曩工种技２０１ ２年第６期 学术研讨 大型风电场并网对电网的影响分析 霍兰茹 延安职业技术学院７１６０００陕西延安 摘要随着风电在我国开发力度的加大，风力发电在电网中的比例越来越大，大量风电的接入对电网的稳定运行带来了不可忽 视的影响。本文主要论述了大规模风力发电并网后对电压稳定性、频率、继电保护、电能质量以及调度等方面带来的影响，最后针对 上述问题提出了相应的改善措施。 关键词风电发电并网 电压稳定性电能质量 随着风电在我国开发力度的加大，风力发电正逐步走向规模化和 产业化，风力发电在电网中的比例越来越大，大量大容量风电场直接 接入高压输电网，由于风力资源分布的限制，风电场大多建设在电网 的末梢，网络结构相对薄弱，风电并网已对电网的安全稳定、调度运 行等诸多方面带来影响，并成为制约其容量和规模的严重障碍。因 此，深入研究大规模风电场并网后电力系统的安全稳定和运行控制， 为风电发展的政策制定、风电场的设计和运行提供技术依据，具有重 要的理论意义和实用价值。 １ 风力发电机的并网技术 大规模的风力发电必须要实现并网运行。目前国内外大量采用的 是交流异步发电机，其并网方法与电机的容量和控制方式有关。当前 并网方法有以下几种。 （１）直接并网。要求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时即可并网，自动并网的信号由测速装置给 出，空气开关自动合闸并网。 （２）准同期并网。在转速接近同步转速时，先励磁，建压，然 后对发电机的电压和频率进行调节，使其与系统同步，当发电机的电 压、频率、相位与系统一致时，将发电机投入电网运行。 （３）降压并网。在异步电机与电网之间串接电阻、电抗器，或 自耦变压器，以降低并网合闸瞬间冲击电流幅值及电网电压下降的幅 度。发电机并入电网，进入稳态时，必须将其迅速切除。 （４）软并网。在异步发电机定子与电网间每相串入一只双向晶 闸管，接入晶闸管的目的是将发电机并网瞬间的冲击电流控制在允许 的限度内，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。 大型风电场并网运行多具有以下特点：输入风能的变化有随机 性；大多风电场距离电力主系统和负荷中心较远，所以一般风电场与 地方薄弱电网相联结；含异步发电机的风力发电机组运行时向系统输 送有功功率，吸取无功功率。 ２ 大型风力发电场并网运行引起的问题 ２ １风电接入对电网电压稳定性的影响 大量风电场运行数据表明，风电场对系统的影响主要是电压问 题，主要包括电压波动、闪变以及波形畸变等。随着接入风电容量的 增大，风电场从系统中吸收的无功功率逐渐增大，如果系统不能提供 充足的无功，网内相关节点电压会逐渐降低。特别是在大的风速扰 动、故障方式下，风电还可能使得电网电压失去稳定。大规模风电并 网引起的电压稳定性问题一般认为属于动态范畴，影响动态电压稳定 的因素有很多，主要有以下这些因素。 （１）电网特性。大型风电场接入强电网一般不会发生电压崩 溃，而是容易发生过电压，接入弱电网时，在发生不可控的电压降落 时，由于缺少足够的动态无功补偿，容易出现电压崩溃。 （２）风机的类型。目前广泛应用的风机类型是定速风机和变速 风机两种。定速风机采用的是鼠笼式感应发电机，这类发电机具有减 缓故障后的电压恢复的特性，如果接入弱电网容易导致电压和转子转 速不稳定。变速风机是通过逆变器和电网联接的，逆变器的存在减少 了风电场对电网的冲击，而且故障后的电压恢复也较陕，但是故障发 生时，变速风机会从电网中断开，这样会甩掉大量的风电，带来更大 的负面影响。 （３）风机气动功率调节技术。 （４）风电的穿透功率水平。风电的穿透功率水平是指并入电网 的风电容量占整个电网负荷总容量的比值。风电穿透功率水平大，则 常规发电机组容量相应减少，而带普通感应发电机的风力发电机组对 电压无控制能力，进而会削弱系统的电压稳定性。 （５）无功补偿。风力发电机机端一般都配有无功补偿设备如补 偿电容器，电容器投切过程中势必会引起电压的跳变，当电网电压水 平很低时，电容器发出的无功功率反而减少，风电场对电网的无功净 需求增加，进一步恶化了电压水平，易造成电压崩溃。因此，无功补 偿是影响电压稳定的一个直接因素。 ２．２风电接入对电网频率的影响 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。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。风电场的接入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，当风电场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会比较显著。 ２．