王志杰
（内蒙古电力（集团）有限责任公司锡林郭勒电业局 内蒙古锡林郭勒 026000）
摘要：风力发电作为三大电力来源中最新的发电技术，与传统的发电方法不同，具有无污染、可再生的特点。因此，逐渐成为我国重点培养的电力开发项目之一。然而，由于风力发电当中，受到风速以及并网前后相关因素的影响，风力发电的系统频率与电压频率时常会出现不稳定的情况，极大程度上影响了我国风力发电未来的发展，必须及时采取有效的方法解决。基于此，本文主要就风电并网对电力系统调度运行影响进行研究。
关键词：风电并网；电力系统；调度运行
近年来，随着环境污染的加剧和全球范围内资源短缺问题的出现，风电等新能源得到了大力的发展，风电的并网运行也越来越普遍，风电的大量应用给电网注入了活力，也带动了电力行业的迅速发展。风电的应用固然可以减少环境污染，符合可持续发展和低碳生活的目标，但是由于风能具有波动性、随机性和间歇性等区别于常规发电形式的弊端，风电并网后会对电网产生很多影响。大规模风电的接入改变了电网原来的潮流分布和线路的传输功率，其对电网的影响比负荷更加强烈，严重影响着电网的稳定性。
1 风能发电的局限性
风能虽然是一种绿色环保并且发展潜力巨大的新型能源，但它也有自身不可避免的缺陷，因此相比于水力能源的集中性和可操作性，但从稳定性上来讲，风能发电都要逊色不少。因为稳定性，是风能发电最大的短板。因此，如果想要大规模的并入主干电网，势必因为其自身缺陷，造成主干电网运行的不稳定。
1.1 风能的不稳定性
不稳定性是风能发电最大的局限性，这是因其过程性本质属性所决定的。风能的不稳定性主要表现为能源的不可控性、随机性、间歇性、不稳定性，发电机输出电力大小完全取决于风的朝向和速度。
1.2 风能的不可储存性
不可储存性是风能的又一局限性，因此在独立发电机组单独运行时，应配有相应的储能设备以保证发电机组持续不间断运行。
1.3 电厂分部位置偏远
我国的大多数的风电场都集中在西北、华北和东北地区，这些地区风能资源非常丰富，然而风能发电场所在的地理位置相对于其他发电场而言比较偏远。
2风电并网后的系统频率分析
2.1 维持电力系统频率稳定的方法
在传统的科研项目中，我国对电力系统稳定性问题的研究重点，主要集中在电压与功角这两个方面的稳定，却忽略了频率稳定的问题。随着现代化社会的不断发展，电力系统的负荷越来越大，系统频率失稳的情况时常发生，为城市电力系统的正常运行埋下了不安全的隐患，因此，有必要对电力系统频率的稳定性问题展开系统性的研究。由于其动态分析计算过程比较缓慢，无法满足实际应用的需要，所以，可以从静态的角度，通过快速评估法与直接法等方法对其进行估算。
2.2 风电机组并网后的电力系统频率分析
与传统的水利发电和火力发电相比，风力发电的稳定性较差，强弱波动性较为严重，功率输出及其不稳，不受人为控制。随着风力发电产业在我国的兴起与发展，已经形成了较大的、具体化的规模，将风力发电站并入了现代化电网的运行与建设当中，对于稳定风力发展的功率与波动情况具有十分重要的意义。从电力系统的安全运行等方面来看，在我国的电力系统中，风电场从本质上来看，就是一个大型的干扰发生源。为了在今后的工作中更好地开发利用我国的风能资源，为风电场电力系统大小的稳定性产生了巨大的影响。
2.3 实验分析
为了分析风电机组并网后的电力系统频率的变化情况，可以使用算例模型、风速模拟机等工具，对其进行实验。实验主要包括比较风力发电机组并网前后系统频率的变化；风速不同的情况下，风力发电机组并网后对系统频率的影响；风速相同但负荷水平不同的风力发电机组并网后对系统频率的影响。
（1）风力发电机组并网前后系统频率的变化如图1所示。图1中的曲线1代表了风力发电机组并网前的系统频率，曲线2代表了并网后的系统频率。比较来看，风力发电机组并网后，电力系统频率的波动较大，影响效果十分明显。
（2）不同风速的情况下，风力发电机组并网后对系统频率的影响如图2所示。
图1 风力发电机组并网前后系统频率的变化
图2 风力发电机组并网后对系统频率的影响
图2中的线条a、b、c分别代表了相同风力发电机组在并网后，受到不同风速影响系统频率产生的变化情况。从图中的实际情况不难看出，虽然电力系统频率受风速影响产生了波动，其波动频率虽不重合，但基本一致。由此可见，风力发电机组在并网后，风速的改变还是会对其系统频率的波动造成一定的影响，由于风速的不同，造成影响的大小也各不相同。
3考虑风电机滑差的电压稳定分析
将滑差S作为变量，建立风力发电机模型，并且将滑差、负荷以及风速的随机性与间断性融入到潮流算法当中。将潮流算法得出的结果，作为观察电压不稳定节点的参考依据，并为今后的工作提供可靠的指导。与传统的计算分析方法相比，该方法能够更加明确地指出导致系统内电压不稳定的原因，并判断出不稳定电压发生的区域。滑差 S 在风速与负荷随机情况下的电压灵敏度指标如下。
（1）考虑 S 后的潮流计算。
公式：S = n1- n/n1，其中S为滑差；n1为同步转速；n 为转子的速度。Pr =- I2 rRr（1-S）/S，其中 Rr 为异步电动机转子的电阻；S 为滑差。
从上述公式中不难看出，当滑差 S 产生了变化的时候，Pr也随之产生了变化。根据功率平衡原则，风力机组的有功功率应该与其机械功率保持相等。如果功率无法平衡，那么便需要对滑差 S 进行调节，实现二者的相互平衡。考虑了异步风力发电机滑差 S 以及风速的随机性变化后，其潮流计算公式为：
