风电场并网对电力系统的影响论文.doc

风电厂和电力系统的相互影响风电场并网对电力系统的影响一引言随着世界环境趋恶化风力发电作为一种重要的可再生能源形式越来越受到人们的广泛关注随着风电设备制造技术的日益成熟和风电价格的逐步降低近些年来无论是发达国家还是发展中国家都在大力发展风力发电特别是自世纪年代以来大中型风电场并网容量发展最为迅猛对常规电力系统运行造成的影响逐步明显和加大由此提出了一系列值得关注和研究的问题风力发电之所以在全世界范围获得快速发展除了能源和环保方面的优势外还因为风电场本身所具有的独特优点风能资源丰富属于清洁的可再生能源施工周期短实际占地少对土地要求低投资少投资灵活投资回收快风电场运行简单风力发电具有经济性风力发电技术相对成熟另一方面风电也存在一定的局限性主要表现在风能的能量密度小且不稳定不能大量储存风轮机的效率较低对生态环境有影响产生机械和电磁噪声接入电网时对电网有负面影响二风电接入对电力系统的影响风力发电是一种特殊的电力它以自然风为原动力风资源的随机性和间歇性决定了风电机组的输出特性也是波动和间歇的作为发电机构的异步发电机在发出有功功率的同时需要从系统吸收无功功率且无功需求随有功输出的变化而变化当风电场的容量较小时这些特性对电力系统的影响并不显著但随着风电场容量在系统中所占比例的增加风电场对电力系统的影响会越来越显著本文主要从以下几个方面讨论并网风电场对电力系统的影响包括并网过程对电网的冲击对电网频率电网电压电网稳定性电能质量以及继电保护的影响并网过程对电网的冲击异步电机作为发电机运行时没有独立的励磁装置并网前发电机本身没有电压因此并网时必然伴随一个过渡过程直接并网时流过倍额定电流的冲击电流一般经过几百毫秒后转入稳态异步发电机并网时冲击电流的大小与并网时网络电压的大小发电机的暂态电抗以及并网时的滑差有关滑差越大则交流暂态衰减时间越长并网时冲击电流有效值也就越大风力发电机组与大电网并联时合闸瞬间的冲击电流对发电机及电网系统安全运行不会有太大影响但对小容量电网而言风电场并网瞬间将会造成电网电压的大幅度下跌从而影响接在同一电网上的其他电器设备的正常运行甚至会影响到整个电网的稳定与安全目前可以通过加装软起动装置和风机非同期并网来削弱冲击电流但会给电网带来一定的谐波污染对电网频率的影响风电场对系统频率的影响取决于风电场容量占系统总容量的比例当风电容量在系统中所占的比例较大时其输出功率的随机波动性对电网频率的影响显著影响电网的电能质量和一些对频率敏感负荷的正常工作这就要求电网中其他常规机组有较高的频率响应能力能进行跟踪调节抑制频率的波动考虑到风电的不稳定性当风电由于停风或大失速而失去出力后会使电网频率降低特别是当风电比重较大时会影响到系统的频率稳定性消除该影响的主要措施是提高系统的备用容量和采取优化的调度运行方式当然当电力系统较大联系紧密时频率问题不显著对电网电压的影响风力发电出力随风速大小等因素而变化同时由于风力资源分布的限制风电场大多建设在电网的末端网络结构比较薄弱短路容量较小因此在风电场并网运行时必然会影响电网的电压质量和电压稳定性另外风力发电机多采用感应发电机感应发电机的运行需要无功支持因此并网运行的风力发电机对电网来说是一个无功负荷为满足风力发电场的无功需求每台风力发电机都配有无功补偿装置目前常用的是分组投切电容器其最大无功补偿量是根据异步发电机在额定功率时的功率因数设计的即在额定功率时无功补偿量必须保证功率因数达到设计的额定功率因数一般大于由于分组投切电容器不能实现快速连续的电压调节对快速的电压变化无能为力风力发电对电网电压的影响主要有慢的稳态的电压波动快的电压波动闪变波形畸变谐波电压不平衡即负序电压瞬态电压波动电压跌落和凹陷等对电网稳定性的影响风电接入系统引起的稳定问题主要是电压稳定问题这是由于普通的无功补偿方式为电容器补偿补偿量与接入点电压的平方成正比当系统电压水平降低时无功补偿量下降很多而风电场对电网的无功需求反而上升进一步恶化电压水平严重时会造成电压崩溃风机被迫停机在故障和操作后未发生功角失稳的情况下部分风电机组由于自身的低电压保护而停机风电场有功输出减少相应地系统失去部分无功负荷从而导致电压水平偏高甚至使风电场母线电压越限故障切除不及时会发生暂态电压失稳风电场出力过高有可能降低电网的电压安全裕度容易导致电压崩溃总而言之并网型风电场对于电网稳定性的主要威胁一方面是风速的波动性和随机性引起风电场出力随时问变化且难以准确预测导致风力发电接入系统时潜在安全隐患另一方面是弱电网中风电注入功率过高引起的电压稳定性降低对电能质量的影响风电对于电力系统是一个干扰源风电对电能质量的影响主要有以下三方面前述对电压的影响是最重要的方面风速变化湍流以及风力机尾流效应造成的紊流会引起风电功率的波动和风电机组的频繁启停风机的杆塔遮蔽效应使风电机组输出功率存在周期性的脉动软起动并网时由软起动装置引起的各次谐波风电经并网时由于脉宽调制变换器产生的谐波谐波的次数和大小与采用的变换装置和滤波系统有关对继电保护装置的影响与常规配电