摘 要：由于風能具有隨機性、間歇性、不穩(wěn)定性的特點，當風電裝機容量占總電網(wǎng)容量的比例較大時會對電網(wǎng)的穩(wěn)定和安全運行帶來沖擊。針對這一問題，闡述了大規(guī)模風電并網(wǎng)后對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、電能質(zhì)量、發(fā)電計劃與調(diào)度、系統(tǒng)備用容量等方面的影響。

關鍵詞：風力發(fā)電；并網(wǎng)；電力系統(tǒng)；穩(wěn)定性；電能質(zhì)量

現(xiàn)代社會離不開一個電能安全，穩(wěn)定，可靠的電能供應系統(tǒng)。在向低碳電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)變的過程中使電力系統(tǒng)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(wǎng)發(fā)展不協(xié)調(diào)、不平衡的問題。我國各大電網(wǎng)互聯(lián)輸電能力不完善，電網(wǎng)之間的互相救濟與跨電網(wǎng)的補償能力還有待優(yōu)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(qū)電網(wǎng)結構比較薄弱，實現(xiàn)大容量、遠距離輸送電能還較難滿足需求。所以國內(nèi)電力系統(tǒng)的電網(wǎng)規(guī)劃必須向智能電網(wǎng)轉(zhuǎn)型。

風電是現(xiàn)今一種最成熟、最具大規(guī)模商業(yè)開發(fā)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(fā)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(fā)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(tǒng)穩(wěn)定運行。風電場的并網(wǎng)將會給電網(wǎng)帶來諸多如安全穩(wěn)定、電能質(zhì)量等不利的影響。

1 風電接入對電力系統(tǒng)的影響

由于風電場內(nèi)不同地理位置的風力資源分布、風速不同，以及風電場電網(wǎng)結構、控制方式和風力發(fā)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(guī)模風電場的裝機容量較小，不會嚴重影響電力系統(tǒng)，但是大規(guī)模風電場對電力系統(tǒng)的影響較之顯著。功率的變化將會對電網(wǎng)產(chǎn)生一系列的影響，主要包括：對電能質(zhì)量的影響、對電網(wǎng)穩(wěn)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(wǎng)的調(diào)頻、調(diào)峰。在風電機達到額定轉(zhuǎn)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(wǎng)負荷變化一般都是相反的，即風電功率大時，電網(wǎng)的負荷往往是在下降的，尤其是在一些農(nóng)灌負荷占相當比重的電網(wǎng)中。在風電場裝機總量占全網(wǎng)比重不大的情況下，風電場不會對電網(wǎng)的調(diào)頻、調(diào)峰造成太大的影響，反之就會有不利影響。

風力發(fā)電系統(tǒng)一般在電網(wǎng)末端接入，改變了配電網(wǎng)傳統(tǒng)的單電源分布式結構，使潮流流向和分布都發(fā)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(wǎng)電壓越限，嚴重時可能會導致電壓崩潰。傳統(tǒng)風電場容量很小，一般都作為負荷不參與電力系統(tǒng)的控制，當系統(tǒng)發(fā)生故障時，切除風電機組 保證風電場和電網(wǎng)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(wěn)定性對電網(wǎng)的功率沖擊效應也不斷增大，對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響就更加顯著，嚴重時將會使系統(tǒng)失去動態(tài)穩(wěn)定性，導致整個系統(tǒng)的瓦解。

穩(wěn)態(tài)情況下，風電并網(wǎng)的一個顯著特點就是引起接入點的穩(wěn)態(tài)電壓上升。對于大規(guī)模分布式發(fā)電并入電網(wǎng)，只要其注入的功率大約小于所接入電網(wǎng)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(fā)電并入電網(wǎng)總體上來說是會改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)電壓分布狀態(tài)的，但其改善程度隨風力發(fā)電機的類型、風電場的接入位置、風電場的容量、接入電網(wǎng)系統(tǒng)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(tài)電壓穩(wěn)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(tài)電壓穩(wěn)定性，但只要系統(tǒng)的無功供給足夠多，則整體上可以認為風電場的并網(wǎng)增加了系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性。也就是說，風電并網(wǎng)對電網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響可以是正面的也可以是負面的，它跟風力發(fā)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(wǎng)風機采用異步電機，風機群并網(wǎng)啟動的時候產(chǎn)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(wǎng)吸收無功功率，從而影響到電網(wǎng)側的電壓，風機群并接到弱電網(wǎng)的時候這種效果就會被放大，導致電網(wǎng)側電壓的突降。從異步電機吸收無功功率與電網(wǎng)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(wǎng)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(zhì)量

并網(wǎng)風電場的公共連接點短路比 SCR 和電網(wǎng)的線路電抗 / 電阻比即：X/R 比，是影響風力發(fā)電引起的電壓波動和閃變的重要因素。SCR越大，風力發(fā)電機組引起的電壓波動與閃變越小。如果電網(wǎng)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(diào)整

風電場接入配電網(wǎng)時，須考慮風力發(fā)電提供的故障電流，需要重新配置和整定配電網(wǎng)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(wǎng)之間聯(lián)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(wǎng)的保護來切除系統(tǒng)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(fā)電機組，從而在故障期間斷開風電場與系統(tǒng)的連接，而當故障清除后，控制風電場自動重新并網(wǎng)。但是對于今后大規(guī)模風電場接入配電網(wǎng)的情況，這種方法會降低系統(tǒng)的可靠性。

2.3 提高電壓穩(wěn)定性

提高電壓穩(wěn)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(fā)電場接入后電網(wǎng)電壓穩(wěn)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(tǒng)短路故障后的穩(wěn)定性，進一步可選擇安裝動態(tài)無功補償裝置來提供動態(tài)的電壓支撐，改善系統(tǒng)的電壓穩(wěn)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.