淺談風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)的影響

一、引言

隨著全球能源消耗速度的不斷增加，人類對(duì)于能源的需求與日俱增。而傳統(tǒng)能源，諸如煤炭、石油、天然氣等的儲(chǔ)量有限，再加上傳統(tǒng)能源的大量消耗造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，對(duì)可再生以及干凈環(huán)保能源的開發(fā)利用已成為一件迫在眉睫的事情。而風(fēng)力發(fā)電由于技術(shù)上日趨成熟，商業(yè)化運(yùn)用能力不斷提高，在眾多可再生的綠色能源中脫穎而出。但是在風(fēng)能發(fā)電并入現(xiàn)行的電力系統(tǒng)時(shí)，因其具有很大的隨機(jī)性和波動(dòng)性，對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及安全運(yùn)行產(chǎn)生了讓重大的影響。同時(shí)這種影響是隨著風(fēng)力發(fā)電容量的不斷增加而愈發(fā)明顯。這就要求我們不斷加深對(duì)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)的影響研究，對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)產(chǎn)生的電壓不穩(wěn)定、電網(wǎng)頻率不穩(wěn)定等問題進(jìn)行探究，以進(jìn)一步提高風(fēng)電并網(wǎng)后，電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性。

二、風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行的特點(diǎn)

1.能量的密度小

相比其他類型的可再生資源的發(fā)電裝置，在得到相同的發(fā)電容量時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電設(shè)備的尺寸要大得多，這就說明風(fēng)能發(fā)電的能量密度小。

2.穩(wěn)定性較差

風(fēng)力發(fā)電的質(zhì)量取決于風(fēng)速的大小和風(fēng)向，而風(fēng)速的大小強(qiáng)弱與風(fēng)向則是不可預(yù)測(cè)的變量，這就使得風(fēng)力發(fā)電的隨機(jī)性較大，具有很大的不穩(wěn)定性。所以風(fēng)力發(fā)電的輸出功率處于一個(gè)變動(dòng)的狀態(tài)。為了得到較為穩(wěn)定的風(fēng)能，風(fēng)力發(fā)電機(jī)就必須安裝調(diào)速、調(diào)向等控制裝置來減弱風(fēng)力發(fā)電的不穩(wěn)定性。

3.發(fā)電效率相對(duì)較低

風(fēng)輪作為風(fēng)力發(fā)電最為主要的裝置，其理論最大效率為59.3%，而在實(shí)際的運(yùn)作過程中，其效率遠(yuǎn)比59.3%要小。

4.儲(chǔ)能困難

如果要求單獨(dú)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)不間斷的進(jìn)行供電，就勢(shì)必需要風(fēng)力發(fā)電機(jī)具備相應(yīng)的儲(chǔ)能裝置，以應(yīng)對(duì)當(dāng)沒有風(fēng)能時(shí)或者風(fēng)力較小時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)就停止發(fā)電的情況。不僅如此，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電并入電網(wǎng)的容量較大時(shí)，鑒于風(fēng)力發(fā)電的間歇性等特點(diǎn)，就要求風(fēng)力發(fā)電裝置能夠儲(chǔ)存一定的電力，不斷保證電網(wǎng)供電功率的穩(wěn)定，保障電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全。但是就目前的技術(shù)而言，對(duì)于風(fēng)力發(fā)電的儲(chǔ)能還存在一定的困難。

5.風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電成本比較高

由于風(fēng)電場(chǎng)處理的間歇性、不穩(wěn)定性，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)并入電力系統(tǒng)時(shí)，會(huì)增加負(fù)荷跟蹤、無功功率以及電壓調(diào)節(jié)等電網(wǎng)輔助服務(wù)，這就導(dǎo)致風(fēng)電企業(yè)的成本較高。在并網(wǎng)之后，高于常規(guī)能源發(fā)電平均電價(jià)之間的差額附加在銷售電價(jià)中分?jǐn)?，從而影響了電網(wǎng)企業(yè)的收益，也直接導(dǎo)致居民的用電成本增加。