３风电接入对继电保护的影响 风力发电接入电网后，电力网络由放射状变为一个遍布电源和用 户互联的网络。传统配电网中的功率方向总是由配电变压器流向用户 侧，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是和电网相连的，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。目前，国内的风力发电机大多采 用异步电机，由于异步电动机本身没有励磁电源，周期分量衰减很 快，如果保护装置动作很陕，则必须考虑风电场短路电流对保护的影 响，保护的配置和整定就要按双电源来考虑。风电场保护的技术难点 是怎样根据有限的故障电流来识别故障的发生，使保护装置快速而准 确的动作。 ２ ４风电接入对电能质量的影响 随着越来越多的风电机组并网运行，风力发电对电网电能质量的 影响引起了广泛关注。风资源的不确定性和风电机组本身的运行特性 使风电机组的输出功率呈波动性，可能会影响电网的电能质量，如电 压偏差、电压波动和闪变、谐波等。 电压闪变是电压波动的一种特殊反映，闪变的严重程度与负荷变 化引起的电压变动相关，在高电压或中压配电网中，电压波动主要 与无功负荷的变化量及电网的短路容量有关。在电网短路容量一定的 情况下，电压闪变主要是由于无功负荷的剧烈变动所致。风力发电机 组大多采用软并网方式，但是在起动时仍会产生较大的冲击电流。风 速的变化和风电机组的塔影效应都会导致风电机组出力的波动，典型 的切换操作如风电机组的启动、停机和发电机切换过程中也会产生闪 变。 风电给系统带来谐波的途径主要有两种：一种是风机本身配备的 电力电子装置可能带来谐波问题。对于直接和电网相连的恒速风机来 说，在连续运行过程中没有电力电子器件参与，因而也基本没有谐波 产生。当机组进行投入操作时，软启动阶段要通过电力电子装置与电 网相连，将产生谐波电流，但由于投入的过程较短，发生的次数也不 多，通常可以忽略。但是对于变速风机则不然，如果电力电子装置的 切换频率恰好在产生谐波的范围内，则会产生谐波问题。另一种是风 力发电机的并联补偿电容器可能和线路电ｆ－，ｎ）Ｒ生谐振。与电压闪变问 学术研讨 Ｉ＝科技２０１ ２年第６期 题相比，风电并网带来的谐波问题不是很严重。 ２．５风电的随机性对电网调度计划的影响 系统的运行具有重要意义，对风速和风电功率进行比较准确的预测， 有利于电力系统调度部门及时调整调度计划，从而有效地减轻风电对 电网的影响，减少电力系统的运行成本和旋转备用，提高风电场在电 传统的调度发电计划的编制及实施，完全基于电源的可靠性和负 荷的可预测性。当系统风电容量达到一定的规模后，风电的随机性和 不可预测性会给传统的调度发电计划的安排和实施带来问题。风力发 电并网以后，如果电力系统的运行方式不相应地做出调整和优化，系 统的动态响应能力将不足以跟踪风电功率的大幅度、高频率的波动， 系统的电能质量和动态稳定性将受到显著影响，这些因素反过来会限 制系统准入的风电功率水平，因此有必要对电力系统传统的运行方式 和控制手段做出适当的改进和调整，研究随机的发电计划算法，以便 正确考虑风电的随机性和间ｇｔ＇ｌ￣特性。 ３应对措施 力市场中的竞争能力。在风电功率无法预测时，电网必须按比较保守 的方案为风电留出足够的备用容量以平衡风功率的波动，而当风电功 率可以预测并且有足够的精度时，将风电功率作为负的负荷叠加到负 荷预测的曲线上，就可以像传统的电力系统调度方式一样根据预测的 负荷与风电功率安排常规机组的发电计划，从而优化发电机组的开机 组合，降低整个电网运行的费用。 风电功率预测的精度与预测方法、预测周期有关。最简单的预测 方法是持续法，即把最近一点的功率观测值作为下一点的预测值。常 用的预测方法有卡尔漫滤波法、时间序列法、人工神经网络法、模糊 逻辑法等，这些方法都是利用风电场功率的时间序列建立模型。 ４结束语 （１）提高电压稳定性的措施。提高无功补偿能力是提高大容量 异步风力发电场接入后电网电压稳定性的重要措施。可以选择安装 动态无功补偿装置如采用静止无功补偿器（ＳＶＣ）、静止同步补偿器 （ＳＴＡＴＣＯＭ）等代替普通的并联电容器组。ＳＶＣ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ＳＶＣ安装在风电场的出口，根据风电场接人点的电压偏差量来 控Ｎｓｖｃ，ｂ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。ＳＴＡＴＣＯＭ的基本原理是将自换相桥式电路 通过电阻或电抗器（包括变压器的漏抗与电路中的其它电抗）或者直 接并联在电网上，根据输入系统的无功功率和有功功率的指令，适当 的调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流 侧电流就可以使该电路发出或者吸收系统所要求的无功电流，实现动 态补偿的目的。