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大規(guī)模風電并網引起的電力系統(tǒng)運行與穩(wěn)定問題及對策

趙 龍,汪寧渤,何世恩,劉光途,張金平,王定美,周 強,黃 蓉,王明松

(甘肅省電力公司風電技術中心,甘肅蘭州,730050)

摘要：風力發(fā)電間歇性強、可控性差、機組種類多、出力預測難，大規(guī)模風電并網對電力系統(tǒng)的運行與穩(wěn)定有著巨大的影響。本文就大規(guī)模風電并網引起的電力系統(tǒng)運行與穩(wěn)定問題進行了研究，并有針對性的提出一些解決策略，對促進風電并網的安全與穩(wěn)定有一定幫助。

關鍵詞：風電并網；電網穩(wěn)定；解決策略

0　引言

隨著經濟的發(fā)展和社會的進步，全球電能缺口越來越大，同時全球能源緊缺和環(huán)境污染也越來越重，急需加強清潔可再生能源的利用。風力發(fā)電環(huán)境污染小，利用率高，成本低，具有極高的利用價值，近年來在全球范圍內被迅速推廣，全球裝機容量迅速攀升。在《可再生能源法》實施以后，我國風電產業(yè)也得到了迅速的發(fā)展，目前裝機容量已經超過丹麥、德國、印度等國家，僅次于美國和西班牙，風力發(fā)電應用越來越為廣泛。不過風力發(fā)電受風速影響，具有明顯的隨機性、間歇性和不可控性，大規(guī)模風電并網給電力系統(tǒng)的運行與穩(wěn)定帶來很多負面影響，研究風電并網對電力系統(tǒng)運行與穩(wěn)定的影響極為重要。下面，本文就大規(guī)模風電并網引起的電力系統(tǒng)運行與穩(wěn)定問題進行淺要的研究，并提出一些有針對性的解決策略。

1　大規(guī)模風電并網給電力系統(tǒng)的影響

由于我國風能資源豐富地區(qū)距離負荷中心較遠，大規(guī)模的風力發(fā)電無法就地消納，需要通過輸電網遠距離輸送到負荷中心。在風電場的風電出力較高時，大量風電功率的遠距離輸送往往會造成線路壓降過大，風電場的無功需求及電網線路的無功損耗增大，電網的無功不足，局部電網的電壓穩(wěn)定性受到影響、穩(wěn)定裕度降低。電網的電壓穩(wěn)定極限限制了風電場最大的裝機容量，在電網規(guī)劃沒有與風電規(guī)劃協(xié)調發(fā)展時，往往電網接納風電的能力不能適應風電規(guī)劃的發(fā)展，接人的風電場容量受到電網自身條件的限制。

1.1調峰調頻容量的影響

在風力發(fā)電系統(tǒng)中，基本上不進行調峰，在接入電網時大多采用軟并網的方式，系統(tǒng)在啟動運行過程中，會產生較大的沖擊電流。尤其當風速超出切出風速時，風電機組會從額定出力狀態(tài)解列退出運行，大規(guī)模風電并網時，大量風電機組的解列會給電網造成巨大的沖擊。此外，風速變化與塔影效應，都會造成風電機組的出力波動，造成電網電壓閃變。雖然單臺風電機組對電網電壓的沖擊較小，但極便是單機對電網電壓的沖擊也需要持續(xù)一段時間才能基本消失，而大規(guī)模風電并網所造成的電壓沖擊，則往往會造成電網電壓的驟降。當風速增大時，系統(tǒng)輸入的有功功率會增加，風電場母線電壓先降后升，這種現(xiàn)象在風電場與電力系統(tǒng)間等值阻抗較大時產生的電壓波動更為明顯。

