大规模风电并网对电力系统的影响.docx

大规模风电并网对电力系统的影响摘要：由于风能具有随机性、间歇性、不稳定性的特点,当风电装机容量占总电网容量的比例较大时会对电网的稳定和安全运行带来冲击。针对这一问题,阐述了大规模风电并网后对电力系统稳定性、电能质量、发电计划与调度、系统备用容量等方面的影响。 关键词:风力发电;并网;电力系统;稳定性;电能质量1 风电发展现状 1.1 世界风电发展现状风能是一种蕴藏丰富、分布广泛、清洁而可再生的能源，也是最重要的替代能源之一。 风力发电技术，是产业成熟度最好、市场竞争力最强、最易实现商业化的可再生能源技术。 风力发电无温室气体排放，是二氧化碳减排的有效技术，几乎适用于世界各地。 风力发电的全球需求巨大，并持续增长。 风力发电在截止2011年连续第六年创历史新高。这是继2008年和2009年每年安装的增长率分别为42和35之后，又一创纪录的结果。2011年全球总装机容量为41712兆瓦，年均增长率为6%。累计安装达21%，比2010年低4个百分点。风电的累计增速放缓是开始于2008年9月，是全球金融和经济危机的直接后果。金融危机过去之后，美国市场逐渐有所改善，从2010年的大幅减少到安装6810兆瓦，但是比2009年时的高峰时期仍低30%。美洲地区作为一个整体，从增加了44的安装到2010年减少42的安装。欧洲保持稳定增长，已安装容量10226兆瓦，比2010年安装的数额略少，占世界市场的24.5%。欧洲仍然是迄今为止累计容量最大的大陆，达97588兆瓦，比排在第二位的南亚和东亚多约18.3GW。在两个主要的欧洲市场，西班牙为连续第二年下降（30），而与之相比，德国到2010年实现29的稳定增长。然而，通过新兴市场的显著增长，欧洲受到了鼓舞，尤其是罗马尼亚，波兰和瑞典的新增装机容量。但是尽管欧洲的年跌幅仅有7%，在全球市场份额中却跌到了迄今为止的最低点（40.5%）。这主要是因为在中国的持续快速增长的结果。2011年的观察数据显示全球风能市场比2010年更加多元化。十大市场满足总需求从2010年的86.8%变为86.4%，通过这一事实就可以证明。在过去的五年时间里，世界年均装机容量增长率下降到22.7%，受2011年轻微增长的影响，去年年均增长率为27.8%。在同一时间，平均累计增长率为26%。表一 2006-2011世界风电市场增长率中国市场在过去5年经历了爆炸式的增长。今年的新增装机容量为17631兆瓦，比2010年低了约6.9%，但仍然使中国连续3年成为世界第一大市场。现在的累计装机容量已经达到了62412兆瓦，比排在第二位的美国多约30%。11.2 中国风电开发特点现状我国10m高度层的风能资源总储量为32.26亿kW，其中实际可开发利用的风能资源储量为2.53亿kW。经济增长和能源需求使中国成为世界上最具发展前景的风电市场，“建设大基地，融入大电网”的风电发展战略，对风电接入电网规划和运行带来了新的课题。总的来说，我国风电开发具有以下几个特点：大规模，高集中，远距离。由于以上三个特点，我国风电大规模并网产生了很多急需解决的问题2。2 风力发电机组的并网风电运行有以下的特点：1）风电出力随机性强、间歇性明显风电出力波动幅度大，动频率也无规律性，在极端情况下，风电出力可能在 0100%范内变化。风电出力有时与电网负荷呈现明显的反调节特性。2）风电年利用小时数偏低。根据我国部分省区 2007 年风电年利用小时数统计，风电场年利用小时数参差不齐，一般在 2000h 左右。3）风电功率调节能力差。风机在采用不弃风方式下，只能提供系统故障状况下的有限功率调节。机组本身的运行特性和风资源的不确定性，使得风电机组不具备常规火电机组的功率调节能力。