概述风电并网的特点及问题

概述风电并网的特点及问题

ABSTRACT: Since the 1980 s, wind power grid type with its unique advantages of energy, environmental protection and scale of benefit, get rapid development. Due to the wind farm is a kind of depends on natural energy of the dispersion of a source of power, and now is used mostly constant speed constant frequency induction wind power systems, the parallel operation reduces the grid stability and power quality. With the constant expansion of wind power, wind power characteristics of the negative effect of the grid more significant, and constrains wind farms of the construction scale serious obstacle. So further research wind farms to the grid interaction be further development by pressing for wind power to solve the problems. Focus on grid wind farms and the grid the interaction between, especially for stability of the system and the influence on the quality of electric power, for large wind farms in the parallel operation, some basic technical problem is studied.

摘要：二十世纪八十年代以来，并网型风力发电以其独特的能源、环保优势和规模化效益，得到长足发展。由于风电场是一种依赖于自然能源的分散电源，同时目前大多采用恒速恒频异步风力发电系统，其并网运行降低了电网的稳定性和电能质量。随着风电场规模的不断扩大，风电特性对电网的负面影响愈加显著，成为制约风电场建设规模的严重障碍。因此深入研究风电场与电网的相互作用成为进一步开发风电所迫切要求解决的问题。着眼于并网风电场与电网之间的相互影响，特别是对系统稳定性以及电能质量的影响，对大型风电场并网运行中的一些基础性的技术问题进行了研究。

关键词：风电场；并网；现状分析

0 引言

二十世纪七十年代世界范围内的能源危机爆发

后，环境污染和能源短缺成为现代文明社会的世纪性难题。人们的环保意识和危机感不断加强，各国政府纷纷制定自己的能源政策，给风能、太阳能、潮汐能、地热能等新能源带来了发展的契机。如今的风力发电正逐步走向规模化和产业化，大型并网风力发电场（简称风电场）成为风力发电的主流，风力发电在电网中的比例越来越大，成为除水力发电以外最成熟、最现实的一种清洁能源发电方式。

1 风电发展背景

大力发展风力发电，对环境保护、节约能源以

及生态平衡都有重要的意义。然而风力发电是一种特殊的电力，具有许多不同于常规能源发电的特点，风电场的并网运行对电网的电能质量、安全稳定等诸多方面带来负面的影响，随着风电场规模的不断扩大，风电特性对电网的影响也愈加显著，成为制约风电场容量和规模的严重障碍。因此，为了更加充分地利用可开发的风力资源，需要深入研究大规模风电场并网运行的技术问题，风力发电接入电网的分析对风电场的规划、设计和运行都有重要的意义。风力发电在我国有广阔的发展前景，主要原因有两个，一是我国风力资源丰富，具有开发风电的巨大潜力，二是来自国家政府部门的鼓励为我国的新能源发电点亮了绿灯。

2 风力发电的特点与所面临的问题

由于扮能的特殊性,与常规的水火电系统相比风电系统具有很大的差别,风能的随机性风能也就是随机的和不可控制的。风力机转动惯量大，风能密度分布相对比较低,为了尽可能捕获较多的风能,风力机转动的叶片直径必须做的很大,显然,巨大的转子叶片的直径,必然使得风力机具有较大的转动惯量。。为了有效的转换风能,风力机转子由于受到风能转换效率理论极限值是的限制,叶尖速率比入不可能很大,风力机的转子转动的速度不会很高,与发电机转动的速度相差比较大,发电机与风力机之间不能直接相连,必须通过一定变比的升速齿轮箱进行传动。这样发电机与风力机之间的刚性度大大降低。换句话说,风力机和发电机两大系统之间是柔性连接的异步发电机。

目前,大规模的风力发电系统一般采用异步发电机直接并网的运行方式。通常机端配备有补偿电容器组,以提供异步发电机在启动和运行时所需要的激磁无功。异步发电机的频率由大系统来决定,风能的变化将引起异步发电机转差的变化,相应地其注入电网的有功和吸收的无功也要随着风速的变化而变化,这将导致系统,特别是风电场附近电网母线电压的波动,严重时还可能引起电压闪变。随着电力电子的发展,新型的风力发电机可以选用变速恒频双馈异步发电机,则无须配备补偿电容器组。这种变速恒频双馈异步发电机不仅能发有功功率,而且还

