孫仕舒

(云南恒安電力工程有限公司，云南 昆明 650011)

淺析風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響

孫仕舒

(云南恒安電力工程有限公司，云南 昆明 650011)

隨著風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，其接入電網(wǎng)的容量也不斷上升，并對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成了一定的影響?，F(xiàn)以風(fēng)力發(fā)電的工作特點(diǎn)為切入點(diǎn)，就當(dāng)前風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)供電質(zhì)量的影響展開(kāi)論述，并提出了改善措施，以提高其發(fā)電水平，滿足用電需求。

風(fēng)電場(chǎng)；并網(wǎng)；電網(wǎng)；電能質(zhì)量

0 引言

隨著資源的緊缺及環(huán)保意識(shí)的提高，電廠發(fā)電逐漸由傳統(tǒng)的燃煤方式向新能源如風(fēng)能、太陽(yáng)能等發(fā)展，并已投入使用到實(shí)際生活中。以風(fēng)力發(fā)電而言，其以自然界的風(fēng)能為發(fā)電原動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)對(duì)資源充分利用的同時(shí)也起到環(huán)保的效果。然而，隨著風(fēng)電場(chǎng)向電網(wǎng)輸送電能比重的增加，其以并網(wǎng)方式運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)送電質(zhì)量的影響也更為突出，并制約著風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展。

1 風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行特點(diǎn)

1.1 風(fēng)力發(fā)電過(guò)程

圖1是風(fēng)力發(fā)電基本過(guò)程示意圖，當(dāng)風(fēng)進(jìn)入風(fēng)輪機(jī)時(shí)會(huì)帶動(dòng)風(fēng)輪機(jī)輪轂旋轉(zhuǎn)，從而將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，而輪轂在機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如齒輪的輔助下將轉(zhuǎn)子的機(jī)械能傳送至發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使發(fā)電機(jī)運(yùn)行發(fā)電，最后在區(qū)域變電站作用下風(fēng)電場(chǎng)將輸出的電能并入電網(wǎng)中供用戶使用。

圖1 風(fēng)力發(fā)電簡(jiǎn)圖

1.2 風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行特點(diǎn)

由上文可知，風(fēng)力發(fā)電以風(fēng)能為原動(dòng)力，在實(shí)現(xiàn)對(duì)自然界資源充分利用的同時(shí)也具有基本零污染排放的優(yōu)勢(shì)，另外其占地面積少、施工時(shí)間短，因而經(jīng)濟(jì)性及環(huán)保性都較為可觀。然而由于自然界的風(fēng)能其風(fēng)速、風(fēng)向是無(wú)法人為控制的，因而會(huì)造成風(fēng)電場(chǎng)輸出功率存在波動(dòng)性，在并入電網(wǎng)后也會(huì)使得電網(wǎng)運(yùn)行不穩(wěn)定。

2 風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)的影響

由于受風(fēng)能的分布、風(fēng)力大小、電網(wǎng)系統(tǒng)布局等因素制約，風(fēng)電場(chǎng)的電能輸出存在間歇性及波動(dòng)性，在其容量較小的情況下，這種變化對(duì)電網(wǎng)的影響可忽略，然而若是風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電容量較大，占電網(wǎng)電能比重高，則這種不穩(wěn)定的電能輸出對(duì)電網(wǎng)供電質(zhì)量的影響將不容忽視，其主要體現(xiàn)在引起電網(wǎng)電壓波動(dòng)及閃變、影響電網(wǎng)頻率并對(duì)電網(wǎng)造成沖擊、對(duì)短路電流及電網(wǎng)潮流及電廠中其他設(shè)備的影響。

2.1 閃變及電壓波動(dòng)

在風(fēng)電場(chǎng)中造成電網(wǎng)閃變及電壓波動(dòng)主要源于并網(wǎng)后風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的不穩(wěn)定性，圖2是風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)示意圖。圖2中，若電網(wǎng)電壓Ugrid保持恒定值，而風(fēng)電機(jī)組中輸出電能受風(fēng)速等影響變動(dòng)時(shí)，將會(huì)造成機(jī)端電壓Uwind及并網(wǎng)點(diǎn)電壓Upcc產(chǎn)生波動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致電網(wǎng)電壓的變化，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組中輸出電能波動(dòng)較大時(shí)，這種閃變更為明顯。

