風電接入對電力系統的影響及應對策略

摘 要：由于風能具有隨機性、間歇性、不穩定性的特點，當風電裝機容量占總電網容量的比例較大時會對電網的穩定和安全運行帶來沖擊。針對這一問題，闡述了大規模風電并網后對電力系統穩定性、電能質量、發電計劃與調度、系統備用容量等方面的影響。

關鍵詞：風力發電；并網；電力系統；穩定性；電能質量

現代社會離不開一個電能安全，穩定，可靠的電能供應系統。在向低碳電力系統轉變的過程中使電力系統保持一個高的供電可靠性水平是至關重要的。我國存在著電源與電網發展不協調、不平衡的問題。我國各大電網互聯輸電能力不完善，電網之間的互相救濟與跨電網的補償能力還有待優化。

由于各種因素，目前我國主要的如風能等資源分布較為偏遠，而在偏遠地區電網結構比較薄弱，實現大容量、遠距離輸送電能還較難滿足需求。所以國內電力系統的電網規劃必須向智能電網轉型。

風電是現今一種最成熟、最具大規模商業開發條件，成本相對較低的一種的可再生的清潔能源。世界上很多國家把風電作為改善能源結構、應對氣候變化的重要選擇。在我國風電裝機容量增長迅速，風力發電機組大型化，成本大幅降低其帶來的風能資源也是十分巨大。風力發電是特殊的電力，其具有自身特殊的特點，風力的隨機性和間歇性以及機組運行時對無功需求都會對電力系統穩定運行。風電場的并網將會給電網帶來諸多如安全穩定、電能質量等不利的影響。

1 風電接入對電力系統的影響

由于風電場內不同地理位置的風力資源分布、風速不同，以及風電場電網結構、控制方式和風力發電機組受到的塔影效應等因素，風電場的輸出功率具有隨機性、擾動性和間歇性等特點。小規模風電場的裝機容量較小，不會嚴重影響電力系統，但是大規模風電場對電力系統的影響較之顯著。功率的變化將會對電網產生一系列的影響，主要包括：對電能質量的影響、對電網穩定性的影響、對繼電保護的影響等。

由于風能的隨機性，風電場不利于電網的調頻、調峰。在風電機達到額定轉速前，其功率與風速的立方成正比，即風速增加一倍，輸出功率增加8倍。由于風能的不可預測，風能分布的隨機性等因素，風電的出力變化也在相當程度上不可預測和控制。同時，風電的出力變化與電網負荷變化一般都是相反的，即風電功率大時，電網的負荷往往是在下降的，尤其是在一些農灌負荷占相當比重的電網中。在風電場裝機總量占全網比重不大的情況下，風電場不會對電網的調頻、調峰造成太大的影響，反之就會有不利影響。

風力發電系統一般在電網末端接入，改變了配電網傳統的單電源分布式結構，使潮流流向和分布都發生了改變。隨著風電注入功率的增大，可能會引起風電場附近的局部電網電壓越限，嚴重時可能會導致電壓崩潰。傳統風電場容量很小，一般都作為負荷不參與電力系統的控制，當系統發生故障時，切除風電機組 保證風電場和電網的安全。但是隨著風電場滲透功率的不斷增大，風電輸出的不穩定性對電網的功率沖擊效應也不斷增大，對系統穩定性的影響就更加顯著，嚴重時將會使系統失去動態穩定性，導致整個系統的瓦解。

穩態情況下，風電并網的一個顯著特點就是引起接入點的穩態電壓上升。對于大規模分布式發電并入電網，只要其注入的功率大約小于所接入電網的整體負荷功率的20%，就可以減少線路上的功率損失，從而提升電壓水平，因此風力發電并入電網總體上來說是會改善系統的穩態電壓分布狀態的，但其改善程度隨風力發電機的類型、風電場的接入位置、風電場的容量、接入電網系統的R/比值的不同而有差別，如果選擇不當會導致過電壓。

一方面風電場的有功出力使負荷特性極限功率增大，增強了靜態電壓穩定性；另一方面風電場的無功需求則使負荷特性的極限功率減少，降低了靜態電壓穩定性，但只要系統的無功供給足夠多，則整體上可以認為風電場的并網增加了系統的靜態電壓穩定性。也就是說，風電并網對電網靜態電壓穩定性的影響可以是正面的也可以是負面的，它跟風力發電機的運行點是密切相關的。

由于當前很多中型和大型的并網風機采用異步電機，風機群并網啟動的時候產生的電壓波動更加是不可忽視的。異步電機啟動的時候通過勵磁從電網吸收無功功率，從而影響到電網側的電壓，風機群并接到弱電網的時候這種效果就會被放大，導致電網側電壓的突降。從異步電機吸收無功功率與電網電壓的關系圖可以看到，當電壓下降向臨界電壓Ucr逼近時，異步機吸收的無功接近為常量。在超過Ucr以后，吸收無功Q隨電壓的下降反向增長，這會導致電網電壓下降的加劇，使多臺電機的同時投入造成電壓的急劇下降，甚至引起電壓崩潰。

2 解決措施

2.1 改善電能質量

并網風電場的公共連接點短路比 SCR 和電網的線路電抗 / 電阻比即：X/R 比，是影響風力發電引起的電壓波動和閃變的重要因素。SCR越大，風力發電機組引起的電壓波動與閃變越小。如果電網線路 X/R 比合適，無功功率引起的電壓波動可以補償有功功率引起的電壓波動，從而減輕整個平均閃變值。在風電場設置合理的電容器組 （或電抗器組）可以抑制電壓變動和電壓偏差。

2.2 保護裝置的調整

風電場接入配電網時，須考慮風力發電提供的故障電流，需要重新配置和整定配電網保護；在進行風電場保護裝置的整定和配置時，須考慮風電場與電網之間聯絡線的功率流向。目前通常的做法是按照終端變電站的方案進行配置和整定。主要依靠配電網的保護來切除系統的故障，然后采用孤島保護、低電壓保護等措施，逐臺切除風力發電機組，從而在故障期間斷開風電場與系統的連接，而當故障清除后，控制風電場自動重新并網。但是對于今后大規模風電場接入配電網的情況，這種方法會降低系統的可靠性。

2.3 提高電壓穩定性

提高電壓穩定性的措施主要有：

無功補償，提高無功補償能力提高大容量異步風力發電場接入后電網電壓穩定性的重要措施。適當提高電容器的補償容量，有助于提高風電系統短路故障后的穩定性，進一步可選擇安裝動態無功補償裝置來提供動態的電壓支撐，改善系統的電壓穩定性。

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作者簡介：

王巨光（1982-），男，漢族，山西太原人，本科生，助理工程師，主要研究方向為電氣自動化.