风力发电对电网运行的影响及对策

摘要：随着我国风电超常规的迅猛发展,分析了我国风力发电对电网运行的影响，并作出我国风力发电与电网运行协调发展的解决措施。这些措施实施后，降低了风力发电对电网安全稳定性的影响，确保了风力发电和电网企业效益的最大化。

近年来，随着全球化石油能源的日益匮乏，加上日本地震带来的核电警示，加快包括风电在内的安全性清洁能源产业的发展已成为大势所趋。大规模的风力发电需实现并网运行，国外风电大国虽然对风力发电和电网运行积累了一些经验，但由于我国电网结构的特殊性，风力发电和电网运行如何协调发展已成为风电场规划设计和运行中不可回避的最重要课题。

一、我国风力发电对电网运行的影响

我国风力资源的富集地区，电网均比较薄弱，风力发电对电网运行的影响主要体现在电网调度、电能质量和电网安全稳定性等方面。

1.1对电网调度的影响

风能资源丰富的地区人口稀少、负荷量小、电网结构薄弱等特点，风电功率的输入必然要改变电网的潮流分布，对局部电网的节点电压也将产生较大的影响。风能本身是不可控的能源，它是否处于发电状态和所发电量基本取决于风速状况，而风速的不稳定性和间歇性决定了风电机组发电量具有较大的波动性和间歇性，并网后的风电场相当于电网的随机扰动源，具有反调节特性，需要电网侧预留出更多的备用电源和调峰容量，由于风力发电的不稳定性，增加了风力发电调度的难度。

1.2对电能质量的影响

风电机组输出功率的波动性，使风电机组在运行过程中受湍流效应、尾流效应和塔影效应的影响，造成电压偏差、波动、闪变、谐波和周期性电压脉动等现象，尤其是电压波动和闪变对电网电能质量影响严重。风力发电机中的异步电动机没有独立的励磁装置，并网前本身无电压，在并网时要伴随高于额定电流5～6倍的冲击电流，导致电网电压大幅度下跌。

在变速风电机组中大量使用的电力电子变频设备会产生谐波和间谐波，谐波和间谐波的出现，会导致电压波形发生畸变。

1.3对电网安全稳定性的影响

电网在最初设计和规划时，没考虑到风电机组接入电网末端会改变配电网功率单向流动从而使潮流流向和分布发生改变的特点，造成风电场附近的电网电压超出安全范围，甚至导致电压崩溃。大规模的风力发电电量注入电网，必将影响电网暂态稳定性和频率稳定性。短路电流超过附近变电站母线和开关等设备的遮断容量，影响电网的安全。

二、风力发电与电网运行不协调的原因

2.1风力发电与电网建设步伐不统一

风力电发项目前期工作流程相对简单，核准进度快，建设周期相对较短，而电网接入系统在项目审查、方案确定及工程建设方面相对复杂，220kV电网可由各省(自治区)核准，330kV以上全部需报国家能源局核准，而电网的核准程序复杂，经过每个村庄都要取得乡、县、市、省的支撑性文件，历时较长，致使接入系统工程与风电场建设难以同步完成，建设工期无法匹配。在我国，1个风电场首台机组建设周期通常为6个月，全部风电场建成仅需1年，而电网工程建设周期要长很多，特别是输电线路建设需要跨地区，协调工作难度较大。220kV输电工程的合理工期为1年左右，750kV输电工程合理工期为2年左右。

2.2风力发电调峰容量不足

从电力电量平衡的角度考虑，电网无法完全消纳风电资源，良好的电源结构和充足的备用是实现风电充分利用的基础，风电具有随机性、间歇性和波动速度快的特点，需要一定规模的灵活调节电源与之相匹配。以内蒙古地区为例，电网电源结构单一，火电机组比重占全区发电装机的84%，供热机组占火电机组的40%，占电网最高发电负荷的64%。进入冬季供热期后，燃煤机组调峰深度为50%左右，燃气和抽水蓄能机组调峰深度可达100%，供热机组完全不参与调峰。电网虽然进行了优化调度，但为了满足供热需求，留给风电的负荷裕度非常小，电网无法满足风电全额上网的要求，电量平衡困难。

三、发电企业需采取的措施

3.1降低对电网调度的影响

针对电网系统潮流分布的变数和电网的调压、调频问题，可通过风电电能的预测来缓解。近年来，预测风电场电力输出的相关技术有很大发展，利用风电场可靠历史数据和附近气象站的预报数据，可预测风电场的出力变化。

3.2降低对电能质量影响

风电场需加装必要的无功补偿装置或采用具有无功控制的双馈变速风电机组，也可采用双向晶闸管控制的软启动装置。当风力机把发电机带到同步速附近时，发电机输出端断路器闭合，使发电机经过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，当并网结束，双向晶闸管短接，获得比较平滑的并网过程，以降低风电并网对电网电能质量的影响。通过人工干预，使同一区域风电机组不同时启动，可减小启、停风力发电机对电网电能质量的影响。

3.3降低对电网安全稳定性的影响

利用分组投切电容器组方法对系统进行无功补偿。但它不能实现连续的电压调节，且电容器投切次数也有一定的限制，因此，它不能控制因风速变化太快而产生的电压波动。静止无功补偿器SVR(StaticVarCompensa-tor)安装在风电场的出口，根据风电场接入点的电压偏差量来控制SVC补偿的无功功率，稳定风电场的节点电压，降低风电功率波动对电网电压的影响，改善电网系统的稳定性。在风电场出口采用基于GTO逆变器的双桥结构换流装置，超导储能装置利用其有功、无功综合调节的能力，降低风电场输出功率波动，同时实现对电压和频率同步控制，稳定风电场电压。

四、电网企业需采取的措施

4.1降低对电网调度的影响

加强电网接纳能力的研究，提高电网对风力发电电量的接纳能力。从整体上确定电网能够接纳的最大风电装机容量，为风电发展规划提供参考，尽快建立风电并网技术评价机构，为风电的合理接入提供技术支撑。完善风力发电并网的电网调度管理措施，根据风电场的风电功率预测，优化安排其他风电机组发电出力。

4.2降低对电能质量影响

改善电网结构。并网发电机组公共连接点短路比越大，引起的电压波动和闪变越小，合适的电网线路X/R可使有功功率引起的电压波动被无功功率引起的电压波动补偿掉，闪变值也有所减轻，所以，电网线路可通过调节合适的X/R来降低风力发电对电网电能质量的影响。提高电网的电压等级，变高压输电为超高压输电，建设新的输电线路并安装相应的自动控制装置以此来降低风力发电传输和分配对电能质量的影响。

4.3降低对电网安全稳定性的影响

研究风力发电对电网运行方式、频率控制、电压调整、潮流分布、故障水平和稳定性等造成的影响。加强对电网接纳风电能力的仿真研究。通过升级改造，提高相应电气设备能力，增加风电场附近开关的遮断容量。加装必要的滤波器，防止电网谐波超标。

总之，实现风力发电与电网运行协调发展，电源企业和电网企业要深入分析当前风电发展技术瓶颈与政策原因，把握风电发展的技术特点和政策导向，努力解决风力发电对电网调度、电能质量和电网安全稳定性的影响，确保风力发电企业和电网企业利益的最大化。

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