1.2無功電壓的影響

目前，風力發(fā)電系統(tǒng)中所采用的風力發(fā)電機具有多種類型，國內應用較多的主要有異步風力發(fā)電機、雙饋異步風力發(fā)電機和直驅式交流永磁同步發(fā)電機三種。異步風力發(fā)電機是我國風電系統(tǒng)中應用最為廣泛的一種機型，異步風力發(fā)電機為定速恒頻機組，在運行中轉速基本不變，但機組運行時風能轉換很難保持在最佳狀態(tài)下，在并網運行時需要大量從電力系統(tǒng)中吸收無功功率，當大規(guī)模風電并網時，所需要吸怍的無功功率將極為巨大，嚴重增加電網的無功負擔，導致電網電壓失穩(wěn)。

1.3電能質量的影響

風力發(fā)電系統(tǒng)中，風電機組輸出功率具有明顯的波動性，這種波動性除了受風速變化的影響，還受風電機組自身的一些固有特性的影響。風電系統(tǒng)所帶來的諧波污染，會嚴重降低電網電能質量。機組本身所配備的各種電力電子裝置，有可能帶來諧波污染。對與恒速風力發(fā)電機，當直接與電網并聯(lián)時，雖然在軟啟動階段會產生一定的諧波污染，但過程較短發(fā)生次數(shù)較少，通常可以忽略。但對于變速風力發(fā)電機，由于需要利用整流和逆變裝置來接入電力系統(tǒng)，極容易產生嚴重的諧波污染降低電力系統(tǒng)電能質量。

2　大規(guī)模風電并網運行與穩(wěn)定問題解決對策

2.1調峰調頻問題解決對策

大規(guī)模風電并網增加了電力系統(tǒng)的調峰調頻難度，需要電力系統(tǒng)具有更大的調峰調頻容量，為了解決大規(guī)模風電并網造成的調峰調頻問題，可提高電網的調峰調頻備用容量。在實際應用中，可以從多個方面進行。一方面調整電網電源結構從而改善電網的負荷平衡能力，如降低風電機組比重，提高抽水蓄能和燃氣機組在電網中的比重，對于新接入的風電機組，必須考慮其具有更低的負載率運行能力，從而增加電力系統(tǒng)的調峰調頻幅度。另一方面，可以加強對風電場出力預測評估，從源頭來提高風電場出力預測的精確度和準確度，避免大規(guī)模風電并網超出電力系統(tǒng)的調峰調頻能力。此外，還可以強化風電機組與其它發(fā)電機組之間的協(xié)調能力，使其它發(fā)電機組能與風電機組的切入、切出和出力變化相協(xié)調，如提高風電機組的靈活性以適應快速的啟動和關停，或者對風電機組的發(fā)電曲線進行優(yōu)化調整適應電網調節(jié)速度，必要時還可以控制風電機組的出力以降低系統(tǒng)負荷水平。

2.2無功電壓問題對策

風電場的出力不穩(wěn)定，要解決無功電壓問題的影響，需要電力系統(tǒng)具有更多的容性無功補償。通常情況下，風電機組的利用小時數(shù)較低，當機組滿負荷發(fā)電時，線路潮流將會超出線路自然功率，使得線路消耗的無功功率迅速遞增。在解決這一問題時，必須考慮兩種不同情況，在無風狀態(tài)下風電場送出系統(tǒng)輕載，輸電線路充電功率遠大于系統(tǒng)需要，此時需要利用感性無功補償容量。當系統(tǒng)出力增加時，整個風電場送出系統(tǒng)重載，此時需要利用容性無功補償容量來進行補償。對于分散接入低壓配電網的風電機組，為了保證系統(tǒng)故障情況下的供電能力，還應當提高風電場的低電壓穿越能力。對于通過高壓輸電通道集中外送的風電場，此時如果風電機組具有低電壓穿越能力，處于不穩(wěn)定運行狀態(tài)時很可能會造成整個系統(tǒng)的穩(wěn)定問題，應當使風電場盡快從系統(tǒng)中解列，因此可以不具備低電壓穿越能力。

