風力發(fā)電對電力系統(tǒng)的影響研究

黃銀銀

【摘? 要】我國在可持續(xù)發(fā)展道路上，著重開發(fā)可再生資源是滿足當前電力需求供應(yīng)的主要渠道，風力發(fā)電便是其中之一。依據(jù)風力發(fā)電控制系統(tǒng)工作原理，風速大小的變化，對產(chǎn)電量具有一定影響，隨著風速的增加，產(chǎn)電量逐漸增多。雖然風速增加，對產(chǎn)電量的提升有所幫助，但是對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行是否會造成影響尚未明確，本文將對此展開研究。

【關(guān)鍵詞】風力發(fā)電;電力系統(tǒng);影響

在新能源當中，風力發(fā)電最具商業(yè)開發(fā)價值，我國蘊藏豐富的風力資源，廣泛分布在新疆、甘肅、內(nèi)蒙、河北和東南沿海等地區(qū)，近年來，我國風電發(fā)展速度越來越快，隨著風電場容量越來越大，對電力系統(tǒng)的影響也越來越明顯，本文對這些產(chǎn)生的影響進行分析和研究。

1我國風力發(fā)電現(xiàn)狀

風力發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用、發(fā)展與全球能源危機下人們的憂患意識息息相關(guān)。20世紀70年代爆發(fā)的全球能源危機，促使人們不得不思考經(jīng)濟發(fā)展與能源利用之間的良性關(guān)系建立的問題。人口的不斷增長與人類可用能源的有限性構(gòu)成了不容忽視的矛盾，化石能源在過度開采之下的耗竭與人類的長遠發(fā)展的沖突激起了人們對能源保護的重視。

中國位于亞歐大陸東部，瀕臨太平洋，國土面積大，這一獨特的地理位置，使中國具備形成季風的條件，在夏秋兩季極易受熱帶風暴的影響，帶來強勁風力。但在現(xiàn)實中，我國的風能利用比例仍然很小，在發(fā)電系統(tǒng)中，火電依舊占據(jù)主導(dǎo)地位。不過中國正在進一步探索利用風能優(yōu)勢彌補改善供電系統(tǒng)的有效方法，過去十年間，我國風電規(guī)模不斷擴大，風電成本大幅下降，初步具備與火電等傳統(tǒng)能源競爭的能力，但風電可靠性和發(fā)電效率仍存在很大提升空間。

2風力發(fā)電機結(jié)構(gòu)

風力發(fā)電機結(jié)構(gòu)中的轉(zhuǎn)子相當于緩沖器，風速與發(fā)電量之間并不存在直接聯(lián)系，而是通過相關(guān)參數(shù)分析與計算，獲取兩者之間的關(guān)系。

通過分析單機機械能，采用累計法，計算機械能數(shù)值。與此同時，引入發(fā)電機特性，構(gòu)建發(fā)電機模型，通過與電網(wǎng)模型交換輸出功率、無功功率、電壓、頻率參數(shù)，完善發(fā)電機模型。依據(jù)該模型結(jié)構(gòu)，可以探究風力發(fā)電機穩(wěn)態(tài)特性，為電機穩(wěn)態(tài)研究奠定理論基礎(chǔ)。

3風力發(fā)電并網(wǎng)對電力系統(tǒng)的影響

3.1風力發(fā)電的規(guī)模設(shè)計問題

盡管近些年風力發(fā)電在國內(nèi)迅速發(fā)展，但是總的發(fā)電規(guī)模以及裝機容量與我國國家電網(wǎng)總的裝機容量不構(gòu)成顯著的比例，并沒有對電力系統(tǒng)構(gòu)成什么重大的影響。但是由于我國風力資源的分布集中在西部地區(qū)，那里氣候惡劣，地廣人稀，用電負荷量本來就不高，一旦大規(guī)模進行風力發(fā)電的開發(fā)運行，就會對當?shù)氐碾娏ο到y(tǒng)產(chǎn)生較大的壓力，這就導(dǎo)致對我國風力發(fā)電產(chǎn)生嚴重的制約因素。同時在另一方面，由于我國西部地區(qū)的風力發(fā)電，一般比較受制于氣候條件的影響。盡管國內(nèi)已經(jīng)為風電場安裝風功率預(yù)測系統(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，所以對于國家電網(wǎng)來說，無法形成有效地電力調(diào)配，這也導(dǎo)致對于當?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。

3.2電壓波動和閃變對發(fā)電質(zhì)量的影響

風力發(fā)電最大的影響因素就是風力大小的不確定性，導(dǎo)致發(fā)電機組的運行過程中出現(xiàn)電壓波動和閃變等問題，而電壓的波動和閃變就會對電網(wǎng)電能質(zhì)量產(chǎn)生較大影響，這就會對整個電網(wǎng)安全和效率構(gòu)成威脅。同時，風電發(fā)電機組的啟動、運行、關(guān)閉等操作也會產(chǎn)生電壓的波動以及閃變等問題。另外，如果風電機組中的大功率電力電子器件設(shè)計不合理，就有可能對電網(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)后就會對整個電網(wǎng)的發(fā)電質(zhì)量產(chǎn)生影響，不利于電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運行。

