[摘要]：由于風(fēng)電場(chǎng)是一種依賴于自然能源的分散電源，同時(shí)目前大多采用恒速恒頻異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其并網(wǎng)運(yùn)行降低了電網(wǎng)的穩(wěn)定性和電能質(zhì)量。著眼于并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)與電網(wǎng)之間的相互影響，特別是對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性以及電能質(zhì)量的影響，對(duì)大型風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行中的一些基礎(chǔ)性的技術(shù)問題進(jìn)行了研究。
??????? [關(guān)鍵詞]:風(fēng)電場(chǎng)；并網(wǎng)；現(xiàn)狀分析。
??????? 一、引言
??????? 風(fēng)力發(fā)電作為一種重要的可再生能源形式，越來越受到人們的廣泛關(guān)注,并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電以其獨(dú)特的能源、環(huán)保優(yōu)勢(shì)和規(guī)?；б?，得到長(zhǎng)足發(fā)展,隨著風(fēng)電設(shè)備制造技術(shù)的日益成熟和風(fēng)電價(jià)格的逐步降低，近些年來，無論是發(fā)達(dá)國(guó)家還是發(fā)展中國(guó)家都在大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電。
??????? 風(fēng)力發(fā)電之所以在全世界范圍獲得快速發(fā)展，除了能源和環(huán)保方面的優(yōu)勢(shì)外，還因?yàn)轱L(fēng)電場(chǎng)本身所具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)：(1)風(fēng)能資源豐富，屬于清潔的可再生能源；(2)施工周期短，實(shí)際占地少，對(duì)土地要求低；(3)投資少，投資靈活，投資回收快；(4)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行簡(jiǎn)單，風(fēng)力發(fā)電具有經(jīng)濟(jì)性；(5)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)相對(duì)成熟。
??????? 自20世紀(jì)80年代以來，大、中型風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)容量發(fā)展最為迅猛，對(duì)常規(guī)電力系統(tǒng)運(yùn)行造成的影響逐步明顯和加大,隨著風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，風(fēng)電特性對(duì)電網(wǎng)的負(fù)面影響愈加顯著，成為制約風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)規(guī)模的嚴(yán)重障礙。因此深入研究風(fēng)電場(chǎng)與電網(wǎng)的相互作用成為進(jìn)一步開發(fā)風(fēng)電所迫切要求解決的問題。其局限性主要表現(xiàn)在：(1)風(fēng)能的能量密度小且不穩(wěn)定，不能大量?jī)?chǔ)存；(2)風(fēng)輪機(jī)的效率較低；(3)對(duì)生態(tài)環(huán)境有影響，產(chǎn)生機(jī)械和電磁噪聲；(4)接入電網(wǎng)時(shí)，對(duì)電網(wǎng)有負(fù)面影響。
??????? 二、我國(guó)風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量現(xiàn)狀
??????? 根據(jù)中國(guó)風(fēng)能協(xié)會(huì)發(fā)布《2012年中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量統(tǒng)計(jì)》報(bào)告中數(shù)據(jù)顯示，2012年，中國(guó)（不包括臺(tái)灣地區(qū)）新增安裝風(fēng)電機(jī)組7872臺(tái)，裝機(jī)容量12960MW，同比下降26.5%；累計(jì)安裝風(fēng)電機(jī)組53764臺(tái)，裝機(jī)容量75324.2MW，同比增長(zhǎng)20.8%。
??????? 2001-2012 年中國(guó)新增及累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量區(qū)域裝機(jī)情況圖（引自《2012年中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量統(tǒng)計(jì)》）