2.3電能質量問題對策

大規(guī)模風電并網引起的電力系統(tǒng)電能質量問題，主要受風電場功率波動的影響。為了解決大規(guī)模風電并網引起的電力系統(tǒng)電能質量問題，可以采用輕型直流輸電并入電力系統(tǒng)的方法，即使用電壓源換流器技術、門極可關斷晶閘管及絕緣柵極昌體管構建基于PWM控制的VSC結構，構建輕型直流輸電系統(tǒng)，利用直流輸電的優(yōu)點來解決分散電源接入的輸電走廊問題，提升無功、電壓調節(jié)能力，改善交流系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高電力系統(tǒng)的電能質量。此外，還可以采用變速恒頻電機、雙饋電機等新型機組，使風電場發(fā)電機組可以和常規(guī)機組一樣承擔電壓和無功控制任務，從而降低大規(guī)模風電并網對電力系統(tǒng)電能質量的負面影響。

2.4儲能技術解決大規(guī)模風電并網問題

儲能應用于電力系統(tǒng)，無論是應對負荷波動問題還是系統(tǒng)穩(wěn)定問題，都受到國內外工業(yè)界和學術界的長期關注。已獲得大規(guī)模應用的儲能技術目前還僅限于抽水蓄能。截至2008年底，世界抽水蓄能電站總裝機容量約130 GW,而其他儲能技術的總裝機容量約在數(shù)百兆瓦，且多為示范應用。大規(guī)模風電并網后，電力系統(tǒng)在供電充裕性及運行穩(wěn)定性方面所面臨的新挑戰(zhàn)為儲能在電力系統(tǒng)中的規(guī)模化應用提供了新的機遇。儲能作為一種可調度資源是解決風電波動性和不確定性問題對系統(tǒng)影響的途徑之一。大規(guī)模風電并網增加了系統(tǒng)對調頻及負荷跟蹤備用的需求，解決這2種問題要求儲能的充放電周期在分鐘至小時級，適用的儲能技術包括鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳金屬氫化物電池、鋰離子電池等儲能形式。同時，大規(guī)模風電并網也增加了系統(tǒng)中基荷機組組合的挑戰(zhàn)。解決這個問題要求儲能的充放電周期在小時至日級，適用的儲能技術包括鈉硫電池、液流電池、抽水蓄能、壓縮空氣蓄能、熱能儲能等儲能形式。中國國家能源局及美國能源部都已規(guī)劃大力推動大規(guī)模儲能尤其是抽水蓄能電站的建設。

3　結論

風電的快速發(fā)展和大規(guī)模接人電網賦予了電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)

定新的研究內容。不同的系統(tǒng)面臨的電壓穩(wěn)定問題可能有較大的差異，即使同一個電力系統(tǒng)，不同的發(fā)展時期，網架結構的差異、負荷特性的差異以及風電接人容量的差異均使系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定問題變得不同，需要區(qū)別對待和解決。為了風電接人系統(tǒng)后的電壓穩(wěn)定應 選擇技術性能好的風機、盡可能地將風電場分散接人系統(tǒng)、風電場及系統(tǒng)其他節(jié)點的無功電源的快速有效響應、完善低壓和低頻減載 裝置。另外，還應深人研究風機建模和進行風電接人系統(tǒng)后的長過程仿真。

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Power system operation and stability problems and Countermeasures Caused by large-scale wind power grid

Zhao Long,Wang Ningbo,He Shien,Liu Guangtu,Zhang Jinping,Wang Dingmei,Zhou Qiang,Huang Rong, Wang Mingsong

(Gansu province electric power company wind power technology center,Gansu Lanzhou City,730050)

Abstract：Intermittent wind power, strong controllability,unit variety,output prediction difficult,has the huge impact of large-scale wind power operation and stability of power system.The power system operation and stability problems of the large-scale wind power grid caused are studied,and put forward some solving strategies,is helpful to promote the safety and stability of wind power grid.

Keywords：Wind power grid;grid stability;Solutions