3.3對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響

風力發(fā)電機組與電網(wǎng)的并網(wǎng)點，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)果就是風力發(fā)電機組對于周圍的局部電站或線路施加相當大的壓力，有可能導(dǎo)致輸電線路的崩潰。同時，風力發(fā)電機組向電網(wǎng)發(fā)電，由于是異步發(fā)電機組的功率輸出，就會相應(yīng)地從國家電網(wǎng)吸收無功功率，為了有效補償發(fā)電機組的無功功率損失，需要安裝動態(tài)無功補償裝置（SVC或SVG），或者更為先進的SVG設(shè)備來校正。隨著風力發(fā)電規(guī)模的越來越大，這就導(dǎo)致風力發(fā)電機組對于整個國家電網(wǎng)的影響也越來越大，風力發(fā)電機組產(chǎn)生的不穩(wěn)定性因素對于電網(wǎng)的沖擊也在相應(yīng)地增大，一不小心就會使得整個國家電網(wǎng)的系統(tǒng)陷入混亂狀態(tài)，失去穩(wěn)定性。

4風力發(fā)電對電網(wǎng)影響的解決措施

4.1風力發(fā)電規(guī)模的科學(xué)設(shè)計

為了有效解決風力發(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，目前國內(nèi)外對于風力發(fā)電規(guī)模的研究，首先基本上依據(jù)風電穿透功率極限與風電場短路容量比這兩個指標來判斷風力發(fā)電規(guī)模的大小。在風電穿透功率極限這個概念中，需要注意風電穿透功率與風電場裝機容量和系統(tǒng)總負荷有關(guān)，兩者之間的比例就能確定風電穿透功率的大小，而風電穿透功率極限，就是風電穿透功率的最大值，反映出最大的風電場裝機容量。在具體的分析過程中，西方國的一些統(tǒng)計數(shù)據(jù)，要求功率達到15%以上就可以建設(shè)風力發(fā)電設(shè)施。另外一個指標就是風電場短路容量比，其內(nèi)容包括風電場額定容量與該風電場與電力系統(tǒng)的連接點的短路容量之比。其中短路容量主要表示網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)強弱情況，當短路容量小就可以說明該節(jié)點與系統(tǒng)電源點的電氣距離大，聯(lián)系不緊密。風電場接入點的短路容量比大表明系統(tǒng)承受風電擾動的能力弱，對于短路容量指標在歐洲需要達到4%左右，日本需要更寬松達到10%左右也是可以的。其次就是需要考慮風電場最大注入功率的影響，這就需要從風電場的運行特點以及其他設(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，提高接入系統(tǒng)的電壓調(diào)整能力、增加無功補償量和采用較小的聯(lián)絡(luò)線就提高最大注入功率。

4.2增強電能質(zhì)量

為了有效提高風電系統(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)過后的連接點短路比和電網(wǎng)線路是影響風電系統(tǒng)電壓和閃變的重要因素，其中公共連接點短路比與風電系統(tǒng)的電壓波動以及閃變成反比，短路比越大，電壓的波動和閃變就會越小。

對于風電場并網(wǎng)過程對電網(wǎng)造成的沖擊，通常采用的是雙向晶閘管控制的軟啟動（Soft-Start）裝置。當風力機將發(fā)電機帶到同步速附近時，發(fā)電機輸出端斷路器閉合，使發(fā)電機經(jīng)一組雙向晶閘管與電網(wǎng)連接，通過電流反饋對雙向晶閘管導(dǎo)通角進行控制，使雙向晶閘管的觸發(fā)角由180o向0o逐漸打開，并網(wǎng)過程結(jié)束后，將雙向晶閘管短接。通過采用這種軟啟動方式，可以將風電場并網(wǎng)時的沖擊電流限制在1.2～1.5倍額定電流以內(nèi)，得到一個比較平滑的并網(wǎng)過程。

結(jié)語

綜上所述，風力發(fā)電是一種綠色能源，具有不僅經(jīng)濟而且環(huán)保的優(yōu)勢，是今后電網(wǎng)發(fā)電的主要發(fā)展趨勢。在風力發(fā)電的運用過程中，需要非常成熟的技術(shù)條件，需要不斷地對并網(wǎng)性能進行進一步的改善，對風電與電力系統(tǒng)的并網(wǎng)運行產(chǎn)生的負面的影響進行有效的降低，通過上文對風力發(fā)電并網(wǎng)對電力系統(tǒng)的負面影響的分析，在今后的工作中，需要加強研究，對這些影響進行有效的改善，保證風力發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展和運用。

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（作者單位：南瑞集團有限公司（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司））