风力发电论文风电并网对电力系统影响

　　本风力发电论文主要对风电大规模并网后所引起的电能质量问题和系统稳定性问题进行了分析和探究。风能作为一种清洁的新能源，对我们社会的发展与环境保护具有重大的意义。可以发表风力发电论文的期刊有《电力与能源》(双月刊)创刊于1980年，是由上海市能源研究所和上海市工程热物理学会联合主办的综合性能源类技术杂志。杂志以报道当前能源技术发展动态为主，在积极宣传政府可持续发展战略的同时，配合政府的重点能源项目规划，组织相关热点技术和成果的报道。杂志坚持普及与提高、先进和实用、理论和实践相结合的办刊方针，在报道理论研究成果的同时，还报道工作在第一线的能源工作者节能经验。

　　摘 要：随着电力系统中风力发电的快速发展，越来越多的风电场开始接入电压等级更高的电网。风电的大规模接入对电网的运行造成了诸多影响，比如影响电网的安全性、调峰调频、电能质量等。这些问题不仅影响到了大电网的安全运行，还制约着电网接纳风电。探究了风电并入电网后造成的影响，在电能质量和电网稳定性两方面进行了分析，并对提出了解决方案。

　　关键词：风力发电;风电并网;电能质量;电网稳定性

　　1 风力发电的发展现状

　　随着世界经济的高速发展，能源危机和环境污染正日益困扰着人类的生产和生活。为了解决能源短缺问题，人们开始将目光投向取之不尽的清洁能源——风能。风力发电自20世纪80年代开始，受到了欧美各国的重视，各国政府都积极寻求替代化石燃料的新能源。由于风电与其他新能源相比其技术更加成熟，且具有更高的成本效益和资源有效性，因此，风电发展不断超越着其预期的发展速度，一直保持着世界上增长最快的能源地位。

　　根据全球风能理事会(Global Wind Energy Council)的统计数据，2014年新增装机容量超过50 GW大关，与2013的35.7GW相比增长47%.图1为截至2014年，全球新增和累计装机容量。从图1中可以看出，全球的累计装机容量一直保持较快的增长。

　　随着中国经济的蓬勃发展，风电产业得到了快速的发展。在《可再生能源法》、风电设备70%国产化率的要求、风电特许权示范项目等的支持下，我国风电产业在短短的几年之内实现了跨越式发展，已经跻身全球风电发展的前列。根据中国风能协会(China Wind Energy Association )的统计数据，我国风电装机容量截至2014年已经达到114.6 GW，占全球风电市场的31%，位列世界第一。图2为我国风电历年新增和累计装机容量。

　　2 风电并网对电能质量的影响

　　2.1 电压变动和闪变问题

　　由于风速具有随机性和间歇性，且考虑到风力发电机组本身的固有特性，因此，风电场的输出功率会随着这些特性的影响而改化，进而引发电压波动和闪变现象。电压波动和闪变是指电压幅值在一定范围内有规则地变动时，电压的最大值与最小值相对额定电压的百分比，或电压幅值不超过0.9～1.1 p.u.的一系列变化。这种电压变化称为闪变，以表达电压波动对照明灯的视觉影响。数学表达式如下：

　　风力发电机组在变动的风速的作用下，其功率输出具有变动的特性，可能引发所接入系统的某些节点的电压变动。风力发电机组并网运行引起的电压变动源于波动的功率输出，而输出功率的变动主要是因风速的快速变动以及塔影效应、风剪切、偏航误差等引起的。

　　为了有效控制风电场接入闪烁干扰值的公共连接点的波动和闪变问题，在风力发电厂接入公共连接点处的闪变干扰值必须满足电能质量，满足GB 12326—2000中的要求。此外，风电厂必须根据短期和长期计划进行适当的安排，必须按照风力发电厂装机的总容量与供电公共连接点干扰源的总容量之间的比值进行相应安排。

　　2.2 电压偏差问题

　　电压偏差是指电力系统各处的电压允许偏离其额定值的百分比，即：

　　电力系统中的负荷以及发电机组的出力随时会发生变化，网络结构会随着运行方式的改变而改变。这些因素都将引起电力系统功率的不平衡。系统无功功率不平衡是电压偏差的根本原因。

　　恒速风电机组在投入运行时，风电场输出的有功功率与无功功率存在函数关系。当其输出有功功率P增加时，风电场吸收无功功率Q也会增加。因此，必然引起电压的波动，造成电压偏差。由于变速风电机组构成的风电场能够实现有功和无功的解偶控制，所以，风电场与电网之间不会发生无功功率的交换。但当变速机组出力较高时，传输有功功率在线路上消耗的无功功率也可能会造成电压下降，进而引起电压偏差。