??????? 2006-2012 年中國(guó)各區(qū)域累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量圖（引自《2012年中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量統(tǒng)計(jì)》）
??????? 三、風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)的影響
??????? 風(fēng)力發(fā)電是一種特殊的電力，它以自然風(fēng)為原動(dòng)力，風(fēng)資源的隨機(jī)性和間歇性決定了風(fēng)電機(jī)組的輸出特性也是波動(dòng)和間歇的。作為發(fā)電機(jī)構(gòu)的異步發(fā)電機(jī)在發(fā)出有功功率的同時(shí)，需要從系統(tǒng)吸收無功功率，且無功需求隨有功輸出的變化而變化。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)的容量較小時(shí)，這些特性對(duì)電力系統(tǒng)的影響并不顯著，但隨著風(fēng)電場(chǎng)容量在系統(tǒng)中所占比例的增加，風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電力系統(tǒng)的影響會(huì)越來越顯著。本文主要從以下幾個(gè)方面討論并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電力系統(tǒng)的影響，包括并網(wǎng)過程對(duì)電網(wǎng)的沖擊、對(duì)電網(wǎng)頻率、電網(wǎng)電壓、電網(wǎng)穩(wěn)定性、電能質(zhì)量以及繼電保護(hù)的影響。
??????? 1、并網(wǎng)過程對(duì)電網(wǎng)的沖擊
??????? 異步電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，沒有獨(dú)立的勵(lì)磁裝置，并網(wǎng)前發(fā)電機(jī)本身沒有電壓，因此并網(wǎng)時(shí)必然伴隨一個(gè)過渡過程。直接并網(wǎng)時(shí)，流過5～8倍額定電流的沖擊電流，一般經(jīng)過幾百毫秒后轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)。異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時(shí)沖擊電流的大小，與并網(wǎng)時(shí)網(wǎng)絡(luò)電壓的大小、發(fā)電機(jī)的暫態(tài)電抗以及并網(wǎng)時(shí)的滑差有關(guān)?；钤酱?，則交流暫態(tài)衰減時(shí)間越長(zhǎng)，并網(wǎng)時(shí)沖擊電流有效值也就越大。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與大電網(wǎng)并聯(lián)時(shí)，合閘瞬間的沖擊電流對(duì)發(fā)電機(jī)及電網(wǎng)系統(tǒng)安全運(yùn)行不會(huì)有太大影響。但對(duì)小容量電網(wǎng)而言，風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)瞬間將會(huì)造成電網(wǎng)電壓的大幅度下跌，從而影響接在同一電網(wǎng)上的其他電器設(shè)備的正常運(yùn)行，甚至?xí)绊懙秸麄€(gè)電網(wǎng)的穩(wěn)定與安全。目前可以通過加裝軟起動(dòng)裝置和風(fēng)機(jī)非同期并網(wǎng)來削弱沖擊電 流，但會(huì)給電網(wǎng)帶來一定的諧波污染。
??????? 2、對(duì)電網(wǎng)頻率的影響
??????? 風(fēng)電場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)頻率的影響取決于風(fēng)電場(chǎng)容量占系統(tǒng)總?cè)萘康谋壤?。?dāng)風(fēng)電容量在系統(tǒng)中所占的比例較大時(shí)，其輸出功率的隨機(jī)波動(dòng)性對(duì)電網(wǎng)頻率的影響顯著，影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量和一些對(duì)頻率敏感負(fù)荷的正常工作。這就要求電網(wǎng)中其他常規(guī)機(jī)組有較高的頻率響應(yīng)能力，能進(jìn)行跟蹤調(diào)節(jié)，抑制頻率的波動(dòng)。考慮到風(fēng)電的不穩(wěn)定性，當(dāng)風(fēng)電由于停風(fēng)或大失速而失去出力后，會(huì)使電網(wǎng)頻率降低，特別是當(dāng)風(fēng)電比重較大時(shí)，會(huì)影響到系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。消除該影響的主要措施是提高系統(tǒng)的備用容量和采取優(yōu)化的調(diào)度運(yùn)行方式。當(dāng)然，當(dāng)電力系統(tǒng)較大、聯(lián)系緊密時(shí)，頻率問題不顯著。
??????? 3、對(duì)電網(wǎng)電壓的影響
