风力发电并网对电网的影响概述

摘要：智能电网建设中的一个重要方面是解决以风能为代表的可再生能源发电的接入问题。风力发电逐渐以大型风电场的形式并入电网，给电网带来各种影响。下文就风力发电并网对电网的影响进行了探讨

关键词：风力发电并网；电网；影响

中图分类号：U665文献标识码： A 文章编号：

引言

在各种可再生能源发电形式中，风力发电因其技术成熟和成本优势成为最具规模化商业开发前景的新能源发电形式。

一、风力发电基本原理

风力发电机组是一种将风能转化为电能的能量转换装置，包括风力机和风力发电机两大部分，工作过程：空气流动的动能作用在风力机风轮上，推动风轮旋转起来，将空气动力能转变为风轮旋转机械能，风轮的轮固定在风力机轴上，通过传动系统驱动风力发电机轴及转子旋转，风力发电机将机械能转变成电能输送给负荷或电力系统。

二、风力发电并网运行的分析

随着风力发电的快速发展，风电场的并网已成为必然的途径。从风电问世以来，风力发电经历了独立运行方式、恒速恒频运行方式、变速恒频运行方式。当今变速恒频发电系统已成为主流，但风力发电并网仍是热点的研究话题。

不管是哪一种发电类型，并网总是以保证电力系统稳定性为基本原则。风力发电相比于火力发电和水力发电，由于其不稳定性需要更精确的并网控制技术。并网运行时，需满足：电压幅值与电网侧电压幅值相等；频率与电网侧频率相同；电压相角差为零；电压波形及相位与电网侧的电压波形及相位保持一致。这样保证了并网时冲击电流理想值为零。否则，若并网产生很大的瞬时冲击电流，不仅损坏电力设备，更严重的是使电力系统发生震荡，威胁到电力系统稳定性。

从大的方向看，风力发电系统并网分为恒速恒频风力发电机并网和变速恒频风力发电机并网。恒速恒频并网运行方式为风力发电机的转子转速不受风速的影响，始终保持与电网频率相同的转速运行。虽然其结构简单、运行可靠，但是对风能的利用率不高，机械硬度高，而且发电机输出的频率完全取决与转速，如控制不好，并网时会发生震荡、失步，产生很大的冲击电流。所以恒速恒频系统已逐渐退出人们的视线。随着电力电子技术的日益成熟，以变速恒频并网运行方式取而代之。变速恒频风力发电并网系统是发电机转速随着风速的变化而变化，系统通过电力电子变化装置，使机组输出的电能频率控制在与电网频率一致。变速恒频并网方式减少了机组的机械应力，充分的利用风能源，使发电效率大大提高；并网时通过精确合理地控制电力电子变换器，使得并网更加稳定，降低系统因冲击电流过大使电网电压降低从而破坏电力系统稳定性。

并网型风电系统的结构目前风电系统的运行方式常采用独立型、并网型和联合型3种方式，中、大型风力发电机主要采用并网运行方式。并网型风电系统由风能资源、风力发电机组、变频器、控制器及变压器等组成。风力发电机在并网时必须输出50Hz恒定频率的电能，一般可以分为恒速恒频（CSCF）和变速恒频（VSCF）两种调节方式。

1、CSCF 风电系统

该系统目前还在MW级以下的风电机组采用，常用异步或同步两种发电机。优点是结构简单、成本低、过载能力强、运行可靠性高；并网控制系统比较简单；同步发电机既能输出有功功率，还能提供无功功率和电压支撑能力，输出的电能质量高，因此，同步发电机取代异步发电机是风电系统的技术趋势。缺点：当风速迅速增大时，风能将通过桨叶传输给主轴、齿轮箱和发电机等部件，产生机械应力，引起这些部件的疲劳损坏；风电系统直接与电网相耦合，风电特性会直接对电网产生影响，若风速急剧变化，可能会引发电能质量问题；若采用异步发电机，需要无功电源的支持，还需动态无功补偿，并网时冲击电流较大；若采用同步发电机，由于风速随机变化，作用在转子上的转矩很不稳定，使得并网时其调速性能很难达到期望的精度，特别是当重载情况下并网，若不进行有效控制，会发生严重的无功振荡和失步问题。因此，CSCF系统很少采用同步发电机。