　　针对电压偏差的问题，可以通过调整中枢点的电压、调节发电机端的电压以及变压器调压等方式来解决，这些措施的主要作用是对系统进行无功补偿。

　　2.3 谐波问题

　　无论何种类型的风力发电机组，风电机本身产生的谐波是可以忽略的，谐波电流的真正来源是风力发电机组中的电力电子元件。由于定速风电机组在连续运行过程中没有电力电子元件的参与，因此，基本不产生谐波。当机组进行投切操作时，软并网装置处于工作状态，会产生谐波电流，但由于投切的过程较短，此谐波注入可以忽略。变速风电机组则采用大容量的电力电子元件，并网后变流器始终处于工作状态，因此，应当考虑变速风电机组的谐波注入问题。谐波不是固定的，是随着用电环境而变化的，加之配电网具有的复杂性，很有可能将谐波电流放大产生谐振，这将对电力系统造成极大的危害。

　　谐波问题不仅会对电场造成极大的影响，还会对电力系统造成严重的损害。因此，应做好对新能源发电中谐波电流的控制。当发电厂利用电力电子转换器发电机组时，要做好对电场注入系统的谐波电流相应的抑制措施，谐波注入电流需要满足GB/T 14549中的要求。在使用新能源发电的过程中，应尽量避免采用单一的发电机，这样会使局部谐波电压过高，进而对发电系统造成一定的威胁;尽量采用不同种类型的发电机混合配置，以有效控制谐波电流，促进新能源发电的安全、有效运行。

　　3 风电并网对电网稳定性的影响

　　目前，世界上主流的发电机组的额定容量一般为1.5～3 MW，单台风力发电机组的最大额定容量可达7 MW，风电场具有更大的装机容量。随着风电装机容量在各个国家电网中所占的比例越来越大，对电网的影响范围从局部逐渐扩大。

　　3.1 电压稳定性问题

　　电压稳定性是指电力系统在正常运行中受到扰动后，维持系统中所有母线电压在可接受水平的能力。当系统遭遇扰动，负荷的用量增加或改变系统条件时，引起电压连续的并趋向于失控的衰减，系统由此进入电压不稳定的状态。引起不稳定的根本原因是电力系统的无功功率无法满足需求。这可能是因负荷的变动而引起的，也可能是因联络线上的功率过大，超过了自然功率，进而导致线路中无功损耗急剧增大。

　　目前，国内风电场通常采用无功补偿的方式，即在风力发电机组出口安装并联电容器组来保证系统电压的稳定。由于并联电容器补偿通过电容器组的投切实现，调节特性呈阶梯性，补偿效果受限于电容器组数及每组电容，响应速度慢，无法对无功进行平滑调节。因此，电力系统中常用无功补偿器(SVC)、静态同步补偿器(STACOM)等动态无功补偿设备控制电网暂态电压。

　　3.2 频率稳定性的问题

　　电力系统频率的稳定性是指系统因发生了较大扰动，比如发电机停机、甩负荷等，而出现了有功功率不平衡的现象时，在自动调节装置的作用下，全系统频率或解列后的子系统频率能保持在允许范围内或不降低至危险值以下的能力。要想整个电力系统在一个同步的频率下运行，则产生的电能和消耗的电能必须是平衡的。频率反映了整个系统中能量的产生和消耗是否平衡。如果电力系统中发出的电能过剩，同步发电机将加速，系统频率提升;反之，发电机将减速，系统频率下降。

　　不同类型的风力发电机组的结构不同，接入电网后对电网频率稳定性产生的影响也不尽相同。恒速风力发电机组采用感应发电机将风轮机转子上产生的机械能转化为电能，此类型的发电机组的频率控制和电压调节比较困难。然而，由于转速与系统频率之间通过变速箱具有了耦合关系，当系统频率下降时，能向电网提供惯性响应，响应的大小由储存在转子上的能量和频率的变化率来决定。在变速风力发电机组中，直驱式同步发电机风电机组可将风能转化为电能，并通过电力电子装置并入电网。基于双馈感应发电机(DFIG)风电机组，其定子侧可直接接入电网，转子侧可通过电力电子装置接入电网。大量电力电子装置的使用使变速风电机组的机械功率和电磁功率解耦，当电网频率发生变化时，无法向系统提供任何惯性响应。

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