圖2 風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)示意圖

從實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)看，風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行造成的電網(wǎng)系統(tǒng)電壓波動(dòng)多是發(fā)生在一些薄弱的電網(wǎng)系統(tǒng)中。因風(fēng)電場(chǎng)多建設(shè)于電網(wǎng)系統(tǒng)的末尾處，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、短路容量較小，因而當(dāng)風(fēng)速、電網(wǎng)線路、控制系統(tǒng)等發(fā)生變化時(shí)，將會(huì)引起風(fēng)電機(jī)組輸出功率的明顯改變，并造成電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定、出現(xiàn)波動(dòng)等，影響電網(wǎng)供電質(zhì)量。

2.2 對(duì)電網(wǎng)頻率的影響

隨著風(fēng)電場(chǎng)在電網(wǎng)中規(guī)模的擴(kuò)大，其向電網(wǎng)輸送的電能也逐漸增加，進(jìn)而因輸出功率的波動(dòng)而對(duì)電網(wǎng)頻率造成的影響也更為突出。若電網(wǎng)系統(tǒng)受到干擾，則會(huì)引起電網(wǎng)電壓降低，并可能引發(fā)低壓穿透性能差的風(fēng)電機(jī)組停機(jī)。因而在風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)后，電網(wǎng)中其他常規(guī)型的機(jī)組需在頻率響應(yīng)上有較好的性能，具備跟蹤調(diào)節(jié)及時(shí)補(bǔ)救電網(wǎng)頻率波動(dòng)的能力；此外，考慮到風(fēng)電運(yùn)行輸電的波動(dòng)是隨機(jī)變化的，在無(wú)風(fēng)或風(fēng)速較小的狀態(tài)下，電網(wǎng)的頻率將急劇降低，從而嚴(yán)重威脅到整個(gè)電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定性，這種情況下應(yīng)加大電網(wǎng)系統(tǒng)的備用容量并選擇優(yōu)化的調(diào)度運(yùn)行模式。

2.3 對(duì)電網(wǎng)的沖擊作用

風(fēng)電場(chǎng)中多使用異步電機(jī)作為發(fā)電機(jī)構(gòu)，其在并網(wǎng)時(shí)需滿足相序與電網(wǎng)相一致同時(shí)轉(zhuǎn)速趨近于同步速度的條件才能順利并網(wǎng)。然而由于異步電機(jī)缺少獨(dú)立的勵(lì)磁結(jié)構(gòu)，并網(wǎng)前電壓歸零，因而并網(wǎng)后達(dá)到穩(wěn)定的電壓需經(jīng)歷一個(gè)過(guò)渡，在過(guò)程中會(huì)形成比額定電流值大5～8倍的沖擊電流，經(jīng)過(guò)幾百毫秒或幾秒后才趨向穩(wěn)態(tài)。在并網(wǎng)時(shí)形成的沖擊電流是隨著并網(wǎng)電壓、異步電機(jī)自身的暫態(tài)電抗及并網(wǎng)過(guò)程中的滑差的變化而改變的。若風(fēng)電場(chǎng)是并網(wǎng)在容量較大的電網(wǎng)系統(tǒng)中，則因沖擊電流對(duì)電網(wǎng)造成的影響可忽略，然而若是并聯(lián)在小電網(wǎng)中，則在并網(wǎng)中形成的沖擊電流將使得電網(wǎng)電壓驟降，并可能威脅到線路中其他設(shè)備的安全使用。

2.4 對(duì)短路電流及電網(wǎng)潮流的影響

風(fēng)電場(chǎng)中使用的異步電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)在自身電動(dòng)勢(shì)作用下向短路點(diǎn)輸送短路電流，進(jìn)而加大電網(wǎng)系統(tǒng)的短路電流值，因而風(fēng)電場(chǎng)在并網(wǎng)時(shí)應(yīng)盡量減少其對(duì)短路電流的作用。此外，風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)潮流的影響也不容忽視，風(fēng)速變化、電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)等因素都可能會(huì)引起風(fēng)電機(jī)組的脫網(wǎng)運(yùn)行，進(jìn)而造成電網(wǎng)潮流發(fā)生變化或轉(zhuǎn)移；另外，若是風(fēng)電機(jī)組本身不具備低壓穿透性能，在發(fā)生故障電壓瞬時(shí)波動(dòng)時(shí)也可能會(huì)引起脫網(wǎng)，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3 改善風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)影響的措施