ＳＴＡＴＣＯＭ可以快速调节交流电网的无功，具有反应 快速和平滑的调节特性。此外，采用具有电压无功控制能力的双馈变 速风电机组和加强网架结构都能提高电压稳定性。 （２）提高电能质量的措施。目前，大部分补偿装置都能改善和 提高电能质量，此外，并网风电机组的公共连接点短路比和电网的线 路ｘ瓜比是影响风电机组引起的电压波动和闪变的重要因素。风电机 由于风能资源有着间歇性和随机性的特点，因此大规模的风电并 网将对电网的电压稳定性、系统频率、电能质量、继电保护以及调度 计划等产生一定的影响。安装动态无功补偿装置￣ｌｌｓｖｃ、ＳＴＡＴＣＯＭ 可以改善系统的电压稳定性，提高电能质量。对风电功率进行比较准 确的预测，有利于电力系统调度部门及时调整调度计划。随着风力发 电在我国的不断发展，协调风电场并网对电力系统的影响，完善风电 并网技术，依然需要进行大量的研究。 参考文献 ［１】孙涛，王伟胜，戴慧珠风力发电引起的电压波动和闪变ｕｌｌ电网技 术，２００３，２７（１２） 【２】迟永宁，刘燕华，王伟胜，等风电接人对电力系统的影响ｕｌ＿电网技 术，２００７，３１（２） 【３】韩民晓，崔军立，姚蜀军 大量风电引入电网时的频率控制特性Ⅱ】电 力系统自动化，２００８，３２（１） ［４］吴义纯，丁明，张立军含风电场的电力系统潮流计算ｕ Ｊ＿中国电机工 程学报，２（Ｘ）５，２８（４） 组公共连接点短路比越大，风电机组引起的电压波动和闪变越小，合 适的电网线路ｘ 比可以使有功功率引起的电压波动被无功功率引起 的电压波动补偿掉，从而使整个平均闪变值有所减轻。对于由电力电 子元件导致的谐波可以采用有源滤波器（ＡＰＦ）来解决。 （３）加强风电功率的预测工作。风电功率预测对风电场和电力 作者简介霍兰茹（１９８０一），女，工学硕士，延安职业技术学院助 （收稿日期：２０１２一ｎ４—０１） 教。研究方向：电力系统控制和保护。 （接４６页）否直接影响着信息的储存质量问题以及信息的提取速度和 质量问题。信息编码是信息从短时记忆向长时记忆转化，信息从知觉 形式向概念形式，从具体向抽象的转化的组织方式。编码是信息从短 时记忆进入长时记忆的特征。外部事件对该过程的影响方式主要有以 下几种：做笔记、划重点、列图表、写提纲、一表像、联想等。在动作 技能的学习过程中，信息编码的方式最重要的是动觉表像（内部表 像）。编码的作用就是为了方便提取或者是为了在信息之间建立起稳 定的联系，以便于个体从长ｕ，｝ｉｇ忆中找到相关的线索。 （４）回馈。回馈是实现学习控制的必要条件。任何系统只有通 过回馈信息，才能实现控制，这是“三论”的基本原则之一。许多专 家均把回馈作为学习发生的重要机制。布鲁纳在《教育过程》一书中 提出学习行为包括：知识的获得、转化以及评价。其中评价就是对学 习者学习情况的回馈。Ｈ西蒙指出， “只有当学习者知道学习结果如 何时，才能发生学习”。人们通常通过对输出信息的回馈来推断输 入的信息是否在学习者内部发生了变化，比如说人们通常会采用考试 的方式来对学习者是否学会进行考察。可见，回馈在学习过程中的重 要性是不可忽视的。回馈主要是向学习者提供了一种证据，即验证学 习者是否达到了原来的预期以及目前的状况和预期之间还存在有那些 差异。 在的回馈来提供动作技能学习的输出情况，即操作表现情况。主要有 教师和同学对操作表现的评价或者对学习者学习过程的镜面观察或者 是录像观察等等。外在回馈向内在回馈的过渡是学习者动作技能学习 自动化的标志。在动作技能学习的熟练阶段或者自动化阶段，学习者 自我探错能力的提高就是学习者内在回馈机制完善的标志。 ３小结 动作技能的学习是人类学习的一个重要分支，它具有人类学习的 共性特征，而且还具有其本身的特点。通过对动作技能学习的内在过 程的了解和研究将为教师教学选择的外部事件的合理以及科学性提供 理论依据。同时，通过对学习内在机制的研究和探讨，也可以为学习 者形成适合自己的学习策略提供参考。 参考文献 『１］１樊临虎．体育教学ｉｇＣ［Ｍ］．北京：人民体育出版社，２００２ 【２Ｊ ＲＭ加涅学习的条件和教学论【Ｍ］．上海：华东师范大学出版社， ２０００ ［３】张英波动作学习与控制［Ｍ］．北京：北京体育大学出版社，２００３ ｆ４】查有梁．控制论、信息论、系统论与教育科学ｆＭ］．成都：四川省社 会科学院出版社．１９８６ 外部事件对学习的内部过程的影响方式主要有：外在回馈和内在 回馈。外在回馈在动作技能学习的早期具有很高的价值。由于动作技 能学习的早期，学习者还不能对动作技能有着清晰的感知觉，运动系 统工作过程和大脑的信 ￣，ｌＪｎＩ过程还很不协调。所以，需要借助于外 作者简介王国玲（１９６０一），女，新乡职业技术学院体育教研室主 （收稿日期：２０１２－０３—３０） 任，副教授。研究方向：体育教学。