風(fēng)力發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)影響探析

周　偉

（中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610000）

風(fēng)力發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)影響探析

周偉

（中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610000）

隨著國(guó)家和社會(huì)對(duì)于環(huán)保越來越重視，一批如風(fēng)能發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電等清潔能源開始逐步得到推廣和應(yīng)用，成為電力能源發(fā)展的新方向。尤其在風(fēng)能發(fā)電的運(yùn)用上，已經(jīng)取得一定的成就，但是仍存在發(fā)電規(guī)模、質(zhì)量、穩(wěn)定性等問題，需要進(jìn)一步提升科技水平來解決。本文通過對(duì)風(fēng)力發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)的影響進(jìn)行分析，結(jié)合具體的情況，提出一些合理的意見和建議，以期今后得到更好的應(yīng)用。

風(fēng)力；風(fēng)力發(fā)電；發(fā)電質(zhì)量；穩(wěn)定性

目前，在國(guó)內(nèi)的各種新能源的開發(fā)利用方面，風(fēng)能發(fā)電的優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步彰顯。首先由于風(fēng)能發(fā)電在技術(shù)上得到長(zhǎng)足發(fā)展，效率大大提高，從而使得風(fēng)能利用的成本不斷降低，經(jīng)濟(jì)效益凸顯。其次，在環(huán)境保護(hù)方面，風(fēng)能是清潔無污染的能源，在發(fā)電過程中不會(huì)對(duì)周圍的自然環(huán)境產(chǎn)生較大的影響，環(huán)保效益顯著。但是，在實(shí)際的運(yùn)用過程中，大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電與國(guó)家電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行仍然存在很多技術(shù)問題，需要進(jìn)一步研究。本文主要就是從大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)的影響研究，尋找解決問題的有效措施。

一、風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)的影響

在國(guó)外有很多國(guó)家的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)非常成熟地并入其國(guó)家電網(wǎng)，取得了一定的技術(shù)成果和經(jīng)驗(yàn)。但是，由于我國(guó)國(guó)家電網(wǎng)和國(guó)外的電網(wǎng)系統(tǒng)存在很多不同，所以很難借鑒到我國(guó)的并網(wǎng)運(yùn)行上來。目前，風(fēng)力發(fā)電在并網(wǎng)過程中，主要面臨的問題是發(fā)電規(guī)模、質(zhì)量以及穩(wěn)定性等，需要認(rèn)真研究。

1.風(fēng)力發(fā)電的規(guī)模設(shè)計(jì)問題

盡管近些年風(fēng)力發(fā)電在國(guó)內(nèi)迅速發(fā)展，但是總的發(fā)電規(guī)模以及裝機(jī)容量與我國(guó)國(guó)家電網(wǎng)總的裝機(jī)容量不構(gòu)成顯著的比例，并沒有對(duì)電力系統(tǒng)構(gòu)成什么重大的影響。但是由于我國(guó)風(fēng)力資源的分布集中在西部地區(qū)，那里氣候惡劣，地廣人稀，用電負(fù)荷量本來就不高，一旦大規(guī)模進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電的開發(fā)運(yùn)行，就會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)氐碾娏ο到y(tǒng)產(chǎn)生較大的壓力，這就導(dǎo)致對(duì)我國(guó)風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生嚴(yán)重的制約因素。同時(shí)在另一方面，由于我國(guó)西部地區(qū)的風(fēng)力發(fā)電，一般比較受制于氣候條件的影響。盡管國(guó)內(nèi)已經(jīng)為風(fēng)電場(chǎng)安裝風(fēng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)，但是由于受到自然因素的影響比較大，電力生產(chǎn)無法得到有效保障，所以對(duì)于國(guó)家電網(wǎng)來說，無法形成有效地電力調(diào)配，這也導(dǎo)致對(duì)于當(dāng)?shù)氐碾娏ο到y(tǒng)產(chǎn)生很多不確定的影響，構(gòu)成安全隱患。這些因素就形成了對(duì)于風(fēng)力發(fā)電規(guī)模的制約，需要進(jìn)行科學(xué)的研究和分析，才能確保進(jìn)一步擴(kuò)大風(fēng)力發(fā)電的規(guī)模。

