風力發電對電力系統的影響研究

黃銀銀

【摘? 要】我國在可持續發展道路上，著重開發可再生資源是滿足當前電力需求供應的主要渠道，風力發電便是其中之一。依據風力發電控制系統工作原理，風速大小的變化，對產電量具有一定影響，隨著風速的增加，產電量逐漸增多。雖然風速增加，對產電量的提升有所幫助，但是對電力系統的穩定運行是否會造成影響尚未明確，本文將對此展開研究。

【關鍵詞】風力發電;電力系統;影響

在新能源當中，風力發電最具商業開發價值，我國蘊藏豐富的風力資源，廣泛分布在新疆、甘肅、內蒙、河北和東南沿海等地區，近年來，我國風電發展速度越來越快，隨著風電場容量越來越大，對電力系統的影響也越來越明顯，本文對這些產生的影響進行分析和研究。

1我國風力發電現狀

風力發電技術的應用、發展與全球能源危機下人們的憂患意識息息相關。20世紀70年代爆發的全球能源危機，促使人們不得不思考經濟發展與能源利用之間的良性關系建立的問題。人口的不斷增長與人類可用能源的有限性構成了不容忽視的矛盾，化石能源在過度開采之下的耗竭與人類的長遠發展的沖突激起了人們對能源保護的重視。

中國位于亞歐大陸東部，瀕臨太平洋，國土面積大，這一獨特的地理位置，使中國具備形成季風的條件，在夏秋兩季極易受熱帶風暴的影響，帶來強勁風力。但在現實中，我國的風能利用比例仍然很小，在發電系統中，火電依舊占據主導地位。不過中國正在進一步探索利用風能優勢彌補改善供電系統的有效方法，過去十年間，我國風電規模不斷擴大，風電成本大幅下降，初步具備與火電等傳統能源競爭的能力，但風電可靠性和發電效率仍存在很大提升空間。

2風力發電機結構

風力發電機結構中的轉子相當于緩沖器，風速與發電量之間并不存在直接聯系，而是通過相關參數分析與計算，獲取兩者之間的關系。

通過分析單機機械能，采用累計法，計算機械能數值。與此同時，引入發電機特性，構建發電機模型，通過與電網模型交換輸出功率、無功功率、電壓、頻率參數，完善發電機模型。依據該模型結構，可以探究風力發電機穩態特性，為電機穩態研究奠定理論基礎。

3風力發電并網對電力系統的影響

3.1風力發電的規模設計問題

盡管近些年風力發電在國內迅速發展，但是總的發電規模以及裝機容量與我國國家電網總的裝機容量不構成顯著的比例，并沒有對電力系統構成什么重大的影響。但是由于我國風力資源的分布集中在西部地區，那里氣候惡劣，地廣人稀，用電負荷量本來就不高，一旦大規模進行風力發電的開發運行，就會對當地的電力系統產生較大的壓力，這就導致對我國風力發電產生嚴重的制約因素。同時在另一方面，由于我國西部地區的風力發電，一般比較受制于氣候條件的影響。盡管國內已經為風電場安裝風功率預測系統，但是由于受到自然因素的影響比較大，電力生產無法得到有效保障，所以對于國家電網來說，無法形成有效地電力調配，這也導致對于當地的電力系統產生很多不確定的影響，構成安全隱患。

3.2電壓波動和閃變對發電質量的影響

風力發電最大的影響因素就是風力大小的不確定性，導致發電機組的運行過程中出現電壓波動和閃變等問題，而電壓的波動和閃變就會對電網電能質量產生較大影響，這就會對整個電網安全和效率構成威脅。同時，風電發電機組的啟動、運行、關閉等操作也會產生電壓的波動以及閃變等問題。另外，如果風電機組中的大功率電力電子器件設計不合理，就有可能對電網輸入諧波電流，引發電壓波的畸變，從而導致一系列的問題產生。因此，這些不穩定的電壓以及閃變問題，并網后就會對整個電網的發電質量產生影響，不利于電網安全、穩定運行。

