场进行无功补偿以改善系统电压的稳定性，但这种分组投切的电容器不能实现连续的电压调节，投切次数有限，动作也有一定的延时，因此对于风速的快速变化造成的电压波动是无能为力的。静止无功补偿器(staticvarcompensator，SVC)可以快速平滑地调节无功补偿功率的大小，提供动态的电压支撑，改善系统的运行性能。将SVC安装在风电场的出口，根据风电场接人点的电压偏差量来控制SVC补偿的无功功率，能够稳定风电场节点电压，降低风电功率波动对电网电压的影响。具有有功和无功功率综合调节能力的超导储能装置(superconductingmagneticenergystoragesystem，SMES)代表了柔性交流输电系统(flexibleACtransmisionsystem，FACTS)的新技术方向，将SMES用于风力发电可实现对电压和频率的同时控制。SMES能灵活地调节有功和无功功率，为系统提供功率补偿，跟踪电气量的波动。在风电场出口安装SMES装置可充分利用其综合调节能力，降低风电场输出功率的波动，稳定风电场电压。SMES是一种有源的补偿装置，与SVC相比，其无功功率补偿量对接入点电压的依赖程度小，在低电压时补偿效果更好。二、改善电能质量的措施目前，大部分用于改善和提高电能质量的补偿装置都具有抑制电压波动和闪变的功能。如SVC、有源滤波器(activepowerfilter，APF)、动态电压恢复器(dynamicvoltagerestorers，DVR)等。电压闪变是电压波动的一种特殊反映，闪变的严重程度与负荷变化引起的电压变动相关，在高压或中压配电网中，电压波动主要与无功负荷的变化量及电网的短路容量有关。在电网短路容量一定的情况下，电压闪变主要是由于无功负荷的剧烈变动所致。因此，抑制电压闪变的最常用方法是安装静止无功补偿装置，目前这方面的技术已相当成熟。APF的工作原理与传统的SVC完全不同，是采用现代电力电子技术和数字信号处理技术制成的新型电力谐波治理专用设备。它能生成与电网谐波电流幅值相等、极性相反的补偿电流并注入电网，对谐波电流进行补偿或抵消，主动消除电力谐波。DVR主要用于补偿输电网产生的电压跌落、闪变和谐波等。它可在电源和敏感负载之间插入一个任意幅值和相位的电压。当电源电压畸变时，改变DVR的电压，可达到稳定敏感负载电压的目的。此外，并网风电机组公共连接点短路比和电网线路X／R值(X、R分别为线路的电抗与电阻)也是影响风电机组引起的电压波动和闪变的重要素。风电机组公共连接点短路比越大，其引起的电压波动和闪变越小。合适的X／R值可使有功功率引起的电压波动被无功功率引起的电压波动所补偿，从而使整个平均闪变值有所减小。研究表明，当线路X／R值很小时，并网风电机组引起的电压波动和闪变很大。当线路X／R值对应的线路阻抗角为60或70度时，并网风电机组引起的电压波动和闪变最小。导师研究方向与风电并网的结合点浅析本人所在研究团队由罗隆福导师带队，主要研究高压直流输电以及新型换流变压器的研究与应用。在于风电及其并网的结合上，由于风电具有间歇性以及其对电力系统的影响，可以设想一种曲线“并网”方式，由风电电能转化为高压直流，再逆变为交流电，由于并非直接并网谐波和电压都可以由整流变压器和整流装置控制，方便切除与投入。风电电能如果不是很优质的交流电源，则可以由其转化为专属电池充电能源，以供电动汽车专属能源结构，或者直接进行整流供给需要大量直流电的湿法冶金工厂，这样也减少了逆变的损耗。