??????? 風(fēng)力發(fā)電出力隨風(fēng)速大小等因素而變化，同時(shí)由于風(fēng)力資源分布的限制，風(fēng)電場(chǎng)大多建設(shè)在電網(wǎng)的末端，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較薄弱(短路容量較小)，因此在風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)必然會(huì)影響電網(wǎng)的電壓質(zhì)量和電壓穩(wěn)定性。另外，風(fēng)力發(fā)電機(jī)多采用感應(yīng)發(fā)電機(jī)，感應(yīng)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行需要無功支持，因此并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)對(duì)電網(wǎng)來說是一個(gè)無功負(fù)荷。為滿足風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的無功需求，每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)都配有無功補(bǔ)償裝置。目前常用的是分組投切電容器，其最大無功補(bǔ)償量是根據(jù)異步發(fā)電機(jī)在額定功率時(shí)的功率因數(shù)設(shè)計(jì)的。即在額定功率時(shí)無功補(bǔ)償量必須保證功率因數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)的額定功率因數(shù)，一般大于0．98。由于分組投切電容器不能實(shí)現(xiàn)快速連續(xù)的電壓調(diào)節(jié)，對(duì)快速的電壓變化無能為力。風(fēng)力發(fā)電對(duì)電網(wǎng)電壓的影響主要有慢的(穩(wěn)態(tài))的電壓波動(dòng)、快的電壓波動(dòng)(1~lJ閃變)、波形畸變(1llJ諧波)、電壓不平衡(即負(fù)序電壓)、瞬態(tài)電壓波動(dòng)(1~lJ電壓跌落和凹陷)等。
??????? 4、對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響
??????? 風(fēng)電接入系統(tǒng)引起的穩(wěn)定問題主要是電壓穩(wěn)定問題。這是由于：???????????????????? (1)普通的無功補(bǔ)償方式為電容器補(bǔ)償，補(bǔ)償量與接入點(diǎn)電壓的平方成正比，當(dāng)系統(tǒng)電壓水平降低時(shí)，無功補(bǔ)償量下降很多，而風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電網(wǎng)的無功需求反而上升，進(jìn)一步惡化電壓水平，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成電壓崩潰，風(fēng)機(jī)被迫停機(jī)；
??????? (2)在故障和操作后未發(fā)生功角失穩(wěn)的情況下，部分風(fēng)電機(jī)組由于自身的低電壓保護(hù)而停機(jī)，風(fēng)電場(chǎng)有功輸出減少，相應(yīng)地系統(tǒng)失去部分無功負(fù)荷，從而導(dǎo)致電壓水平偏高，甚至使風(fēng)電場(chǎng)母線電壓越限；
??????? (3)故障切除不及時(shí)，會(huì)發(fā)生暫態(tài)電壓失穩(wěn)；
??????? (4)風(fēng)電場(chǎng)出力過高有可能降低電網(wǎng)的電壓安全裕度，容易導(dǎo)致電壓崩潰。總而言之，并網(wǎng)型風(fēng)電場(chǎng)對(duì)于電網(wǎng)穩(wěn)定性的主要威脅，一方面是風(fēng)速的波動(dòng)性和隨機(jī)性引起風(fēng)電場(chǎng)出力隨時(shí)問變化且難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電接入系統(tǒng)時(shí)潛在安全隱患；另一方面是弱電網(wǎng)中風(fēng)電注入功率過高引起的電壓穩(wěn)定性降低。
??????? 5、對(duì)電能質(zhì)量的影響
??????? 風(fēng)電對(duì)于電力系統(tǒng)是一個(gè)干擾源。風(fēng)電對(duì)電能質(zhì)量的影響主要有以下三方面(前述對(duì)電壓的影響是最重要的方面)：
??????? (1)風(fēng)速變化、湍流以及風(fēng)力機(jī)尾流效應(yīng)造成的紊流，會(huì)引起風(fēng)電功率的波動(dòng)和風(fēng)電機(jī)組的頻繁啟停，風(fēng)機(jī)的桿塔遮蔽效應(yīng)使風(fēng)電機(jī)組輸出功率存在周期性的脈動(dòng)；
??????? (2)軟起動(dòng)并網(wǎng)時(shí)，由軟起動(dòng)裝置引起的各次諧波；
??????? (3)風(fēng)電經(jīng)AC／DC／AC并網(wǎng)時(shí)，由于脈寬調(diào)制變換器產(chǎn)生的諧波。諧波的次數(shù)和大小與采用的變換裝置和濾波系統(tǒng)有關(guān)。