摘要：随着国家和社会对于环保越来越重视，一批如风能发电、太阳能发电等清洁能源开始逐步得到推广和应用，成为电力能源发展的新方向。尤其在风能发电的运用上，已经取得一定的成就，但是仍存在发电规模、质量、稳定性等问题，需要进一步提升科技水平来解决。本文通过对风力发电对电力系统的影响进行分析，结合具体的情况，提出一些合理的意见和建议，以期今后得到更好的应用。
关键词：风力发电；电力系统；影响
1导言
电力资源是一种可再生的清洁资源，对其开发利用不仅能够缓解我国能源紧张的问题，更可以改变传统的发电模式，是我国的发电方式向更加科学和绿的的方向发展。就近年来风力发电的应用情况来看，风力发电不仅缓解了我国电力供应紧张的局面，而且环境效益良好，加之我国的风能蕴藏量巨大，所以未来风力发电的发展非常有前进。
2风力发电意义
一场席卷全国的“电荒”正在威胁中国的经济的发展，全国在12个省缺电的基础上，21个省市区又开始拉闸限电。全国6大电网中，除了东北尚有富余容量外，华北、华东、华中、西北等电网均缺电，形势正日趋严峻。其中华东形势为最，装机容量缺口达到700万千瓦上。据专家测算，如果从2000年开始的缺电计算，“电荒”给国民经济的直接和间接损失累积已超过1万亿人民币。在电力紧缺和能源危机日趋严重的今天，风能作为一种清洁的可再生的能源，日益受到世界各国的重视。风电是目前最具有大规模开发利用前景的能源，也是一种最具有竞争力的非常规能源。风力发电是风能的主要利用形式，风力发电对电力结构的调整以及环境保护将起到重要作用。目前国内外风能开发的发展方向有两方面：一是着重于中小容量风力发电装置的研制，这种发电机组多是为农村或分散的孤立用户设计，技术较成熟，已成批生产并进入商业市场；另一种是发展可与电网并网运行的大型风力发电机组，以缓解总体能源紧张的状况。现在大、中型并网发电已成为风能利用的主要形式。
3风力发电并网对电力系统的影响
在国外有很多国家的风力发电系统已经非常成熟地并入其国家电网，取得了一定的技术成果和经验。但是，由于我国国家电网和国外的电网系统存在很多不同，所以很难借鉴到我国的并网运行上来。目前，风力发电在并网过程中，主要面临的问题是发电规模、质量以及稳定性等，需要认真研究。
3.1风力发电的规模设计问题
尽管近些年风力发电在国内迅速发展，但是总的发电规模以及装机容量与我国国家电网总的装机容量不构成显著的比例，并没有对电力系统构成什么重大的影响。但是由于我国风力资源的分布集中在西部地区，那里气候恶劣，地广人稀，用电负荷量本来就不高，一旦大规模进行风力发电的开发运行，就会对当地的电力系统产生较大的压力，这就导致对我国风力发电产生严重的制约因素。同时在另一方面，由于我国西部地区的风力发电，一般比较受制于气候条件的影响。尽管国内已经为风电场安装风功率预测系统，但是由于受到自然因素的影响比较大，电力生产无法得到有效保障，所以对于国家电网来说，无法形成有效地电力调配，这也导致对于当地的电力系统产生很多不确定的影响，构成安全隐患。这些因素就形成了对于风力发电规模的制约，需要进行科学的研究和分析，才能确保进一步扩大风力发电的规模。
3.2电压波动和闪变对发电质量的影响
风力发电最大的影响因素就是风力大小的不确定性，导致发电机组的运行过程中出现电压波动和闪变等问题，而电压的波动和闪变就会对电网电能质量产生较大影响，这就会对整个电网安全和效率构成威胁。同时，风电发电机组的启动、运行、关闭等操作也会产生电压的波动以及闪变等问题。另外，如果风电机组中的大功率电力电子器件设计不合理，就有可能对电网输入谐波电流，引发电压波的畸变，从而导致一系列的问题产生。因此，这些不稳定的电压以及闪变问题，并网后就会对整个电网的发电质量产生影响，不利于电网安全、稳定运行。
3.3对电网稳定性的影响
风力发电机组与电网的并网点，通常位于电网的末端，这就导致在向电网输电的过程中产生逆向的电流流向和潮流分布的改变，这是之前没有考虑和遇到的问题，所导致的结果就是风力发电机组对于周围的局部电站或线路施加相当大的压力，有可能导致输电线路的崩溃。同时，风力发电机组向电网发电，由于是异步发电机组的功率输出，就会相应地从国家电网吸收无功功率，为了有效补偿发电机组的无功功率损失，需要安装动态无功补偿装置（SVC或SVG），或者更为先进的SVG设备来校正。随着风力发电规模的越来越大，这就导致风力发电机组对于整个国家电网的影响也越来越大，风力发电机组产生的不稳定性因素对于电网的冲击也在相应地增大，一不小心就会使得整个国家电网的系统陷入混乱状态，失去稳定性。
3.4保护装置不能有效运转
在进行风电发电机组的运行过程中，由于机组受到风速的影响比较大，经常发生对接触器的损害，所以要适当安装电动机设备，在必要的时候进行补充运行，但是这就导致风力发电机组与国家电网之间的电流有时会出现双向流动。如果风力发电机组的系统设计时，没有充分考虑到这样的情况，就有可能对原有的保护装置产生损害。同时在风力发电机组产生短路等各种故障的时候，没有形成一部分短路电流，机组的保护装置可以借助这部分电流进行运行，迅速准确查找故障的原因，但是这种设计在保护装置起初的设置中没有考虑到，这就导致保护装置在风力发电系统发生故障的时候不能有效发挥作用。
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4风力发电对电力系统的影响解决方案