能发无功功率,且能方便地调节有功功率和无功功率,使得风力发电系统具有较好的性能。风电场并网面临的一些技术问题随着风力发电规模的不断扩大,风力发电在电网中的比例越来越大,风电场的并网运行对电网的电能质量!安全稳定等诸多方面的负面影响也随着风电场规模的扩大变得愈加明显,成为制约风电场容量和规模的严重障碍。主要面临下面一些技术问题。 （1）对电能质量的影响,风速变化湍流以及风力机尾流效应造成的紊流会引起风电功率的波动和风电机组的频繁启停风机的杆塔遮蔽效应使风电机组输出功率存在周期性的脉动功率的变化将会使电网频率在一定范围波动,影响电网中频率敏感负荷的正常工作风电功率的波动势必会引起电压的变化,主要表现为电压波动,电压闪变!电压跌落以及周期性电压脉动等。另外,风电机组中的电力电子控制装置如果设计不当,将会向电网注入谐波电流,引起电压波形发生不可接受的畸变,并可能引发由谐振带来的潜在问题。 （2）对稳定性的影响降

一方面,风力发电通常接入电网的末端,改变了配电网功率单向流动的特点,使潮流流向和分布发生改变,这在原有电网的规划和设计时是没有预先考虑的。因此,随着风电注入功率的增加,风电场附近局部电网的电压和联络线功率将会超出安全范围,严重时会导致电压崩溃。另外,由于采用异步发电机,变速恒频风电系统在向电网注入功率的同时需要从电网吸收大量的无功功率。因此,为了补偿风电场的无功,每台风力发电机都配有功率因数校正装置,目前常用的是分组投切的并联电容器。电容器的无功补偿量的大小与接入点电压的平方成正比,当系统电压水平较低时,并联电容器的无功补偿量迅速下降,导致风电场对电网的无功需求上升,进一步恶化电压水平,严重时会造成电压崩溃。另外,由于异步发电机的功率恢复特性,当电网发生短路故障时,若故障切除不及时,也将容易导致暂态电压失稳。

另一方面,随着风电场规模的不断扩大,风电场在系统中所占的比例不断增加,风电输出的不稳定性对电网的功率冲击效应也不断增大,对系统稳定性的影响就更加显著,严重情况下,将会使系统失去动态稳定性,导致整个系统的瓦解。 （3）并网过程对电网的冲击

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异步电机作为发电机运行时,没有独立的励磁装置,并网前发电机本身没有电压,因此并网时必然伴随一个过渡过程,流过一倍额定电流的冲击电流,一般经过几百毫秒后转入稳态。异步发电机并网时的冲击电流的大小,与并网时网络电压的大小!发电机的暂态电抗以及并网时的滑差有关。滑差越大则交流暂态衰减时间就越长,并网时冲击电流有效值也就越大。风力发电机组与大电网并联时,合闸瞬间的冲击电流对发电机及电网系统安全运行不会有太大影响。但对小容量的电网而言,风电场并网瞬间将会造成电网电压的大幅度下跌,从而影响接在同一电网上的其他电器设备的正常运行,甚至会影响到整个电网的稳定与安全。

3 并网型风力发电的特点

风力发电有两种不同的类型，即：独立运行的。离网型。和接入电力系统运行的。并网型。。。离网型。的风力发电规模较小，通过蓄电池等储能装置或者与其他能源发电技术相结合（如风电/水电互补系统、风电——柴油机组联合供电系统）可以解决偏远地区的供电问题。。并网型。的风力发电是规模较大的风力发电场，容量大约为几兆瓦到几百兆瓦，由几十台甚至成百上千台风电机组构成。并网运行的风力发电场可以得到大电网的补偿和支撑，更加充分的开发可利用的风力资源，是国内外风力发电的主要发展方向。在日益开放的电力市场环境下，风力发电的成本也将不断降低，如果考虑到环境等因素带来的间接效益，则风电在经济上也具有很大的吸引力。并网运行的风力发电场之所以在全世界范围获得快速发展，除了能源和环保方面的优势外，还因为风电场本身具有下列优点： （1） 建设工期短 风电机组及其辅助设备具有模块化的特点，设计和安装简单，单台风机的运输及安装时间不超过三个月，一个 10MW 级的风电场建设工期不超过一年，而且安装一台即可投产一台。