根据此公式便可对其潮流进行计算。
（2）考虑滑差 S 后的灵敏度指标。
通常情况下，在分析系统变量中一些极其微小的数量变化时，可以通过对灵敏度相关指标的测量与计算，来了解电压稳定时的灵敏度。
电力系统潮流方程表达式为 f（x，u，p）=0。
其中，x 相当于其中的状态变量，而 u 则相当于是控制变量，p 作为实际参数来进行使用，例如：有功负荷与无功负荷等。由此，根据潮流可行解点线性化可以得到以下关系式：
其中，S x p 表示的是当状态变量为 x 时，对应的参数 p 变化的灵敏度。
S x u 表示的是当状态变量为 x 时，对应的控制变量 u 变化的灵敏度。
（3）风电并网后的系统电压技术规定。
从实际的情况来看，风电并网后，系统在电压稳定性方面的确受到了一定的影响。为了有效地协调风力发电机与电网之间的运行情况，我国先后出台了相关的技术规定，对并网后的风力发电机组在调度运行的过程中，提出了相应的要求。具体如下。
首先，如果在电网运行的过程中，电压出现震荡的情况，要及时向电网调度相关部门进行报告，不得在电压不稳的情况下私自合闸送电。
其次，此次技术规范对风力发电机组并网后的正常运行电力偏差做出了明确的规定，在±10%之间的电压偏差下，风力发电机组均可正常运行。
最后，一旦风力发电机组的电压偏差超过15%以后，应立即停止其运行，以免造成更大范围的损害。
4大规模风电并网对电力系统的影响
4.1 对电力系统运行稳定性的影响
风能电场在大规模将并入电力主网系统时，由于支持风能发电场运转的电能都属于无输出功的功率类型的电能，这将会直接降低电网主干网络在运行时主网电压的稳定性。因此，在风电大规模并入电力主网系统之前，必须要先调控好风电场所需要的备用额度峰值和波动值，管控好风电输入主网的功率比例，这样才可以保证并网后主网可以安全稳定运行。
目前，主要影响风力发电输出质量的是电压存在的波动和闪变。这是由于风力资源自身的不稳定性造成，再加之风力发电机组自身在运行上的一些局限性，导致风力发电机组成功率呈波动性输出的现象。虽然大部分风电机组采用的并入电网方式都是比较软着陆的形式，但是在机组启动初期，瞬间产生的高于正常值五至六倍额定电流，对主网进行冲击，在小容量的局部电网内，局部主网会因为冲击电压骤然下跌，进而导致局部主网的电压不稳定。即便在机组正常运行的状态下，机组电能输出的稳定性依然受到风速风向等不受人为控制的自然因素的制约，因此电压输出的稳定性依然会成为影响主网电压的一个不稳定因素，风电机组的电压会产生较大幅度的波动和闪变，增大了连接风电机组的公共连接点的短路率；而且在环境风速超过该风力发电机组所能承受的最大输入风速时，风力发电机组将会自动停止运行，如果在同一时段所有机组同时退出，将会直接冲击局部供电网络的稳定性。与此同时，谐波也是我们必须要注意的一大问题。引起谐波的原因主要分两种：一种是恒速发电机组输入主网时的电子装置软启引起的，短促可忽略不记的谐波，另一种是变速机组入网时装置瞬启动引起的谐波。
对于变速机组来说，接入电网的过程是通过整流和逆变装置来完成的，于是电子装置切换带来的频率范围如控制不好，会导致与发电机组连接在一起的补充电容与电网主线路的电抗发生谐振反应，继而产生的谐波反应将会非常严重。
4.2 对电力系统发电计划与调度的影响
在以往的常规型供电计划中，所有发电机组的正常运转和电力输出都是在稳定的电源和电压可预测的承载性的基础上进行的。但在电力系统中大规模并入风力发电场，就会受到风力电厂输出供电不稳定性的影响，由此而带来的不稳定性对于整个供电计划的制定和实施带来的影响都是比较大的。因此，如果将风电场并入主干电网的整体调度计划，就必须将未来二十四小时的供电曲线全部预测出来。而且在每日计划供电过程中，还要将由超出承载量的预期变化和发电机组的非计划内异常停运等情况全部估算在内。并且由调度中心提前半小时将风电场预测报告以及在线计划校正下发供电企业以及电厂。
4.3 对系统备用容量的影响
风电机组的功率波动性是影响备用系统容量的一个重要因素，如果风电功率的波动性与总输出电网负荷相符合，就会起到自然调输电波动节峰值的作用，反之，电网输出中调峰的问题将会变得更加严峻。在风能电场大规模并入供电网络网后，以总电网的可用调峰容量与用于平衡负荷波动的输入功率两者相抵，也可以对风电并网所带来的问题进行改善。
综上所述，本文从电压稳定性以及频率波动等方面对风力发电机并网后，对电力系统调度运行产生的影响进行了分析。通过实践验证，数据计算分析等方法对其研究的内容进行的论证与分析，风力发电作为一项无污染、无能耗的绿色发电工程，在我国电力系统未来的发展过程中，必将承担更加重要的责任与使命。因此，必须要针对风力发电系统中存在的问题进行探讨与研究，推动我国风力发电事业不断的成熟与发展。
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论文作者:王志杰
论文发表刊物:《河南电力》2018年7期
论文发表时间:2018/9/12
标签：电力系统论文; 风电论文; 电压论文; 电网论文; 风能论文; 频率论文; 风速论文; 《河南电力》2018年7期论文;