3目前国内外大量采用的是交流异步发电机,其并网方式根据电机的容量不同和控制方式不同而变化。2.1.风力发电机组并网方法(1)直接并网。这种并网方法要求在并网发电机的相序与电网的相序相同,当发电机转速接近同步转速时,即可自动并入电网,自动并网的信号由测速装置给出,而后通过自动空气开关完成并网过程。(2)降压并网。这种并网方法是通过在异步电机与电网之间通过串接电阻、电抗器、自耦变压器等方式,从而降低并网合闸瞬间冲击电流幅值及电网电压下降的幅度。由于电阻、电抗器等元件消耗功率,在发电机并网后,进入稳定进行状态时,必须将其迅速切除。(3)通过晶闸管软并网。这种并网方法是在异步发电机定子与电网之间每相串入一只双向晶闸管连接起来,从而使发电机并网瞬间的冲击电流,得到一个平滑的暂态过程。2.2风力发电机组并网运行方式(1)恒速恒频方式。风力机组的转速不随风速的波动而变化,始终维持恒转速运转,从而输出恒定频率的交流电,但具有简单可靠的优点,但是风能利用率较低。(2)变速恒频方式。风力发电机组的转速随风速的波动作变速运行,但输出恒定频率的交流电。这种方式提高了风能的利用率,但需增加实现恒频输出的整流逆变的电力电子设备,并会带来谐波污染。43 风电并网对电力系统稳定性影响3.1对电网调频调峰的影响风力发电接入电网运行对电力系统的影响是多方面的。风力发电接入电网后，电力网络由一个放射状网络变为一个遍布电源和用户互联的网络。传统配电网中的功率方向总是由配电变压器流向用户侧，接入风电后功率就有可能反向流过变压器，这样对电力系统设计与分析时就不能采用传统的方法，从而带来不便。另外，由于风能的随机性，风电场不利于电网的调频、调峰。在风电机达到额定转速前，其功率与风速的立方成正比，即风速增加一倍，输出功率增加8倍。由于风能的不可预测，风能分布的随机性等因素，风电的出力变化也在相当程度上不可预测和控制。同时，风电的出力变化与电网负荷变化一般都是相反的，即风电功率大时，电网的负荷往往是在下降的，尤其是在一些农灌负荷占相当比重的电网中。在风电场装机总量占全网比重不大的情况下，风电场不会对电网的调频、调峰造成太大的影响，反之就会有不利影响。3.2对稳态电压分布的影响稳态情况下，风电并网的一个显著特点就是引起接入点的稳态电压上升。对于大规模分布式发电并入电网，只要其注入的功率大约小于所接入电网的整体负荷功率的20%，就可以减少线路上的功率损失，从而提升电压水平，因此风力发电并入电网总体上来说是会改善系统的稳态电压分布状态的，但其改善程度随风力发电机的类型、风电场的接入位置、风电场的容量、接入电网系统的R/比值的不同而有差别，如果选择不当会导致过电压。一方面风电场的有功出力使负荷特性极限功率增大，增强了静态电压稳定性；另一方面风电场的无功需求则使负荷特性的极限功率减少，降低了静态电压稳定性，但只要系统的无功供给足够多，则整体上可以认为风电场的并网增加了系统的静态电压稳定性。也就是说，风电并网对电网静态电压稳定性的影响可以是正面的也可以是负面的，它跟风力发电机的运行点是密切相关的。3.3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。因此风电场保护技术的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，但也有可能会影响现有配电网络保护装置的正确运行，这在最初的配电网保护配置和整定时往往没有考虑。54 风电并网对电能质量影响4.1谐波对于风电机组来说，发电机本身产生的谐波是可以忽略的，谐波电压是由电能转换系统、电力电子控制元件和电容器产生的。一台风机在运行期间产生的各种扰动的程度，主要依赖于其装备的电能转换系统的形式。对于定速风电机组来说，在连续运行过程中没有电力电子器件参与，因而也基本没有谐波产生。