三、風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

1.電壓穩(wěn)定性

大多數(shù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)為異步發(fā)電機(jī)，在發(fā)出有功功率的同時(shí)還需要從電網(wǎng)系統(tǒng)系統(tǒng)吸收無功功率。而風(fēng)電場(chǎng)對(duì)這部分無功功率是導(dǎo)致電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性下降的主要原因，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電容量較大時(shí)，這部分無功功率就會(huì)增大，相應(yīng)的電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的控制作用就越小，電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性也越低，而電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性又包括靜態(tài)電壓穩(wěn)定和暫態(tài)電壓穩(wěn)定。

a.靜態(tài)電壓穩(wěn)定性

所謂的靜態(tài)電壓是指整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)在運(yùn)行的過程中，電網(wǎng)電壓相對(duì)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的電壓，它的穩(wěn)定性與電力系統(tǒng)的負(fù)荷性極限功率密切相關(guān)。一般來說，如果風(fēng)電場(chǎng)的有功功率能夠使負(fù)荷特性極限功率增加，那么靜態(tài)電壓穩(wěn)定性就會(huì)增加。反之亦然。但是我們必須考慮到風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)時(shí)所需要的大量的無功功率，這很有可能導(dǎo)致電壓穩(wěn)定性降低甚至電壓崩潰現(xiàn)象。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生主要和電力系統(tǒng)的無功供給量和電力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)分布兩個(gè)因素相關(guān)。當(dāng)電力系統(tǒng)的無功供給量足夠多是，無論風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)的容量有多大，都可以增加電力系統(tǒng)靜態(tài)電壓的穩(wěn)定性。

b.暫態(tài)電壓穩(wěn)定性

多數(shù)情況下，風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)引起的電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的現(xiàn)象都是一個(gè)動(dòng)態(tài)的范疇，也就是說，當(dāng)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)大范圍的波動(dòng)時(shí)，電力系統(tǒng)會(huì)通過其他保護(hù)裝置對(duì)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，而調(diào)節(jié)的過程就屬于一個(gè)動(dòng)態(tài)的范疇。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)接入電力系統(tǒng)啟動(dòng)的瞬間，會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生較大的電力沖擊，從而影響電壓的穩(wěn)定性。而且當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)速超過切出風(fēng)速或者出現(xiàn)故障后，電力發(fā)電機(jī)就會(huì)自動(dòng)退出并網(wǎng)狀態(tài)，此時(shí)就會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓的突然驟降，導(dǎo)致電網(wǎng)運(yùn)行不穩(wěn)定。而為了解決這樣的問題，就需要風(fēng)電機(jī)組具有良好的低電壓穿越能力，即當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)出現(xiàn)電壓跌落現(xiàn)象時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)能夠持續(xù)并網(wǎng)并向電網(wǎng)提供少量的無功功率，從而使整個(gè)電網(wǎng)的電壓恢復(fù)穩(wěn)定?？偟膩碚f，影響風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的因素主要包括：一是電網(wǎng)系統(tǒng)的強(qiáng)弱，主要是指無功補(bǔ)償?shù)拇笮?；二是風(fēng)機(jī)的種類；三是風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)功率調(diào)節(jié)。

2.頻率穩(wěn)定性

為了保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，電網(wǎng)一般會(huì)保留2%-3%的機(jī)組旋轉(zhuǎn)備用容量，以應(yīng)對(duì)由于新能源并網(wǎng)產(chǎn)生的頻率偏移和頻率不穩(wěn)定的現(xiàn)象。由于風(fēng)力發(fā)電的不穩(wěn)定性、波動(dòng)性等特點(diǎn)，其發(fā)電出力會(huì)隨著風(fēng)力的大小變化，為了確保電網(wǎng)系統(tǒng)能夠正常供電，電網(wǎng)需要根據(jù)并網(wǎng)的風(fēng)電容量來確定相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)備用容量。一般來說，電網(wǎng)旋轉(zhuǎn)備用的容量的多少與風(fēng)電場(chǎng)并入電網(wǎng)的容量成正比。而對(duì)大型電網(wǎng)來說，因?yàn)榫哂凶銐虻膫溆萌萘恳约傲己玫恼{(diào)節(jié)能力，通常情況下不考慮比率穩(wěn)定性的問題。而部分孤立運(yùn)行的小型電網(wǎng)就需要考慮由于風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)產(chǎn)生的頻率穩(wěn)定性的問題。