隨著科技的發(fā)展，風(fēng)電場(chǎng)不斷向智能化、大型化方向發(fā)展，然而其對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響仍然存在。為更好地提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行效率，并改善其輸出電能質(zhì)量，在風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)可適當(dāng)應(yīng)用以下措施：

3.1 在風(fēng)電場(chǎng)中改善無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)

風(fēng)電場(chǎng)中的異步發(fā)電機(jī)多為感性元件，其在運(yùn)行過(guò)程中需無(wú)功支持，無(wú)功補(bǔ)償量的多少與接入點(diǎn)的電壓相關(guān)。在風(fēng)電場(chǎng)中可應(yīng)用動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置(SVC)及SMES超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)。前者可因地制宜地調(diào)整電網(wǎng)中所需的無(wú)功補(bǔ)償功率值，從而合理調(diào)節(jié)電壓大小，提高系統(tǒng)的工作性能。SVC在風(fēng)電場(chǎng)中應(yīng)安裝于出口處，通過(guò)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)中接入點(diǎn)處的電壓偏差量的計(jì)算來(lái)控制無(wú)功補(bǔ)償量，從而穩(wěn)定風(fēng)電場(chǎng)節(jié)點(diǎn)電壓，減少因功率波動(dòng)造成的電網(wǎng)失穩(wěn)；而超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)SMES則具備對(duì)有功及無(wú)功功率綜合調(diào)節(jié)的性能，可靈活調(diào)整系統(tǒng)功率補(bǔ)償，降低風(fēng)電場(chǎng)輸出功率波動(dòng)程度，保持電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性。

3.2 在風(fēng)電場(chǎng)中使用輕型直流輸電連接電網(wǎng)

輕型直流輸電技術(shù)是基于以PWM為主的電壓源換流器(VSC)技術(shù)、晶閘管等，因而具備直流輸電的性能。在風(fēng)電場(chǎng)中應(yīng)用該技術(shù)可有效解決因電源分散接入引起的輸電走廊問(wèn)題，同時(shí)因其具備對(duì)無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖詣?dòng)調(diào)節(jié)控制能力，使用輕型直流輸電還可克服短路容量對(duì)風(fēng)電場(chǎng)容量的限定，進(jìn)一步確保電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，并保障輸送至電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

3.3 提高對(duì)風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性

風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行效率主要決定于風(fēng)速變化，隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等新型技術(shù)的不斷突破，應(yīng)提高對(duì)風(fēng)速的預(yù)測(cè)能力，從而更準(zhǔn)確地預(yù)估風(fēng)力發(fā)電的出力性能，使得電網(wǎng)更靈活地容納風(fēng)電場(chǎng)；此外，應(yīng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的控制性能加以優(yōu)化，使之向普通發(fā)電機(jī)的工作性能靠攏，以便于合理安排調(diào)度工作，保障電網(wǎng)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

因風(fēng)力發(fā)電使用的是清潔無(wú)污染的自然資源，技術(shù)也較為成熟，因而其未來(lái)發(fā)展前景十分可觀。然而，隨著風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電網(wǎng)的并行容量在不斷擴(kuò)大，其輸出功率的波動(dòng)性對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響也更加突出，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)中發(fā)電設(shè)備的建設(shè)及管理，優(yōu)化其調(diào)度管理，從而更好地提高電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)的接納能力，改善電網(wǎng)供電質(zhì)量。

[1] 成云云，李文亮，王新華，等.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的影響[J].供用電，2012(2)

[2] 白鴻斌，王瑞紅.風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響分析[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2012(1)

2014-09-02

孫仕舒(1985—)，女，四川洪雅人，助理工程師，研究方向：電力系統(tǒng)一次規(guī)劃。