保志榮

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司汕尾供電局，廣東 汕尾 516600)

風(fēng)電并網(wǎng)對傳統(tǒng)電網(wǎng)的影響分析

保志榮

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司汕尾供電局，廣東 汕尾 516600)

隨著不可再生能源的日益枯竭，太陽能和風(fēng)力發(fā)電越來越受到重視，尤其是風(fēng)力發(fā)電。但其大規(guī)模并網(wǎng)對傳統(tǒng)電網(wǎng)必然會產(chǎn)生一定的沖擊，現(xiàn)就此進行具體分析，并著重探討風(fēng)電并網(wǎng)對傳統(tǒng)電網(wǎng)繼電保護的影響。

風(fēng)力發(fā)電；并網(wǎng)；影響；繼電保護

0 引言

隨著社會文明的不斷發(fā)展，作為不可再生能源的煤炭和石油等資源已經(jīng)越來越稀少，能源和環(huán)境問題已經(jīng)成為現(xiàn)代社會亟待解決的一個最重要的問題。風(fēng)能作為一種可再生的新興能源，取之不盡、用之不竭，人類駕馭它的能力也在不斷提高，但其天生的缺點——隨機性和間歇性，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電輸出處于持續(xù)的變化中，并且還需要從電力系統(tǒng)中汲取無功功率，無功功率的需求量隨著有功輸出量的變化而變化，風(fēng)電接入電力系統(tǒng)還會影響電網(wǎng)的電壓、頻率、繼電保護，最終直接影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。隨著風(fēng)電接入系統(tǒng)量的不斷增加，風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)的影響將會越來越顯著。

1 風(fēng)力發(fā)電的并網(wǎng)方式

任何電網(wǎng)以外的電能接入，首要條件是需要電能的頻率相同，風(fēng)力發(fā)電也一樣。目前的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)分為兩類：一類是恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)(CSCF系統(tǒng))，另一類是變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)(VSCF系統(tǒng))。國內(nèi)外使用比較多的風(fēng)力發(fā)電機組是CSCF系統(tǒng)中的交流異步發(fā)電機，圖1為異步發(fā)電機的使用模型圖。

圖1 異步發(fā)電機的使用模型圖

異步風(fēng)力發(fā)電機投入電網(wǎng)運行時，其調(diào)整負(fù)荷的方式是控制轉(zhuǎn)差率，因此對風(fēng)力發(fā)電機的調(diào)速精度要求并不高，在并網(wǎng)時，只要求其轉(zhuǎn)速達到同步轉(zhuǎn)速，就可以進行并網(wǎng)了。

異步發(fā)電機的優(yōu)點是：在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中其控制簡單，且在并網(wǎng)后不會產(chǎn)生振蕩和失步。當(dāng)然異步發(fā)電機也存在一定的缺點：(1) 在直接并網(wǎng)時會產(chǎn)生很大的沖擊電流，造成電壓幅值的下降，對電網(wǎng)的安全運行帶來一定威脅；(2) 異步發(fā)電機在發(fā)電時本身不產(chǎn)生無功，因此需要進行無功補償。圖2為異步發(fā)電機的并網(wǎng)模型圖。

圖2 異步發(fā)電機的并網(wǎng)模型圖

根據(jù)異步發(fā)電機容量和控制方式的不同，異步風(fēng)力發(fā)電機有直接并網(wǎng)、準(zhǔn)同期并網(wǎng)、捕捉式準(zhǔn)同期快速并網(wǎng)、降壓并網(wǎng)和軟并網(wǎng)等幾種并網(wǎng)方式。

1.1 直接并網(wǎng)

直接并網(wǎng)又稱硬聯(lián)網(wǎng)，是將風(fēng)力發(fā)電機組直接與電網(wǎng)并聯(lián)的一種方式，其并聯(lián)條件是：(1) 風(fēng)力發(fā)電機與電網(wǎng)的相序相同；(2) 發(fā)電機的轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速(在99%以上)。并聯(lián)信號由發(fā)電機組的測速裝置給出，控制開關(guān)合閘與電網(wǎng)并聯(lián)。

其優(yōu)點是：并網(wǎng)比較方便，控制方式非常簡單。

其缺點是：并網(wǎng)的瞬間電網(wǎng)會受到4～5倍發(fā)電機額定電流的沖擊，可能發(fā)生三相短路和系統(tǒng)電壓瞬間嚴(yán)重下降的現(xiàn)象。

1.2 準(zhǔn)同期并網(wǎng)