4.1风力发电场的规模问题。
4.1.1衡量风力发电规模的两个指标。国内外的风电权威和风电工程技术人员通常采用以下两个指标来描述电力系统中风力发电的规模，并且以此作为评价和计算分析的重要依据：风电穿透功率和风电场短路容量比。风电穿透：指的是风电场装机容量占系统的总负荷的比例。风电场穿透功率极限指系统所能接受的风电场最大容量和系统最大负荷的比值。统计数据表明，风电穿透功率达到15%是非常可行的。风电场短路容量比是对PCC的风电场容量pwind和电力系统的风电场连接点的定义系统的容量比。短路容量表示网络结构强度，短路容量、电气距离的节点和小系统的电源点关系密切。风电场接入点的容量反映了对风力发电注入功率的电流灵敏度。短路能力较强的风电场功率对系统容量的扰动比较小。对风电场容量比这一目标，美洲国家的经验数据是3.5%～5.0%，日本学者认为在10%以内的电路短路比是允许的。
4.1.2风电场最大注入功率的影响因素。最大注入功率的风电设备运行不仅取决于调节能力，与风电场也密切相关。影响风力发电的网络结构系统的主要因素是：风荷过载的能力、风电场与电网的连接方式、调节系统中的常规能力、风力发电机无功功率补偿的类型。为了提高风力发电系统，适当提高风电场无功补偿和X/R较小将有利于提高风电场的最大注入功率。电源电压的高低影响电力系统各节点的电压水平，从而影响风电机组的最大注入功率。考虑的可变因素包括有风电机组接入的系统的运行方式的变化、风电机组无功补偿的情况、风电场与系统联络线的电抗与电组之比（x/r）的大小等等。另外，对于大型并网风电场，其动态特性也是影响其最大注入功率的重要因素，这需要结合动态仿真另行分析。
4.2改善电能质量问题。
4.2.1改善电网结构。按照联结电源和负荷点的电网形状，可分为环形和星形。“环形”：将同电压等级的线路或不同电压等级的线路共同组成一个“环”，优点是提高了供电的可靠性，缺点是运行方式复杂。“星形”：以电厂、变电站为“核心”向外辐射，其供电可靠性较差，但运行方式简单。一般是二者结合应用：大负荷周围或几个大负荷点组合周围采用环形，其它采用星形。按同一电网周波频率是否一致，可分为同步电网和异步电网。交流同步电网上的所有发电机以同一周波同步运行。异步电网则通过换流站和直流线路，或"背靠背"换流站联结，两侧可分别以不同的周波运行。按是否允许分散的最终用户向电网“反馈”电力，分为分布电源电网和集中、固定电源电网。分布电源电网主要是适应新能源开始广泛应用电的需求，美国和欧盟已经尝试立法。
4.2.2为了减缓风电场并网对电网的冲击，通常采用双向晶管（软启动）装置来解决。当风力涡轮发电机达到同步转速，发电机通过双向晶闸管装置并入到电力系统，电流控制双向可控硅的导通角反馈，双向晶闸管触发角从180°到0°逐渐开放，双向可控硅短路，降低冲击电流，采取这种启动方式，能限制风电场并网时冲击电流在1.0~1.6倍额定电流，使对电网的冲击大幅降低。
4.3改善稳定性问题。
4.3.1分组投切电容器。虽然快速电容器对系统无功功率补偿的变化的影响作用明显，但是风的速度对输出的无功功率影响也是很大的。所以，这一组输入电容并不能实现连续调节电压的目的，因为一组电容器的投切次数不是无限的，而且作用也有时间延迟，所以在风的速度快速变化而引起电压波动的时候是无能为力的。因此，这个时候就需要多组电容器，从而对无功功率补偿的变化实现可控。即使在风速变化较大时引起较大的电压波动的情况下，多组电容器也能对其控制，使之达到一个稳定的状态，进一步提高稳定性。
4.3.2静止无功补偿器。①固定电容器和固定电抗器组成的一个无功补偿加滤波支路，该部分适当选择电抗器和电容器容量，可滤除电网谐波，并补偿容性无功，将电网补偿到容性状态。②固定电抗器。③可控硅电子开关。可控硅用来调节电抗器导通角，改变感性无功输出来抵消补偿滤波支路容性无功，并保持在感性较高功率因数。静止无功补偿器（SVC）可以调节动态无功补偿功率，提供动态电流，改善系统的运行。在风电场出口安装动态无功补偿装置，无功功率按电流偏差风场接入点控制的无功补偿，可以稳定风场节点电流，减少对电网电流波动的冲击。改善无功补偿器也可以进一步改善稳定性问题，可以进一步减少对电力系统的影响。④保护装置的调整。风电场的保护装置的配置和整定，通常的做法是根据终端变电站。根据变电站电压设定值和相关设备的具体参数，在最合理的情况下设置风电场的保护装置的相关状态。风电场保护先是主要依靠配电网保护，即在风电场建立初期未通过低电压穿越实验时，进行孤立保护。当通过风电机组的低电压穿越保护措施后，再连接到风电场的系统中，风场自动并网。
5结语
风力发电在目前的电力生产中已经占据了重要的地位，在未来的能源结构中地位的重要性将会进一步显现。所以为了使得风力发电更好的发展，使得风力发电系统圆形更加的安全，一定要积极的利用现代化技术，防患于未然，这样风力发电系统的运行效率才会更高。
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论文作者:蒋禹
论文发表刊物:《电力设备》2017年第16期
论文发表时间:2017/10/17
标签：电网论文; 风力发电论文; 功率论文; 风电场论文; 电力系统论文; 系统论文; 电压论文; 《电力设备》2017年第16期论文;