2、VSCF 风电系统

优点：根据风速的变化，风力机以不同的转速旋转，减少了对风力机等机械装置的机械应力；通过对最佳转速的跟踪，在可发电的较大风速范围内均可获得最佳功率输出；风力机能够对变化的风速起到一定的缓冲，使输出功率的波动变化减小；通过对风电机组有功和无功输出功率进行解耦控制，并采用一定的控制策略，可以分别单独控制风电机组有功、无功的输出，具备电压的控制能力；实现了发电机转速与电网频率的解耦，降低了风电系统与电网之间的相互影响，并网冲击电流小；若采用双馈异步发电机，则变频器容量仅约为发电机容量的30%，降低了变换器的损耗、造价和体积；若采用同步发电机，可省去齿轮箱，提高效率和可靠性。

缺点：整体结构复杂、成本高、技术难度大；需配备变频器，控制回路多，控制复杂，维护难；若采用同步发电机，则转速较低，极对数较多，且需配备全功率变频器，成本较高，损耗大；若采用双馈异步发电机，要求变频器具有低电压穿越等并网运行能力，控制复杂，投入大。

三、几种常用的并网方式

1、异步发电机的并网技术

目前，异步发电机并网主要有直接、准同期、降压、捕捉式准同步和晶闸管软并网共5 种CSCF 并网方式。

1.1 直接并网方式

此法要求在并网时发电机的相序与电网的相序相同，当异步发电机转速接近同步转速的90%－100%时即可自动并入电网。自动并网的信号由测速装置给出，空气开关自动合闸完成并网。

1.2 准同期并网方式

此法在转速接近同步速时，先通过电容进行励磁建立额定电压，然后对发电机的电压和频率进行调节和校正，使其与系统同步。当发电机与电网两者电压的幅值、频率、相位一致时，将发电机投入电网并网运行。

1.3 降压并网方式

此法在发电机与电网之间串联电阻、电抗器或者自耦变压器，以降低并网时的冲击电流和电网电压下降的幅度。在发电机稳定运行时，需将接入的电阻等元件迅速从电路中切除，以免消耗功率。

1.4 捕捉式准同步快速并网方式

它是将常规的整步并网方式改为在频率变化中捕捉同步点的方法进行准同步快速并网。这种方法可不丢失同期机，并网工作准确、快速可靠，既能实现几乎无冲击准同步并网，对机组的调速精度要求不高，又能很好地解决并网冲击与造价的矛盾。非常适合于风力发电机组的准同步并网操作。但是，这种方法控制复杂，对转速有一定的要求。

1.5 晶闸管软并网方式

此法是近年来发展起来的先进并网方式，它在异步发电机的定子和电网之间每相串入一个双向晶闸管，通过调节晶闸管使导通角逐渐增大来控制并网时的冲击电流，从而得到一个平滑的并网暂态过程。正常运行时，双向晶闸管被短接，异步发电机的输出电流不再经过双向晶闸管，而是通过已闭合的自动开关直接流入电网。并网后应立即在发电机端并入无功补偿装置，将发电机的功率因数提高到0.95 以上。

2、同步发电机的并网技术

由于异步发电机会产生滞后的功率因数且需要进行补偿，而同步发电机可以控制励磁来调节其功率因数为1；异步发电机要靠增加转差率才能提高转矩，而同步发电机只要加大功角就能增大转矩，调速范围更宽，承受转矩扰动能力更强，响应更快。因此，同步发电机正逐步取代异步发电机。同步发电机的并网方式有准同步、自同步和变频器并网3 种方式，其中前2 种、最后1 种分别属于CSCF、VSCF 风电并网方式。

四、我国风力发电及并网发展情况

中国的风电行业的发展速度十分迅猛，几乎是用5年的时间实现了欧美发达国家近30 年的发展进程， 在产业不断进步市场规模快速发展的同时，其面临的挑战和问题也是明显的。首先是中国风电装备的质量水平，包括设备完好率、发电能力等还有待提高，其次并网容量与吊装容量的差别，与国际先进水平相比还有较大差距。如何从装机大国转变成为风电利用大国，成为了中国目前面临的最大问题。而风电并网又是解决这个问题的重中之重。