当机组进行投入操作时，软并网装置处于工作状态，将产生谐波电流，但由于投入的过程较短，这时的谐波注入可以忽略H Q I。变速风电机组则采用大容量的电力电子元件，直驱永磁同步风力发电机组的交直交变频器采用整流后接DC/DC变换，在电网侧采用逆变器输出恒定频率和电压的三相交流电；双馈式异步风力发电机组定子绕组直接接入交流电网，转子绕组端接线由三只滑环引出接至一台双向功率变换器，电网侧同样采用逆变器，定子绕组端口并网后始终发出电功率，转子绕组端口电功率的流向则取决于转差率。不论是哪种变速风电机组，并网后变流器将始终处于工作状态。如果电力电子装置的切换频率恰好在产生谐波的范围内，则会产生很严重的谐波问题。不过，随着电力电子器件的不断改进，这个问题也在逐步得到解决。另外，针对变压器采用或接线，也可以采用Y/ 或/Y减少输入电网的谐波电流，阻止高次谐波从高压流向低压，危害用户，或阻止高次谐波从低压侧流向高压侧，危及整个电力系统。4.2风电并网对系统电压的影响4.2.1 电压波动和闪变在并网风电机组持续运行过程中，由于受塔影效应、偏航误差和风剪切等因素的影响，并网风电机组不仅产生功率波动，同时也产生电压波动和闪变等问题。影响风电机组产生电压波动和闪变的因素很多，比如风况、发电机类型、控制系统和电网状况等等。风况对并网风电机组引起的电压波动和闪变影响最大，尤其是平均风速和湍流强度。随着风速的增大，风电机组产生的电压波动和闪变也不断增大。当风速达到额定风速并持续增大时，恒速恒频风电机组产生的电压波动和闪变继续增大而变速恒频风电机组因为能够平滑输出功率，产生的电压波动和闪变却开始减小。湍流强度对电压波动和闪变的影响也是很大的，两者几乎成正比例增长关系。其次，并网风电机组类型和控制系统对风电机组的电压质量影响也很大。例如，恒速恒频风电机组对P和3P频率比较敏感，会产生较大的电压波动和闪变,但变速恒频风电机组却可以减轻3P频率的影响，变速恒频风电机组运行产生的电压波动和闪变水平远低于恒速恒频风电机组，几乎是恒速恒频风电机组的1/4。再者，并网风电机组公共连接点短路比和电网线路R/X比是影响风电机组引起的电压波动和闪变的重要因素。风电机组公共连接点短路比越大，风电机组引起的电压波动和闪变越小。合适的R/X比可以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，从而使整个平均闪变值有所减轻。研究表明，当线路R/X比很小时，并网风电机组引起的电压波动和闪变很大。当线路R/X比对应的线路阻抗角为60-70%时，并网风电机组引起的电压波动和闪变最小。4.2.2电压跌落异步发电机与电网压降由于当前很多中型和大型的并网风机采用异步电机，风机群并网启动的时候产生的电压波动更加是不可忽视的。异步电机启动的时候通过励磁从电网吸收无功功率，从而影响到电网侧的电压，风机群并接到弱电网的时候这种效果就会被放大，导致电网侧电压的突降。从异步电机吸收无功功率与电网电压的关系图2可以看到，当电压下降向临界电压Ucr逼近时，异步机吸收的无功接近为常量。在超过Ucr以后，吸收无功Q随电压的下降反向增长，这会导致电网电压下降的加剧，使多台电机的同时投入造成电压的急剧下降，甚至引起电压崩溃。4.2.3无功补偿装置对系统电压的影响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，电容器的投切属于离散控制，在补偿量的各个台阶中有功功率的变化引起的无功需求仍要由电网电压提供，影响电网电压。而且在电容器投切过程中势必引起电压的跳变，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。