通過精密的準(zhǔn)同期控制器去調(diào)節(jié)發(fā)電機組，使其發(fā)出電能的電壓、頻率和相位與電網(wǎng)電能一致，由準(zhǔn)同期控制器給出合閘信號，使斷路器瞬間合閘，風(fēng)力發(fā)電機組并網(wǎng)運行。

其優(yōu)點是：并網(wǎng)過程中產(chǎn)生的沖擊電流非常小，對系統(tǒng)電壓的影響也比較小。

其缺點是：并網(wǎng)時間相對較長，如無其他保護容易造成網(wǎng)上飛車現(xiàn)象。

1.3 捕捉式準(zhǔn)同步快速并網(wǎng)

這種并網(wǎng)方式是將常規(guī)的整步并網(wǎng)方式改變?yōu)樵陬l率變化中捕捉同步點的并網(wǎng)方式。其優(yōu)點是：準(zhǔn)確、快速、可靠，幾乎對電網(wǎng)沒有沖擊，不需要機組有很高的調(diào)速精度。

1.4 降壓并網(wǎng)

這種方式是在發(fā)電機與電網(wǎng)之間串聯(lián)電抗器，用來減少并網(wǎng)合閘瞬間電網(wǎng)受到?jīng)_擊的電流幅值和電網(wǎng)電壓下降幅度。圖3為降壓并網(wǎng)模型圖。這種方式的主要缺點是：經(jīng)濟效益差，前期投資時，需要根據(jù)機組容量的大小去增加電抗器。這種方式主要用于小容量的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。

圖3 降壓并網(wǎng)模型圖

1.5 軟并網(wǎng)

這種方式是在風(fēng)力發(fā)電機定子與電網(wǎng)之間每相串入一只雙向晶閘管，目的是將發(fā)電機并網(wǎng)瞬間的沖擊電流控制在允許限度內(nèi)。正常運行時，雙向晶閘管被短接，異步發(fā)電機的輸出電流不再經(jīng)過雙向晶閘管，而是通過已閉合的自動開關(guān)直接流入電網(wǎng)，如圖4所示。

圖4 軟并網(wǎng)模型圖

2 風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)后對現(xiàn)有電網(wǎng)的影響

2.1 造成電網(wǎng)瞬間電壓跳變

大型風(fēng)力發(fā)電機組一般都是采用軟并網(wǎng)方式，但其在工作啟動時仍會產(chǎn)生較大的沖擊電流。當(dāng)風(fēng)速超過切出風(fēng)速時，風(fēng)機會從額定出力狀態(tài)自動退出運行。如果整個風(fēng)電場所有風(fēng)機幾乎同時動作，這種沖擊容易造成電壓閃變與電壓波動。

2.2 對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染

由于大量電力電子裝置的運用，在實際運行中，系統(tǒng)中會有大量諧波出現(xiàn)，并網(wǎng)后，諧波會對電網(wǎng)電能質(zhì)量有一定的影響。

2.3 對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響

在風(fēng)電并網(wǎng)實踐中經(jīng)常會出現(xiàn)以下問題：電網(wǎng)短路容量小、電壓波動大、風(fēng)力發(fā)電機頻繁掉線。尤其是越來越多的大型風(fēng)電機組并網(wǎng)后，對電網(wǎng)的影響更大。隨著大量新型大容量風(fēng)力發(fā)電機組開始投入運行，風(fēng)電場裝機達到可以和常規(guī)機組相比的規(guī)模，因此，與風(fēng)電并網(wǎng)有關(guān)的電壓/無功控制、有功調(diào)度、靜態(tài)穩(wěn)定和動態(tài)穩(wěn)定等問題越來越突出。

2.4 對發(fā)電計劃與調(diào)度的影響

傳統(tǒng)模式是根據(jù)負(fù)荷大小去有計劃地調(diào)節(jié)發(fā)電量，發(fā)電計劃的制定和實施比較方便。但是，如果風(fēng)電大量并網(wǎng)，其出力的不確定性將使發(fā)電計劃的制定變得非常困難。