3.諧波穩(wěn)定性

風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)會(huì)對(duì)電網(wǎng)的諧波穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，而這種諧波的來源主要有兩種方式：一種是風(fēng)力發(fā)電機(jī)本身配備的電力電子設(shè)備所引起的諧波。不同的風(fēng)力發(fā)電機(jī)對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波問題不一樣。對(duì)于恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)來說，諧波問題的產(chǎn)生主要是風(fēng)力發(fā)電機(jī)在軟啟動(dòng)的過程中，需要利用電力電子設(shè)備相連接，相應(yīng)的就會(huì)產(chǎn)生一定量的諧波。但是這種諧波產(chǎn)生的次數(shù)比較少，且持續(xù)的時(shí)間不長(zhǎng)，對(duì)電力系統(tǒng)的諧波穩(wěn)定性影響不大。而對(duì)變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)情況就有所不同，變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)是通過整流和逆流裝接入電力系統(tǒng)，一旦電子電力設(shè)備的切換頻率在產(chǎn)生諧波的范圍內(nèi)，就會(huì)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的諧波問題，從而影響則個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。一種是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并聯(lián)補(bǔ)償電容器與系統(tǒng)線路電抗發(fā)生諧振和引起的諧波。當(dāng)并入電網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)組臺(tái)數(shù)過多且均是變速恒頻時(shí)，就很容易造成電網(wǎng)系統(tǒng)局部產(chǎn)生過高的諧波電壓，對(duì)電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性產(chǎn)生直接影響。

四、風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行的影響

1.導(dǎo)致電力系統(tǒng)調(diào)峰難度增加，增加電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行的費(fèi)用

圖1

因?yàn)轱L(fēng)電場(chǎng)發(fā)電運(yùn)行的不確定性，會(huì)導(dǎo)致其功率波動(dòng)，在并入電網(wǎng)之后，這種功率波動(dòng)經(jīng)常和用電負(fù)荷波動(dòng)趨勢(shì)相反。這就需要電網(wǎng)必須留有足夠的備用容量來平衡風(fēng)電功率的波動(dòng)。而這一部分額外的旋轉(zhuǎn)機(jī)組一方面可以分擔(dān)傳統(tǒng)機(jī)組的部分負(fù)荷，可以降低電力系統(tǒng)的燃料成本；另一方面，由于額外旋轉(zhuǎn)設(shè)備的啟用后，就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用，以保證旋轉(zhuǎn)備用容量設(shè)備可靠有效的運(yùn)行，也就增加了整個(gè)電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行的費(fèi)用。不僅如此，風(fēng)電場(chǎng)由于發(fā)電機(jī)組的功率變化較快，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)就相當(dāng)于產(chǎn)生了“削谷填峰”的反調(diào)峰效果，這就要求電網(wǎng)系統(tǒng)能夠提供一個(gè)較為快捷的調(diào)峰效率，也就逐步擴(kuò)大了電網(wǎng)的等效峰谷差，致使電力系統(tǒng)負(fù)荷特性持續(xù)惡化。而為了確保地理系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行，就必須對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)峰，增加了電力系統(tǒng)人員的工作難度，這在無形之中便增加了整個(gè)電網(wǎng)運(yùn)行的費(fèi)用。因此不斷加強(qiáng)對(duì)風(fēng)電功率預(yù)測(cè)和加大對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的建設(shè)十分重要與迫切。