4.2.4风电场的电压特点所有装配异步发电机的风电机组一般配备有电容器组，以减轻电网的无功负担，提高电网运行质量及降低成本。根据上面介绍的情况，在风速及风力机输出功率变化时，其注入电网的有功功率和吸收的无功功率也会有所改变，引起风电场母线及附近电网电压的波动。风力发电机组执行并网和脱网等操作时也可能对电网电压造成冲击。研究表明，风电场电压问题有如下几点值得参考a.风电场注入系统功率较大时，风电场母线及附近地区的电网电压升高。尤其当风电场与系统间等值阻抗数值较大时，电压升高极为严重。b.多台风力发电机组的并网需分组进行，而且间隔时间不应小于30s，否则可能引起10%以上的电压骤降。适当的冲击电容补偿可以减小多台风力发电机并网时的电压降。c.风电场风速增大等情况引起的脱网可能会造成风电场附近地区的电压突降。54.2.5线路阻抗比与电网压降线路阻抗比R/X也是影响系统电压波动的主要因素R/X比值有一临界值，此时电压波动最小。当R/X小于临界值时，R/X比值越小，电压波动越大。而当R/X大于临界值时，R/X比值越大，电压波动也越大。低短路容量水平将限制风电规模的发展。并网点短路水平越高，电网电压波动越小；反之，越大。在风电机组并网起动瞬间，异步发电机剩磁电势较小，从异步发电机等值电路上看，相当于变压器副边短路，起动过程将产生大的起动电流。同时将导致电网电压大的跌落。在风力发电系统中。风能是一个不可预测的能源。有功功率随风速变化而不断变化，如果风电场与电网联接线路的R/X比值比较低，那么在风速波动较大的情况下会使得电网电压有较大幅度的波动，严重时将危及系统的电压稳定；而在R/X比值较高的线路时，可以装设无功补偿设备来抵消随风速变化的有功功率引起的电压波动。因此选择合适的线路R/X比值有利于风电并网系统的电压稳定。4.2.6风电并网对电压跌落的要求在大多数情况下，电压跌落是由于短路故障造成的。对于一个含有大量风电的电网来说，这种情况是不允许的，会影响到电网的稳定性。现在风电发展较快的国家如德国、丹麦及美国等，都已经认识到这个问题，并出台了风电并网的相关要求，对电网电压短时间内跌落情况下，做出了风力机脱网的限制。在电网电压跌落的幅值不高于85%时，风力机必须继续并在网上，发出无功。64.3电网频率的影响风电厂对系统频率的影响取决于风电厂容量占系统总容量的比例,在我国跨区电网互联的形式下,电网规模越来越大,覆盖范围越来越广,风电厂并入系统中,其容量在电网的总容量中所占的比例甚微,对电网频率的影响很小。但是应考虑到如果风电并入到一个小的孤立的电力系统,当失去风电出力后,在常规机组经过一次、二次调频后该系统的频率的降低将有可能突破一般允许的频率偏差范围,此时应考虑增加常规机组的旋转备用。5 对发电计划与调度的影响传统的发电计划基于电源的可靠性以及负荷的可预测性,以这2点为基础,发电计划的制定和实施有了可靠的保证。如果电力系统内含有风电场,由于风电场的出力具有极大的随机性,因此会对发电计划的制定和实施产生较大的影响。风电场如果参与调度计划,则需预测未来24h的发电曲线。在日交易计划的实施过程中,由于负荷的非预期变化和发电机组的非计划停运等,电网调度中心还要进行在线校正发电计划,而校正计划一般需要提前30min下发给电厂和供电公司,如果并网风电场能够预测未来13h的出力,则对电网的调度也是有意义的。6 对系统备用容量的影响如果风电功率的波动特性与电网负荷的波动特性一致,那么风电就有自然调峰的作用,反之,将会使电网的调峰问题变得更加突出。风电场并网后,电网的可用调峰容量减去用于平衡负荷波动的备用容量后,剩余的可用调峰容量都能够用于为风电调峰。如果整个电网可用于风电的调峰容量有限,无法完全平衡风电场的功率波动时,就需要限制注入电网的风