中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司 山西 太原 030001
摘要：风能作为一种清洁的能源，在二十一世纪资源匮乏，环境问题突出的今天有着相当大的吸引力，世界大范围内发展风力发电技术来取代传统的燃煤和燃油火电。在风电发展方面比较先进的是德国和丹麦等国家，我国的风电虽然较之前有了较大的发展，但是和世界先进水平还有较大的差距。在风电发展方面，除了看到其优点以外，缺点也不容忽视，都还要去深入的探索和研究。要使风电大面积发展所要做的工作还有很多。
关键词：风能发电；电网特点；系统影响；并网
风能是一种洁净的、储量极为丰富的可再生能源。受化石能源日趋枯竭、能源供应安全和保护环境等的驱动，风能将是21世纪最有发展前景的绿色能源，是人类社会可持续发展的主要新动力源。近年来，随着《可再生资源法》的颁布实施以及国家对开发利用清洁能源、可再生能源的大力扶持，我国风力发电得到了很大发展，政府对风力发电日益重视，风力发电场装机容量不断增加。我国制订的发展规划中提出风电装机容量到2015年达到7GW，到2020年达到20GW的风电发展目标，同时送出受限的矛盾也日益突出。
一、现有电网的特点
目前采用的是50赫兹同步交流输电供电电网，电网在形成初期电网的特点和各种技术参数就已经基本确立。后期并入电网的各类电能资源必须符合电网初期形成的电位参数和变化规律。这个技术参数主要包括“频率、电压和交流相位”，在电网中起主导作用的“同步”电流成了同化各种入网电流的“主体”电流，其主要表现为电压稳定、频率稳定、相位稳定。电压、频率、相位就成了并网的主体条件。传统发电机用的是同步交流发电机，比如火力发电机在并网初期都有一个与电网合拍即相位相同的调节过程，每一台发电机都是被强大的电网强行拉入同步的。只要做到了“同步”，其相位角便一致，转速便恒定、“频率”相应恒定，电压也随之恒定。而稳定的电压和频率正是高质量的电网所要求的。所以，严格控制发电机发出电流的“相位”，对各类发电机的成功并网具有无可替代的“关键”作用。
二、风能发电的特点
1．风能的能量密度小，为了得到相同的发电容量，风力发电机的风轮尺寸比相应的水轮机大几十倍。
2．风能的稳定性差。风能属于过程性能源，具有随机性、间歇性、不稳定性，风速和风向经常变动，它们对风力发电机的工况影响很大。为得到较稳定的输出电能，风力发电机必须加装调速、调向和刹车等调节和控制装置。
3．风能不能储存。对于单机独立运行的风力发电机组，要保证不间断供电，必须配备相应的储能装置。
4．风轮的效率较低。风轮的理论最大效率为59.3%，实际效率会更低一些，统计显示，水平轴风轮机最大效率通常在20%～50%，垂直轴风轮机最大效率在30%～40%。
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总之，风电的最大缺点是不稳定，风电系统所发出的电能若直接并入电网将影响局部电网运行的稳定性。
三、风力发电并网运行引起的系统影响问题分析
风电机组单机容量和并网运行的风电装机规模越来越大，对系统的影响也越来越明显。与小型风电场不同，大型风电场接入电网后，风电场对电网的影响已从简单的局部电压波动等问题发展到对电网调节控制(调频调峰、经济调度)、电能质量、电网稳定等诸多方面。
（一）对电网调节控制的影响
电网传统的调度（发电）计划的编制及实施，完全基于电源的可靠性、负荷的可预测性。当系统风电容量达到一定的规模后，风电的随机性和不可预测性会给传统的调度（发电）划的安排和实施带来问题。
广东的粤东沿海地区风力资源丰富，随大规模风电场接入其所属电网，首先将带来电网的调节控制问题。风电场的输出功率曲线很重要，与风的大小、方向都相关。各地区风电场的输出功率曲线会有差异，但对电网调节有利的特性情况较少见到，如输出功率曲线与电网负荷特曲线性相近；而较多的情况是对电网不利的特性，如：A午夜时段输出功率较高，而此时电网处在低谷时段。午后时段输出功率很低，而此时电网处在高峰时段。B最高、最低出输出功率差一般较大，可能在50％以上。C基本无调节能力，且其功率呈频繁波动状态。这样，其输出功率特性对电网负荷曲线在非高峰时段成为“反调节”性质，即增加了电网的峰谷差，加大了对电网调峰调频能力的要求，从而增加了电网调节控制的难度。风电场高峰输出功率替代了电网常规能源机组，但因其“反调节”性质而使非高峰时段特别是低谷时段增加了对电网调节能力的要求。于是，电网原有调峰能力的余额，即调峰能力扣除负荷峰谷差后的裕量部分(特别在夏季)、其非高峰时段的电网调节能力余额，成为约束，决定了电网允许接入的最大“综合风电场容量”。
（二）风电接入对电网电压的影响
由于风速为随机变化的量，使得风电场的输出功率具有波动性，风电机组的频繁启停、切换，产生电压的波动、闪变，从而将影响局部电网的电能质量；风电场大量采用电子器件，给电网带来谐波，如并联电容与电抗元件发生谐振会放大谐波效应。必须重视和计算分析风电场造成局部电网的电压波动、闪变和谐波污染问题。目前，由于风电场的规模较小，如南澳电网等，大都在3％及以下，还不能构成重大影响。但随规模的扩大，如在10％及以上时，通过对风电场在不同运行工况下的系统仿真计算，表明电压波动和闪变等可能超出国家有关标准。
（三）风电接入对电网稳定性的影响
风力发电系统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。当风电注入功率增大时，风电场附近局部电网的电压和联络线功率可能会超出安全范围，严重时会导致电压崩溃。
（四）对电能质量的影响
随着越来越多的风电机组并网运行，风力发电对电网电能质量的影响引起了广泛关注。风资源的不确定性和风电机组本身的运行特性使风电机组的输出功率呈波动性，可能会影响电网的电能质量，如电压偏差、电压波动和闪变、谐波等。
风电给系统带来谐波的途径主要有两种：一种是风力发电机本身配备的电力电子装置，可能带来谐波问题。另一种是风力发电机的并联补偿电容器可能和线路电抗发生谐振，在实际运行中，曾经观测到在风电场出口变压器的低压侧产生大量谐波的现象。
（五）风电接入对电力系统运行成本的影响
风力发电的运行成本很低，与火电机组相比可以忽略不计。但是，风力发电是一种间歇性能源，风电场的功率输出具有很强的随机性，目前的预报水平还不能满足电力系统实际运行的需要，在做运行计划时风电是作为未知因素考虑的。为了保证风电并网以后系统运行的可靠性，因此需要在原来运行方式的基础上，额外安排一定容量的旋转备用以响应风电场发电功率的随机波动，维持电力系统的功率平衡与稳定。可见风电并网对整个电力系统具有双重影响：一方面分担了传统机组的部分负荷，降低了电力系统的燃料成本；另一方面又增加了电力系统的可靠性成本。
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论文作者:曹侃
论文发表刊物:《防护工程》2017年第28期
论文发表时间:2018/2/1
标签：电网论文; 风电论文; 电压论文; 风电场论文; 风能论文; 谐波论文; 电能论文; 《防护工程》2017年第28期论文;