2.5 對傳統(tǒng)繼電保護的影響

目前，并網(wǎng)風(fēng)電容量還比較小，在電力系統(tǒng)保護配置和整定計算時往往不考慮風(fēng)電場的影響，而是簡單地將風(fēng)電場視為一個負(fù)荷，或?qū)L(fēng)力發(fā)電機作為同步發(fā)電機處理，不考慮其提供的短路電流。然而，當(dāng)風(fēng)電大規(guī)模接入系統(tǒng)時，在電網(wǎng)發(fā)生故障時風(fēng)力發(fā)電機將向故障點提供一定的短路電流，在此情況下，如果系統(tǒng)保護配置和整定計算仍不考慮風(fēng)電的影響，則是不合理的，實際運行時可能導(dǎo)致保護裝置的誤動。國內(nèi)外關(guān)于電力系統(tǒng)短路電流的計算方法及計算軟件都已相當(dāng)成熟，但都不包含風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，因此，研究故障情況下風(fēng)電并網(wǎng)對繼電保護的影響是非常有意義的。

3 風(fēng)電并網(wǎng)對傳統(tǒng)電網(wǎng)繼電保護的影響分析

本文主要針對風(fēng)電接入35 kV系統(tǒng)后對電網(wǎng)繼電保護產(chǎn)生的影響進行分析，圖5是風(fēng)電并網(wǎng)后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖5 35 kV電網(wǎng)接入風(fēng)電后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

從圖中我們可以分析得到，風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)繼電保護會造成以下幾個方面的影響：(1) 會造成整個線路的繼電保護靈敏度降低，有可能發(fā)生拒動現(xiàn)象。從圖中我們可以看到，當(dāng)K1和K2處發(fā)生短路故障時，系統(tǒng)電源S和接入的風(fēng)電電源S風(fēng)都會為故障點提供短路電流，導(dǎo)致保護QF4處的電壓升高，因此流過保護QF3中的故障電流小于無風(fēng)電接入時的故障電流。當(dāng)風(fēng)電系統(tǒng)的分流作用足夠大時，將導(dǎo)致系統(tǒng)繼電保護靈敏性降低，對于定時限速斷來說，保護范圍可能會縮小。(2) 會造成風(fēng)電接入點下游繼電保護出現(xiàn)誤動作。當(dāng)線路上的K1點發(fā)生短路故障時，由于風(fēng)電電源S風(fēng)的接入，流經(jīng)保護QF4處的短路故障電流增大，造成QF4的保護范圍延伸到下一級線路，使保護失去了選擇性。如果故障點的電流大于QF4的整定值，則QF4會出現(xiàn)誤動作，造成保護范圍擴大。(3) 當(dāng)風(fēng)電電源S風(fēng)所在線路上游分支線發(fā)生短路故障時，S風(fēng)通過母線向故障點提供反向的短路電流，使得故障點的電流增大，同時若保護QF3沒有識別故障電流方向的能力，則可能會誤動作，造成風(fēng)電電源接入點所在線路中斷供電。

針對以上可能出現(xiàn)的問題，如想減少風(fēng)電接入傳統(tǒng)電網(wǎng)對繼電保護的影響，我們可以采取以下措施：(1) 風(fēng)電電源接入電網(wǎng)時，從對電網(wǎng)繼電保護影響比較小的角度去考慮，盡量讓風(fēng)電電源從整個線路的末端接入，從而減少受風(fēng)電影響較大的位于風(fēng)電電源接入點下游的繼電保護數(shù)量。(2) 如果風(fēng)電電源接入點沒有選擇性，則需要對風(fēng)電接入點下游繼電保護的整定值進行調(diào)整，提高保護的整定值，用來滿足保護選擇性的要求，同時還能保證在風(fēng)電退出后，整個電網(wǎng)仍有足夠的保護范圍和保護精度。(3) 風(fēng)電電源接入系統(tǒng)后需要對風(fēng)電電源接入點上游的保護進行校驗，確保其在風(fēng)電接入后仍能滿足要求。(4) 為確保保護的靈敏性，需要對位于風(fēng)電電源接入點上游的保護加裝方向性元件，確保系統(tǒng)保護不會因為反向電流而誤動作。

4 結(jié)語

風(fēng)力發(fā)電是人類運用可再生能源的一個經(jīng)典案例，但風(fēng)能的利用一定要找到一種科學(xué)的方法，確保其對現(xiàn)有的電力系統(tǒng)沒有沖擊或沖擊較小。目前風(fēng)電并網(wǎng)量還相對較少，隨著風(fēng)電大規(guī)模地接入電網(wǎng)，傳統(tǒng)電網(wǎng)的繼電保護必須根據(jù)風(fēng)電的接入量進行相應(yīng)調(diào)整，以減少其對系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的影響。

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2014-11-06

保志榮(1980—)，男，云南陸良人，工程師，研究方向：電網(wǎng)運行、繼電保護及自動化。