3.3對電網穩定性的影響

風力發電機組與電網的并網點，通常位于電網的末端，這就導致在向電網輸電的過程中產生逆向的電流流向和潮流分布的改變，這是之前沒有考慮和遇到的問題，所導致的結果就是風力發電機組對于周圍的局部電站或線路施加相當大的壓力，有可能導致輸電線路的崩潰。同時，風力發電機組向電網發電，由于是異步發電機組的功率輸出，就會相應地從國家電網吸收無功功率，為了有效補償發電機組的無功功率損失，需要安裝動態無功補償裝置（SVC或SVG），或者更為先進的SVG設備來校正。隨著風力發電規模的越來越大，這就導致風力發電機組對于整個國家電網的影響也越來越大，風力發電機組產生的不穩定性因素對于電網的沖擊也在相應地增大，一不小心就會使得整個國家電網的系統陷入混亂狀態，失去穩定性。

4風力發電對電網影響的解決措施

4.1風力發電規模的科學設計

為了有效解決風力發電規模的問題，需要采取相應的措施，解決面臨的問題，目前國內外對于風力發電規模的研究，首先基本上依據風電穿透功率極限與風電場短路容量比這兩個指標來判斷風力發電規模的大小。在風電穿透功率極限這個概念中，需要注意風電穿透功率與風電場裝機容量和系統總負荷有關，兩者之間的比例就能確定風電穿透功率的大小，而風電穿透功率極限，就是風電穿透功率的最大值，反映出最大的風電場裝機容量。在具體的分析過程中，西方國的一些統計數據，要求功率達到15%以上就可以建設風力發電設施。另外一個指標就是風電場短路容量比，其內容包括風電場額定容量與該風電場與電力系統的連接點的短路容量之比。其中短路容量主要表示網絡結構強弱情況，當短路容量小就可以說明該節點與系統電源點的電氣距離大，聯系不緊密。風電場接入點的短路容量比大表明系統承受風電擾動的能力弱，對于短路容量指標在歐洲需要達到4%左右，日本需要更寬松達到10%左右也是可以的。其次就是需要考慮風電場最大注入功率的影響，這就需要從風電場的運行特點以及其他設備的調節能力還有網絡結構等因素來研究，提高接入系統的電壓調整能力、增加無功補償量和采用較小的聯絡線就提高最大注入功率。

4.2增強電能質量

為了有效提高風電系統并網后的電網供電質量，需要采取有效地措施改善電網結構。并網過后的連接點短路比和電網線路是影響風電系統電壓和閃變的重要因素，其中公共連接點短路比與風電系統的電壓波動以及閃變成反比，短路比越大，電壓的波動和閃變就會越小。

對于風電場并網過程對電網造成的沖擊，通常采用的是雙向晶閘管控制的軟啟動（Soft-Start）裝置。當風力機將發電機帶到同步速附近時，發電機輸出端斷路器閉合，使發電機經一組雙向晶閘管與電網連接，通過電流反饋對雙向晶閘管導通角進行控制，使雙向晶閘管的觸發角由180o向0o逐漸打開，并網過程結束后，將雙向晶閘管短接。通過采用這種軟啟動方式，可以將風電場并網時的沖擊電流限制在1.2～1.5倍額定電流以內，得到一個比較平滑的并網過程。

結語

綜上所述，風力發電是一種綠色能源，具有不僅經濟而且環保的優勢，是今后電網發電的主要發展趨勢。在風力發電的運用過程中，需要非常成熟的技術條件，需要不斷地對并網性能進行進一步的改善，對風電與電力系統的并網運行產生的負面的影響進行有效的降低，通過上文對風力發電并網對電力系統的負面影響的分析，在今后的工作中，需要加強研究，對這些影響進行有效的改善，保證風力發電技術的不斷發展和運用。

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（作者單位：南瑞集團有限公司（國網電力科學研究院有限公司））