（2） 实际占地面积小，对土地质量要求低 风电场内设备建的筑面积仅约占风电场的 1％，其余场地仍可供农、牧、渔使用。

（3） 运行管理自动化程度高，可做到无人值守另一方面，风力发电受到其一次能源——风能的限制。

4 风力发电并网运行的技术问题及研究现状

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并网型风力发电机组可分为恒速恒频风力发电系统和变速恒频风力发电系统。目前国内外普遍使用的是水平轴、上风向、定桨距（或变桨距）风力机，其有效风速范围约为 3~30m/s，额定风速一般设计为 8~15m/s，风力机的额定转速大约为 20~30 为：电压波动，电压闪变、电压跌落以及周期性电压脉动等。另外，风电机组中的电力电子控制装置如果设计不当，将会向电网注入谐波电流，引起电压波形发生不可接受的畸变，并可能引发由谐振带来的潜在问题。

转/分钟。

变速恒频风力发电系统的发展依赖于大容量电力电子技术的成熟，从结构和运行方面可分为直接驱动的同步发电机系统和双馈感应发电机系统，在风力机直接驱动同步发电机构成的变速恒频发电系统中，风力机直接与发电机相连，不需要齿轮箱升速，发电机输出电压的频率随转速变化，通过交-直-交或交-交变频器与电网相联，在电网侧得到频率恒定的电压。双馈感应风力发电机组的基本结构包括绕线式异步发电机、变频器和控制环节，其定子绕组直接接入电网，转子采用三相对称绕组，经背靠背的双向电压源变频器与电网相连，给发电机提供交流励磁，励磁频率即为发电机的转差频率。 变速恒频风力发电机组实现了发电机转速与电网频率的解耦，降低了风力发电与电网之间的相互影响，但是它结构复杂、成本高、技术难度大。至今仍不是风力发电设备的主流。但是随着电力电子技术的发展，变速恒频风力发电技术也将进一步成熟。特别是双馈感应发电机，不仅改善了风电机组的运行性能，而且大大降低了变频器的容量，将会成为今后风力发电设备的主要选择。系统中，一方面，风电机组直接与电网相耦合，风电的特性将直接对电网产生影响，另一方面，其发电设备为异步发电机，它的运行需要无功电源的支持，加重了电网的无功负担，使系统的潮流分布更加复杂。因此它的并网运行将给系统的规划、设计和运行带来许多不同于常规能源发电的新问题，随着风力发电规模的不断扩大，这些问题将愈加突出。针对恒速恒频风力发电系统，国内外学者和工程技术人员的研究与经验表明，风电场并入电网主要会面临以下一些技术问题：

（1） 对电能质量的影响

风速变化、湍流以及风力机尾流效应造成的紊流会引起风电功率的波动和风电机组的频繁启停；风机的杆塔遮蔽效应使风电机组输出功率存在周期性的脉动。功率的变化将会使电网频率在一定范围波动，影响电网中频率敏感负荷的正常工作。风电功率的波动势必会引起电压的变化，主要表现

（2）对稳定性的影响 风力发电通常接入到电网的末端，改变了配电网功率单向流动的特点，使潮流流向和分布发生改变，这在原有电网的规划和设计时是没有预先考虑的。因此，随着风电注入功率的增加，风电场附近局部电网的电压和联络线功率将会超出安全范围，严重时会导致电压崩溃。另外，由于采用异步发电机，变速恒频风电系统在向电网注入功率的同时需要从电网吸收大量的无功功率。因此，为了补偿风电场的无功，每台风力发电机都配有功率因数校正装置，目前常用的是分组投切的并联电容器。电容器的无功补偿量的大小与接入点电压的平压水平较低时，并联电容器的无功补偿量迅速下降，导致风电场对电网的无功需求上升，进一步恶化电压水平，严重时会造成电压崩溃。另外，由于异步发电机的功率恢复特性，当电网发生短路故障时，若故障切除不及时，也将容易导致暂态电压失稳。另一方面，随着风电场规模的不断扩大，风电场在系统中所占的比例不断增加，风电输出的不稳定性对电网的功率冲击效应也不断增大，对系统稳定性的影响就更加显著，严重情况下，将会使系统失去动态稳定性，导致整个系统的瓦解。 （3） 并网过程对电网的冲击

异步电机作为发电机运行时，没有独立的励磁装置，并网前发电机本身没有电压，因此并网时必然伴随一个过渡过程，流过 5～6 倍额定电流的冲击电流，一般经过几百毫秒后转入稳态。异步发电机并网时的冲击电流的大小，与并网时网络电压的大小、发电机的暂态电抗以及并网时的滑差有关。滑差越大则交流暂态衰减时间就越长，并网时冲击电流有效值也就越大。风力发电机组与大电网并联时，合闸瞬间的冲击电流对发电机及电网系统安全运行不会有太大影响。但对小容量的电网而言，风电场并网瞬间将会造成电网电压的大幅度下跌，从而影响接在同一电网上的其他电器设备的正常运行，甚至会影响到整个电网的稳定与安全。 （4） 对保护装置的影响 为了减少风电机组的频繁投切对接触器的损

