并網型山地風電場接入電網存在的問題及對策分析

黃龔相

摘 要：目前風力發電是綠色能源發電的最大來源。風力發電技術的發展和應用，使得風力發電在電力系統中的比重不斷增加。風電場接入電網對系統的穩定性等多方面產生了影響。本文通過分析山地風電場特征，了解其接入系統后對電網的影響，并對系統保持穩定性的相關技術進行了深入的探討和了解。

關鍵詞：風電場；并網；系統穩定性技術

1 大容量山地風電場接入系統對電網的影響

風電場接入電網一般通過以下兩種模式：一是大容量集中高壓并入輸電網絡；二是小容量通過低壓配電網分布式低壓并入電網。風電場接入系統對電網的影響集中體現在以下幾個方面。

（1）因電力系統電量平衡的要求，使得電網調頻、調峰成為一個重要難題。為保持系統的安全性和穩定性，系統調度部門需要隨時平衡不斷變化的計劃和非計劃變動。此外，由于功率因素要求，有功功率的大幅波動會導致無功功率和電壓的大幅波動，給電力系統的穩定運行帶來隱患。

（2）山地風電場因受地形因素的影響，存在氣壓低、湍流強等特點，與平原地區的風電場相比，其風速的隨機性和間歇性特征更為顯著，風場接入電網系統后，可能帶來母線電壓波動超出限制范圍的現象。

（3）風機配套變流器采用高頻電力電子器件，在完成AC-DC-AC變換達到輸出電能頻率要求的同時，也產生了大量諧波，諧波電流注入電網帶來電網系統的諧波污染，威脅電網的安全穩定運行。

（4）大型風電場內采用大量箱式變電站，集電線路采用電纜或架空線路，主變壓器采用有載調壓電力變壓器，風機至升壓站采用數千米至數十千米的送出高壓線路，存在的許多非線性設備，使得風場在發出有功功率的同時也消耗大量無功功率。然而，大多數風電場的風機功率因數設定值居于0.95～1.0之間，雖然要求恒壓和恒功率控制，但無法滿足風電場自身無功功率控制的要求。

2 解決風電場并網問題的措施

2.1 風電場風功率預測系統

風電出力是變化的，但在很大程度上也是可以預測的。而電力供應和需求是隨時變化的，要努力掌握預測、管理并改善電力系統的功率波動性，以滿足其需求。通過在風電場配置風功率預測系統，接收氣象部門的數值天氣預報信息（或直接接收調度主站系統下發的數值天氣預報信息）和調度主站系統下發的功率預測結果，向主站上傳數值氣象預報信息，并根據歷史和運行數據計算、分析、修正和校核，將風電場的功率預測結果上傳到調度主站。

2.2 保持接入系統穩定性的措施

（1）系統頻率異常保護

風電場的突然突然切除及投運引起的波動會導致電網系統頻率異常。風力機在接入點電壓降低到設定值之下時，會發生解列，斷開與電網的連接。隨著解列發生頻率異常是由于負荷與發電機的出力不平衡引起的，要想頻率恢復就要切掉適量的負荷。對于這種情況，可以通過改善系統中的同步發電機的保護來維持系統的平衡，防止發生更大規模的解列事故。在發電量的滲透率較高的系統中，為避免出現系統頻率異常狀況，要給系統中離風電場較近的傳統的同步發電機配置低頻減載保護。

（2）系統振蕩問題

出當系統發生振蕩時，振蕩電流隨著風電場容量的增大而不斷增加。在風電場附近常會因振蕩電壓波動得變化大小而使得系統電流速斷保護出現誤動作。自適應過電流保護是解決系統振蕩問題的較好方法，同時，也常用振蕩閉鎖裝置來解決系統中可能發生的距離保護的誤動作。

3.3 系統保護技術

系統保護技術不同于線路或元件保護，不是為了保護某一特定的設備，而是通過改變系統結構，起到安全保護的作用。

（1）失步保護

在大擾動后，系統內各發電機失去同步運行，導致系統解列，這時就要用到失步保護。在失步保護中，當系統真正失步時，可以跳開線路，從而解列系統；為減小斷路器遮斷電流，在系統中角度不斷減小且小于120°時，要啟動跳閘；為避免不必要的切除負荷，使兩側系統的負荷和發電能力大體平衡，選取解列點；系統解列時，閉鎖線路一側的自動重合閘繼電器或跳閘繼電器。失步保護根據風電場在系統中的滲透功率的大小不同，其定值的延遲時間應做相應的調整，以躲過風電場投入或退出造成系統的短時振蕩。

（2）柔性交流輸電

因風能的不穩定性，風電場發出的功率是動態變化的。可以根據系統功率的變化，使運送功率自動調節在一個恒定的范圍內。在系統中并入大容量的風電場，為控制短路功率，最好在系統中加裝FACTS 設備，采取柔性輸電的方法。

（3）柔性直流輸電

柔性直流輸電系統的主要器件包括電壓源換流器（VSC）、換流變壓器、換相電抗器、直流電容器和交流濾波器等。根據系統需求，電壓換流器可以方便地進行整流 / 逆變運行狀態轉換；兩側換流器協調控制運行，實現兩端交流系統間的有功功率交換。

2.4 動態無功補償改善風電場并網電能質量

靜止型動態無功補償裝置（SVG）采用可控型電力電子開關器件，既能主動發出無功功率，也能吸收無功功率，屬于典型的有源補償裝置。SVG裝置具有以下特性：

（1）不依賴電壓，表現為恒流源特性，運行范圍寬，補償容量大；

（2）響應速度快，裝置響應時間一般≤5ms；

（3）采用橋式電路結構，結合PWM技術和多電平控制技術，使得裝置發出無功諧波含量較低。

3 結束語

風力發電的大規模建設使得風電場并網對系統穩定運行問題越來越不容忽視。本文從并網型山地風電場著手，從風電場對電網系統的影響上，提出了保持系統穩定性的各項對應措施。同時，為更細致更精確的研究和解決風電場并網問題，今后要更全面的搜集系統設備參數，分析影響電網穩定性的具體原因，更精準的進行系統保護配置。

參考文獻

[1]李中偉.供配電線路自適應保護系統的算法與通信研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2006.

[2]沈冰，何奔騰，張武軍.新型自適應距離繼電器[J].電力系統自動化，2007，31（7）：39-44.

[3]楊國生，李欣，周澤昕.風電接入對配電網繼電保護的影響與對策[J].電網技術，2009，33（11）：87-103.

（作者單位：大唐廣元風電開發有限公司）