2.電壓波動(dòng)和閃變對(duì)發(fā)電質(zhì)量的影響

風(fēng)力發(fā)電最大的影響因素就是風(fēng)力大小的不確定性，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行過程中出現(xiàn)電壓波動(dòng)和閃變等問題，而電壓的波動(dòng)和閃變就會(huì)對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量產(chǎn)生較大影響，這就會(huì)對(duì)整個(gè)電網(wǎng)安全和效率構(gòu)成威脅。同時(shí)，風(fēng)電發(fā)電機(jī)組的啟動(dòng)、運(yùn)行、關(guān)閉等操作也會(huì)產(chǎn)生電壓的波動(dòng)以及閃變等問題。另外，如果風(fēng)電機(jī)組中的大功率電力電子器件設(shè)計(jì)不合理，就有可能對(duì)電網(wǎng)輸入諧波電流，引發(fā)電壓波的畸變，從而導(dǎo)致一系列的問題產(chǎn)生。因此，這些不穩(wěn)定的電壓以及閃變問題，并網(wǎng)后就會(huì)對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的發(fā)電質(zhì)量產(chǎn)生影響，不利于電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

3.對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)的并網(wǎng)點(diǎn)，通常位于電網(wǎng)的末端，這就導(dǎo)致在向電網(wǎng)輸電的過程中產(chǎn)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(dǎo)致的結(jié)果就是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對(duì)于周圍的局部電站或線路施加相當(dāng)大的壓力，有可能導(dǎo)致輸電線路的崩潰。同時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組向電網(wǎng)發(fā)電，由于是異步發(fā)電機(jī)組的功率輸出，就會(huì)相應(yīng)地從國(guó)家電網(wǎng)吸收無功功率，為了有效補(bǔ)償發(fā)電機(jī)組的無功功率損失，需要安裝動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置（SVC或SVG），或者更為先進(jìn)的SVG設(shè)備來校正。隨著風(fēng)力發(fā)電規(guī)模的越來越大，這就導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對(duì)于整個(gè)國(guó)家電網(wǎng)的影響也越來越大，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的不穩(wěn)定性因素對(duì)于電網(wǎng)的沖擊也在相應(yīng)地增大，一不小心就會(huì)使得整個(gè)國(guó)家電網(wǎng)的系統(tǒng)陷入混亂狀態(tài)，失去穩(wěn)定性。

4.保護(hù)裝置不能有效運(yùn)轉(zhuǎn)

在進(jìn)行風(fēng)電發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行過程中，由于機(jī)組受到風(fēng)速的影響比較大，經(jīng)常發(fā)生對(duì)接觸器的損害，所以要適當(dāng)安裝電動(dòng)機(jī)設(shè)備，在必要的時(shí)候進(jìn)行補(bǔ)充運(yùn)行，但是這就導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與國(guó)家電網(wǎng)之間的電流有時(shí)會(huì)出現(xiàn)雙向流動(dòng)。如果風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，沒有充分考慮到這樣的情況，就有可能對(duì)原有的保護(hù)裝置產(chǎn)生損害。同時(shí)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生短路等各種故障的時(shí)候，沒有形成一部分短路電流，機(jī)組的保護(hù)裝置可以借助這部分電流進(jìn)行運(yùn)行，迅速準(zhǔn)確查找故障的原因，但是這種設(shè)計(jì)在保護(hù)裝置起初的設(shè)置中沒有考慮到，這就導(dǎo)致保護(hù)裝置在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)生故障的時(shí)候不能有效發(fā)揮作用。

二、風(fēng)力發(fā)電對(duì)電網(wǎng)影響的解決措施

1.風(fēng)力發(fā)電規(guī)模的科學(xué)設(shè)計(jì)