害，在有风期间风电机组都保持与电网相连，当风速在起动风速附近变化时，允许风电机组短时电动机运行，因此风电场与电网之间联络线的功率流向有时是双向的。因此，风电场继电保护装置的配置和整定应充分考虑到这种运行方式。异步发电机在发生近距离三相短路故障时不能提供持续的故障电流，在不对称故障时提供的短路电流也非常有限。因此风电场保护的技术困难是如何根据有限的故障电流来检测故障的发生，使保护装置准确而快速的动作。

另一方面，尽管风力发电提供的故障电流非常有限，但也有可能会对于风电场并网过程对电网造成的冲击，目前已有比较成熟的认识，并已经通过适当的措施得以解决。通常采用的是双向晶闸管控制的软启动装置。当风力机将发电机带到同步速附近时，发电机输出端断路器闭合，使发电机经一组双向晶闸管与电网连接，通过电流反馈对双向晶闸管导通角进行控制控制，使双向晶闸管的触发角逐渐打开，并网过程结束后，将双向晶闸管短接。通过采用软启动方式，可以将风电场并网时的冲击电流限制在 1.2~1.5 倍额定电流以内，得到一个比较平滑的并网过程。另外，通过人工干预使风电机组不同时起动，可以进一步限制风机启动时对电网的冲击。在风电场保护装置的配置与整定方面，目前通常的做法是按照终端变电站的方案进行配置和整定。主要依靠配电网的保护来切除网络的故障，然后由孤岛保护、低电压保护等措施来逐台切除风电机组，从而在故障期间断开风电场与系统的连接，而当故障清除后，控制风电场自动重新并网。而导致的安全隐患，另一方面是是薄弱系统的稳定性与电能质量问题。而就稳定性和电能质量而言，风电场对系统电压稳定性和质量的影响更为突出。主要原因是，受到风力资源分布的限制，风电场一般分布于沿海和边远地区，其接入的电网大多是地区负荷性质的配电网，网络结构比较单一，地方电源（特别是具有快速调节能力的电源）相对较少，相互之间的电气联系比较薄弱，抗击风电功率扰动的能力较低，风电功率的波动将引起局部电网电压的显著变化，另外异步发电机动态和并联电容器的影响，也使系统的电压稳定性面临更大的威胁。 在我国，这一问题尤为突出，但却没有引起有关单位和部门的足够重视，因此出现的问题也比较多，例如：接入 220kV 变电站。在大风期间，发

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电出力增大，机端电压下降幅度超过 10%，导致风电机组紧急停机。这样，在大风期间不能正常发电，而且要紧急刹车停机，造成刹车装置的损坏。浙江苍南鹤顶山风电场，总装机容量为 10MW，地处电网末端，由于当地负荷小、变化大，时常出现电网电压下降幅度超过 10%的情况，导致风电机组经常紧急停机，严重影响机组的正常发电。此外，广东南奥、新疆达板城等风电场，在大风期间都曾多次发生过原因不明的跳闸问题。不仅严重影响了风力资源的有效利用，也造成刹车装置的损坏。由此可见，大规模风电场接入电网，对系统的稳定性与电能质量的影响是不可忽视的，这些问题处理不当不仅会危害用户的正常用电甚至会造成整个电网的瓦解，而且也严重制约了风能的有效利用，限制了风电场的建设规模。

5 结论与展望

风力发电是一种新能源,风能是近期最有大规模开发利用前景的可再生能源,许多国家都制定了风力发电的发展规划和激励政策,以加快技术改进和市场开拓。目前并网风力发电是大规模利用风能最经济的方式,随着技术的发展和规模的扩大,风力发电的成本还将继续下降。中国电力部年决定加快风力发电的商业化进程,将清洁的风能作为世纪能源可持续发展的一个重要组成部分,所以研究风力发电技术刻不容缓。但随着风电机组单机容量和风电场规模的不断增大,风电也对电力系统的稳定运行带来一定的影响。风电机组对电网功率因数的影响和导致局部电网电压水平下降是制约风电场发展的因素。研究大型风力发电场接入电力系统的相互影响,开发相应的研究方法和分析工具,对发展风力发电具有重要的意义和实用价值。

参考文献

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