風力發電對電網運行的影響及對策

摘要：隨著我國風電超常規的迅猛發展,分析了我國風力發電對電網運行的影響，并作出我國風力發電與電網運行協調發展的解決措施。這些措施實施后，降低了風力發電對電網安全穩定性的影響，確保了風力發電和電網企業效益的最大化。

近年來，隨著全球化石油能源的日益匱乏，加上日本地震帶來的核電警示，加快包括風電在內的安全性清潔能源產業的發展已成為大勢所趨。大規模的風力發電需實現并網運行，國外風電大國雖然對風力發電和電網運行積累了一些經驗，但由于我國電網結構的特殊性，風力發電和電網運行如何協調發展已成為風電場規劃設計和運行中不可回避的最重要課題。

一、我國風力發電對電網運行的影響

我國風力資源的富集地區，電網均比較薄弱，風力發電對電網運行的影響主要體現在電網調度、電能質量和電網安全穩定性等方面。

1.1對電網調度的影響

風能資源豐富的地區人口稀少、負荷量小、電網結構薄弱等特點，風電功率的輸入必然要改變電網的潮流分布，對局部電網的節點電壓也將產生較大的影響。風能本身是不可控的能源，它是否處于發電狀態和所發電量基本取決于風速狀況，而風速的不穩定性和間歇性決定了風電機組發電量具有較大的波動性和間歇性，并網后的風電場相當于電網的隨機擾動源，具有反調節特性，需要電網側預留出更多的備用電源和調峰容量，由于風力發電的不穩定性，增加了風力發電調度的難度。

1.2對電能質量的影響

風電機組輸出功率的波動性，使風電機組在運行過程中受湍流效應、尾流效應和塔影效應的影響，造成電壓偏差、波動、閃變、諧波和周期性電壓脈動等現象，尤其是電壓波動和閃變對電網電能質量影響嚴重。風力發電機中的異步電動機沒有獨立的勵磁裝置，并網前本身無電壓，在并網時要伴隨高于額定電流5～6倍的沖擊電流，導致電網電壓大幅度下跌。

在變速風電機組中大量使用的電力電子變頻設備會產生諧波和間諧波，諧波和間諧波的出現，會導致電壓波形發生畸變。

1.3對電網安全穩定性的影響

電網在最初設計和規劃時，沒考慮到風電機組接入電網末端會改變配電網功率單向流動從而使潮流流向和分布發生改變的特點，造成風電場附近的電網電壓超出安全范圍，甚至導致電壓崩潰。大規模的風力發電電量注入電網，必將影響電網暫態穩定性和頻率穩定性。短路電流超過附近變電站母線和開關等設備的遮斷容量，影響電網的安全。

二、風力發電與電網運行不協調的原因

2.1風力發電與電網建設步伐不統一

風力電發項目前期工作流程相對簡單，核準進度快，建設周期相對較短，而電網接入系統在項目審查、方案確定及工程建設方面相對復雜，220kV電網可由各省(自治區)核準，330kV以上全部需報國家能源局核準，而電網的核準程序復雜，經過每個村莊都要取得鄉、縣、市、省的支撐性文件，歷時較長，致使接入系統工程與風電場建設難以同步完成，建設工期無法匹配。在我國，1個風電場首臺機組建設周期通常為6個月，全部風電場建成僅需1年，而電網工程建設周期要長很多，特別是輸電線路建設需要跨地區，協調工作難度較大。220kV輸電工程的合理工期為1年左右，750kV輸電工程合理工期為2年左右。

2.2風力發電調峰容量不足

從電力電量平衡的角度考慮，電網無法完全消納風電資源，良好的電源結構和充足的備用是實現風電充分利用的基礎，風電具有隨機性、間歇性和波動速度快的特點，需要一定規模的靈活調節電源與之相匹配。以內蒙古地區為例，電網電源結構單一，火電機組比重占全區發電裝機的84%，供熱機組占火電機組的40%，占電網最高發電負荷的64%。進入冬季供熱期后，燃煤機組調峰深度為50%左右，燃氣和抽水蓄能機組調峰深度可達100%，供熱機組完全不參與調峰。電網雖然進行了優化調度，但為了滿足供熱需求，留給風電的負荷裕度非常小，電網無法滿足風電全額上網的要求，電量平衡困難。

三、發電企業需采取的措施

3.1降低對電網調度的影響

針對電網系統潮流分布的變數和電網的調壓、調頻問題，可通過風電電能的預測來緩解。近年來，預測風電場電力輸出的相關技術有很大發展，利用風電場可靠歷史數據和附近氣象站的預報數據，可預測風電場的出力變化。

3.2降低對電能質量影響

風電場需加裝必要的無功補償裝置或采用具有無功控制的雙饋變速風電機組，也可采用雙向晶閘管控制的軟啟動裝置。當風力機把發電機帶到同步速附近時，發電機輸出端斷路器閉合，使發電機經過一組雙向晶閘管與電網連接，通過電流反饋對雙向晶閘管導通角進行控制，當并網結束，雙向晶閘管短接，獲得比較平滑的并網過程，以降低風電并網對電網電能質量的影響。通過人工干預，使同一區域風電機組不同時啟動，可減小啟、停風力發電機對電網電能質量的影響。

3.3降低對電網安全穩定性的影響

利用分組投切電容器組方法對系統進行無功補償。但它不能實現連續的電壓調節，且電容器投切次數也有一定的限制，因此，它不能控制因風速變化太快而產生的電壓波動。靜止無功補償器SVR(StaticVarCompensa-tor)安裝在風電場的出口，根據風電場接入點的電壓偏差量來控制SVC補償的無功功率，穩定風電場的節點電壓，降低風電功率波動對電網電壓的影響，改善電網系統的穩定性。在風電場出口采用基于GTO逆變器的雙橋結構換流裝置，超導儲能裝置利用其有功、無功綜合調節的能力，降低風電場輸出功率波動，同時實現對電壓和頻率同步控制，穩定風電場電壓。

四、電網企業需采取的措施

4.1降低對電網調度的影響

加強電網接納能力的研究，提高電網對風力發電電量的接納能力。從整體上確定電網能夠接納的最大風電裝機容量，為風電發展規劃提供參考，盡快建立風電并網技術評價機構，為風電的合理接入提供技術支撐。完善風力發電并網的電網調度管理措施，根據風電場的風電功率預測，優化安排其他風電機組發電出力。

4.2降低對電能質量影響

改善電網結構。并網發電機組公共連接點短路比越大，引起的電壓波動和閃變越小，合適的電網線路X/R可使有功功率引起的電壓波動被無功功率引起的電壓波動補償掉，閃變值也有所減輕，所以，電網線路可通過調節合適的X/R來降低風力發電對電網電能質量的影響。提高電網的電壓等級，變高壓輸電為超高壓輸電，建設新的輸電線路并安裝相應的自動控制裝置以此來降低風力發電傳輸和分配對電能質量的影響。