為了有效解決風(fēng)力發(fā)電規(guī)模的問題，需要采取相應(yīng)的措施，解決面臨的問題，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于風(fēng)力發(fā)電規(guī)模的研究，首先基本上依據(jù)風(fēng)電穿透功率極限與風(fēng)電場(chǎng)短路容量比這兩個(gè)指標(biāo)來判斷風(fēng)力發(fā)電規(guī)模的大小。在風(fēng)電穿透功率極限這個(gè)概念中，需要注意風(fēng)電穿透功率與風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量和系統(tǒng)總負(fù)荷有關(guān)，兩者之間的比例就能確定風(fēng)電穿透功率的大小，而風(fēng)電穿透功率極限，就是風(fēng)電穿透功率的最大值，反映出最大的風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量。在具體的分析過程中，西方國(guó)的一些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，要求功率達(dá)到15%以上就可以建設(shè)風(fēng)力發(fā)電設(shè)施。另外一個(gè)指標(biāo)就是風(fēng)電場(chǎng)短路容量比，其內(nèi)容包括風(fēng)電場(chǎng)額定容量與該風(fēng)電場(chǎng)與電力系統(tǒng)的連接點(diǎn)的短路容量之比。其中短路容量主要表示網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)強(qiáng)弱情況，當(dāng)短路容量小就可以說明該節(jié)點(diǎn)與系統(tǒng)電源點(diǎn)的電氣距離大，聯(lián)系不緊密。風(fēng)電場(chǎng)接入點(diǎn)的短路容量比大表明系統(tǒng)承受風(fēng)電擾動(dòng)的能力弱，對(duì)于短路容量指標(biāo)在歐洲需要達(dá)到4%左右，日本需要更寬松達(dá)到10%左右也是可以的。其次就是需要考慮風(fēng)電場(chǎng)最大注入功率的影響，這就需要從風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行特點(diǎn)以及其他設(shè)備的調(diào)節(jié)能力還有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等因素來研究，發(fā)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的最大注入功率受到風(fēng)電場(chǎng)接入地區(qū)的中樞點(diǎn)電壓水平以及風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)的聯(lián)絡(luò)線大小等因素共同影響，只要提高接入系統(tǒng)的電壓調(diào)整能力、增加無功補(bǔ)償量和采用較小的聯(lián)絡(luò)線就提高最大注入功率。

2.增強(qiáng)電能質(zhì)量

為了有效提高風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)后的電網(wǎng)供電質(zhì)量，需要采取有效地措施改善電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。并網(wǎng)過后的連接點(diǎn)短路比和電網(wǎng)線路是影響風(fēng)電系統(tǒng)電壓和閃變的重要因素，其中公共連接點(diǎn)短路比與風(fēng)電系統(tǒng)的電壓波動(dòng)以及閃變成反比，短路比越大，電壓的波動(dòng)和閃變就會(huì)越小。同時(shí)，安裝合適的電網(wǎng)線路也可以有效降低電壓波動(dòng)和閃變。當(dāng)然也可以使用電子裝置，降低風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)過程對(duì)電網(wǎng)造成的影響。

3.提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性

對(duì)于提升整個(gè)電網(wǎng)的穩(wěn)定性，首先需要通過計(jì)算風(fēng)速和負(fù)荷變化對(duì)風(fēng)電場(chǎng)輸出有功功率和無功功率影響，然后安裝分組投切電容器，但是這種電容器不能對(duì)連續(xù)波動(dòng)的電壓進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，還需要安裝靜止無功補(bǔ)償器，這種設(shè)備可以有效調(diào)節(jié)無功補(bǔ)償功率的大小，并且針對(duì)連續(xù)性的電壓波動(dòng)，提供相應(yīng)的電壓支持，提升整個(gè)系統(tǒng)的性能穩(wěn)定性。其次，還需要安裝超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置（SMES），這種裝置能量密度高，而且可以快速吞吐有功功率。利用基于GTO的雙橋結(jié)構(gòu)換流裝置，SMES可以在四象限靈活地調(diào)節(jié)有功和無功功率，為系統(tǒng)功率不足的地方提供補(bǔ)償。這樣就可以降低輸出功率的波動(dòng)，使得電壓得到穩(wěn)定，提高了電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

4.保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)

目前對(duì)于保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)，首先在安裝方面都是從終端變電站安裝和整定。其次在具體的過程中，主要是通過孤島保護(hù)、低壓保護(hù)等措施來對(duì)于發(fā)生故障的風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行逐一排除，斷開與電網(wǎng)的聯(lián)系，等恢復(fù)正常以后，繼續(xù)連接使用。最后，就是由于風(fēng)力發(fā)電的規(guī)模越來越大，可能這種裝置的功效的穩(wěn)定性就會(huì)受到較大的影響，不一定能及時(shí)發(fā)揮作用。

結(jié)論

目前對(duì)于風(fēng)力發(fā)電在并網(wǎng)過程中存在的問題，經(jīng)過多年的實(shí)踐總結(jié)及吸收國(guó)外的一些經(jīng)驗(yàn)，已經(jīng)取得一定的成效，但是要想發(fā)揮好風(fēng)力發(fā)電的功效，降低對(duì)于國(guó)家電網(wǎng)的影響，仍然需要繼續(xù)不斷地研究，采用新的技術(shù)和裝備，更好地使得風(fēng)力發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生太大的影響。

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