网保护不同通过风电场与电力系统联络线的潮流有时是双向的风力发电机组在有风期间都和电网相连当风速在起动风速附近变化时为防止风电机组频繁投切对接触器的损害允许风电机组短时电动机运行此时会改变联络线的潮流方向继电保护装置应充分考虑到这种运行方式其次并网运行的异步发电机没有独立的励磁机构在电网发生短路故障时由于机端电压显著降低异步发电机仅能提供短暂的冲击短路电流此外由于目前一般风机出口电压大都是折算到威更高电压等级侧时其阻抗需乘以因此从侧的等值电路来看风力发电机及相应的低压电缆相当于一个很大的限流电抗短路电流无法送出因此风电接入点的保护配置要考虑到风电场的这一特点总之风电场故障电流主要由公用电网电源提供风电场保护的技术困难是如何根据有限的故障电流来识别故障的发生从而使保护装置快速而准确地动作大容量风电并网电网故障对潮流的影响在电网发生事故时系统电压瞬时发生变化风机在自身保护特性的作用下降低了出力系统潮流重新分布重要联络线潮流变化明显通过电网实际故障经模拟计算故障情况下风电机组出力变化对系统潮流的影响因此在各种工况计算时应充分考虑风电机组出力对计算结果的影响积累风电运行经验对故障期间风电受低电压能机组的实际动作出力变化情况提供基础数据以提高仿真计算的精确度更好地掌握在风电机组并网时的系统运行经验电网电压不平衡对风力发电机组的影响潮流计算是获取电网运行情况和分析电网稳定状态的基础工具一些风力发电的相关研究已经使用了潮流计算这些研究近似认为系统三相平衡潮流可以采用单相代表三相来处理然而为了研究电网的三相不平衡运行三相必须分别计算由于风力发电机并网点电压取决于系统电压而风力发电机组吸收的无功功率及机端电容补偿的无功功率与并网点电压有关因此风力发电机组母线电压无功均为未知量风力异步发电机并入电网发出有功功率吸收无功功率同时电网通过发电机终端电压影响风力发电机组的运行风力发电机组与电网的关系实际上是功率和电压之间的关系通过适当连接电网和风力发电机组的模型可以进行综合仿真仿真步骤如下设是仿真周期的起始时间给出各母线电压各相初始值应用时刻风速和风力发电机组终端电压当前值进行风力发电机组动态仿真计算出风力发电机组有功无功功率进行电网三相潮流计算得到修正后电压应用时刻风速和风力发电机组终端电压当前值进行风力发电机组动态仿真计算出风力发电机组有功无功功率如果有功和无功功率的初始值与修正后的修正值非常接近误差则进入第步否则返回第步是时间步长判断是否仿真周期的截止时间如果此式成立进入第步否则返回第步结束三改善风电场对电网影响的措施风力发电的并网对电网的电能质量和安全稳定运行带来的负面影响可以通过一些有效措施得到改善进一步降低风电对电网的影响无功补偿技术改善风电系统运行性能的无功补偿技术包括风电场出口安装动态的无功调节装置具有有功无功综合调节能力的超导储装置等措施静止无功补偿器可以快速平滑地调节无功补偿功率的大小提供动态的电压支撑改善系统的运行性能将安装在风电场的出口根据风电场接入点的电压偏差量来控制偿的无功功率能够稳定风电场节点电压降低风电功率波动对电网电压的影响可以在四象限灵活调节有功和无功功率为系统提供功率补偿跟踪电气量的波动在风电场出口安装装置充分利用有功无功综合调节的能力可以降低风电场输出功率的波动稳定风电场电压风电场通过轻型直流输电与电网相连轻型直流输电是在电压源换流器技术门极可关断晶闸管及绝缘栅双极晶体管等全控型功率器件基础上发展起来的由于使用了基于控制的结构具有直流输电的优点不仅解决了分散电源接入的输电走廊问题而且其灵活的无功电压调节能力打破了短路容量比对风电场容量的限制同时也改善了交流系统的稳定性和电能质量是风力发电等分散电源与电网相连的一种理想选择变速恒频风力发电机组随着电力电子元件的性价比不断提高未来几年变速恒频电机双馈电机等新型发电机组开始在风机上推广应用风电场可以像常规机组一样承担电压及无功控制的任务以最大限度提高风能的利用效率使用变速恒频风电机组有几种方案可供选择采用通过电力电子装置与电网相连的同步发电机或者采用变速恒频双馈风力发电机实现风机以最佳叶尖比运行比变桨距控制的实现更简单更经济四结论风力发电是目前除水力发电以外最现实技术最成熟且最具有规模效益的清洁能源发电方式近年来并网型风力发电在世界范围内得到快速发展我国的风力发电也展现出蓬勃的生机然而随着风电场规模的不断扩大风力发电这种不稳定的分散电源特性对电网的影响愈加显著随着风力发电技术的发展可以通过采用有效措施来改善风电场运行性能降低风电对电网的影响根据供电系统的供电情况和各类用户用电规律合理地安排用户的用电时间鼓励低谷用电压低高峰用电可以大大节约变压器电能损耗同时也可以节约线路和整个电网的损耗达到节约电能的目的五参考文献王承煦张源风力发电北京中国电力出版社李庚银吕鹏飞李广凯等轻型高压直流输电技术的发展与展望电力系统自动化雷亚洲与风电并网相关的研究课题电力系统自动化关宏亮赵海翔电力系统对并网风电机组承受低电压能力的要求电网技术吴学光王伟胜戴慧珠风电系统电压波动特性研究风力发电