2.增加無功調(diào)節(jié)的難度，降低電網(wǎng)抵御故障的能力

風(fēng)電場(chǎng)在正常運(yùn)行時(shí)需要吸收較多的無功功率來建立旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，而這些無功功率除了由其自身的無功補(bǔ)償來提供外，還需要從電網(wǎng)進(jìn)行吸收，并且從電網(wǎng)吸收的無功功率要比風(fēng)電場(chǎng)自身提供的無功功率要多得多。如果風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的容量過大，一般是超過整個(gè)電網(wǎng)容量的10%，就是勢(shì)必需要從電網(wǎng)系統(tǒng)吸收大量的無功功率，也就進(jìn)一步降低了電力系統(tǒng)的無功儲(chǔ)備度，使得變壓器、繼電保護(hù)器出現(xiàn)損耗，減弱了電網(wǎng)抵御故障的能力。而且大部分的風(fēng)電機(jī)組對(duì)電壓變動(dòng)幾乎沒有調(diào)節(jié)能力，只設(shè)置了簡(jiǎn)單的低電壓保護(hù)的動(dòng)作限值。當(dāng)電網(wǎng)系統(tǒng)的母線電壓發(fā)生小幅度的電壓波動(dòng)時(shí)，風(fēng)電機(jī)組就會(huì)啟動(dòng)保護(hù)措施，以保護(hù)自身的電子電力設(shè)備。如果電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障導(dǎo)致電壓驟降或者過電壓時(shí)，集中運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組就會(huì)瞬間解列，對(duì)電力系統(tǒng)造成二次沖擊，而這種二次的沖擊的傷害結(jié)果會(huì)特別嚴(yán)重，可能會(huì)讓整個(gè)電力系統(tǒng)出現(xiàn)崩潰，無法運(yùn)行，這將對(duì)電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行產(chǎn)生重大影響。所以，隨著風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)容量的增加，電網(wǎng)抵御故障的能力將會(huì)進(jìn)一步被削弱。

五、對(duì)電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置的影響

風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)帶來的逆向潮流，會(huì)引起電力保護(hù)系統(tǒng)的功能紊亂，而且當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，風(fēng)電機(jī)提供的故障電流十分有限，不能引起繼電保護(hù)裝置啟動(dòng)，就會(huì)影響現(xiàn)有的配電網(wǎng)的保護(hù)裝置的正常運(yùn)行。而當(dāng)一定規(guī)模的風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)系統(tǒng)時(shí)，就會(huì)改變配電網(wǎng)的短路電路分布。這種短路電流的改變將會(huì)對(duì)繼電保護(hù)器的靈敏度和保護(hù)范圍產(chǎn)生影響。

如圖1顯示，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)距線路末端的X處，如果恰好在線路的末端發(fā)生了短路故障，那么在K處檢測(cè)到的故障電流值將偏小。一旦出現(xiàn)故障產(chǎn)生的短路故障電流偏小很可能在K處的機(jī)電保護(hù)器就檢測(cè)不到故障電流，不但降低了機(jī)繼電保護(hù)器的靈敏度，設(shè)置使繼電保護(hù)器的出現(xiàn)了短暫的“失效”。而且在圖1的Zs區(qū)段，存在速斷保護(hù)死區(qū)，也就是說，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)位于這段區(qū)域，就會(huì)導(dǎo)致線路故障無法排除。而在不改變現(xiàn)有保護(hù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，只能采用后備的過流保護(hù)設(shè)施來排除故障，這無疑削弱了繼電保護(hù)器的自動(dòng)性，增加了線路故障對(duì)電網(wǎng)的影響。但是如果繼電保護(hù)器的保護(hù)動(dòng)作大于5個(gè)周波，那么就可以不考慮風(fēng)電短路電流對(duì)整個(gè)系統(tǒng)電流保護(hù)的影響，因?yàn)轱L(fēng)電短路電流衰減的很快，機(jī)電保護(hù)裝置已經(jīng)來不及對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)了。

六、總結(jié)

盡管我國(guó)風(fēng)電發(fā)展迅速，但是在整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)中的所占的比例依舊不足，加上風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行后對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性以及電網(wǎng)調(diào)度產(chǎn)生的一系列不利影響，這就要求我們不斷優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，加大對(duì)風(fēng)電網(wǎng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究，逐步提高無功補(bǔ)償裝置的建設(shè)運(yùn)用，并對(duì)風(fēng)電接入點(diǎn)的運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)施的監(jiān)控。而本文主要對(duì)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生的影響進(jìn)行了分析，對(duì)促進(jìn)風(fēng)電并網(wǎng)后電網(wǎng)安全運(yùn)行具有一定的指導(dǎo)意義，希望能夠?yàn)閺V大同行提供一些經(jīng)驗(yàn)。

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