首先，电网建设是按照常规进行，而风电发展的速度超乎所有人的预期，这使得依据国家风电发展规划进行的电网建设难以满足风电快速发展的需求。电网与风电两者在建设和规划方面存在着严重的脱节正是目前风电并网瓶颈的成因。

其次，风电作为一种间歇性电源，稳定性存在着先天的不足，而这一特性也是电网对风电缺乏兴趣的最主要原因。虽然可再生能源法要求电网全额收购可再生能源发电电量，2008 年颁布的《十一五可再生能源发展规划》中也明确要求电网企业要在2015 年和2020 年接收1%和3%的可再生能源发电，但是这些规定至今没有落到实处，即使电网没有接入可再生能源也并没有得到惩罚。

更深层次来说， 欧美近30 年的风电事业发展是建立在较成熟的自由电力市场的基础之上的，充分利用了市场机制和行政措施两种手段来解决风电发展中的各种问题。而我国的电力市场发展尚不成熟，市场优化资源配置、技术开发、利益分配和微观均衡等基本功还十分欠缺。

五、风电并网对电网运行的影响

1、调峰、调频与备用

大规模风电并网的重要制约因素是电网可为风电提供的调峰能力，必须利用全网的调峰、调频能力进行统一平衡，才能确保全额接受电网和风电安全稳定运行。

当风电功率增加时，常规机组减少出力为风电提供空间。风电功率具有不确定性，系统调峰裕度必须大于风电接入电网功率。风电的反调峰特性，将导致负荷峰谷差增大，使得系统调峰异常困难。由于风电出力不稳定，运行的火电机组被迫大幅度参与系统调频工作，由于火电机组调节速度较慢，难以完全适应风电的大幅度快速变化，导致系统频率出现忽高忽低现象，达不到系统对频率的考核指标。风电出力的随机性和间歇性，将导致系统旋转备用容量增加，影响系统运行的经济性。

2、稳定性

2.1 电压稳定性

对于并网风电场所在的地区电网而言，在风电场处于高出力运行状态时，本来是受端负荷的系统转化成为送端系统，根据世界各国实际的风电场运行经验，其电压稳定性降低的问题仍然存在。这是由于风电场的无功功率特性引起的：风电场的无功负荷可以看作是一个正的无功负荷，由于电压稳定性与无功功率的强相关性，因此风电场引起的电压稳定性降低或电压崩溃现象在本质上与常规电力系统电压失稳的机理是一致的。在常规电力系统中，系统的扰动可以是负荷增加；而在包含风电场的电力系统中，系统的扰动则是风速变化引起的风电场出力的变化甚至是电网发生的大扰动故障。

2.2 频率稳定性

当电力系统遇到扰动时，往往会造成电压降低，并可能导致不具备低电压穿越能力的风电机组故障下跳机。随着风电大规模接入系统，风电在系统比例越来越大，由此导致的有功功率缺额将使频率下降；同时，部分具备低电压穿越能力的风电机组在穿越过程中有功功率降低，也会影响到系统频率，使系统故障范围扩大、影响恶化。

出于保护机组考虑，风机制造厂家多在风电机组的控制保护系统中设定低频/高频跳机定值，如部分风机低频跳机保护定值设定为49 Hz，高于现有部分低频减载装置动作定值，随着风电规模占系统的比例的增大，当发生低频事故时，风机固有控制保护与电网三道防线将可能出现无法协调配合的问题，将直接影响到电网的频率稳定性，特别对于风电所占比例较大的地区电网影响更大。

结束语

随着气候的变迁，环境的恶化，资源的短缺，发展新的清洁可再生能源已成为一种趋势，合理地开发和利用风能成为解决矛盾的一种方法，只要结合我国的实际情况，借鉴国外已有的成果，对我国电网进一步的改造和开发新技术以支撑风电的大规模并网。就可能使“靠天吃饭”的风力发电成为我国解决能源危机和环境压力的一种有效的方法。

参考文献

［1］宋海辉． 风力发电技术及工程［M］ ．北京: 中国水利电出版社， 2009.

［2］黄守道，孙延昭，黄科元．风电机组并网问题研究[J]．电力科学与技术学报，2008，23(2).

［3］姚兴佳宋俊等.风力发电机组原理与应用[M].北京机械工业出版社2009.