初略探讨风电并网对主电网影响

据悉，我国 2008 年风电的装机容量已突破 1000 万 KW，全国有投运的风电场 65 座，中国不久将成为最大的风力发电国家。风力发电的主要特点是随机性与不可控性，主要随风速变化而变化。因此，风电并网运行对主电网运行带来诸多不利影响。分析风电场并网对电网影响是风电事业发展的枢纽技术题目，同时也是电网部分安全、经济运行的一个新课题。

一、风力发电机的类型

分析风电并网的影响，首先要考虑风力发电机类型的不同。

不同风电机组的工作原理、数学模型都不相同，因此分析方法也有所差异。

目前海内风电机组的主要机型有 3 种，每种机型都有其特点。

1.1 异步风力发电机

海内已运行风电场大部门机组是异步风电发电机。

主要特点是结构简朴、运行可靠、价格便宜。这种发电机组为定速恒频机组，运行中转速基本不变，风力发电机组运行在风能转换最佳状态下的几率比较小，因而发电能力比新型机组低。同时运行中需要从电力系统中吸收无功功率。为知足电网对风电场功率因数的要求，多采用在机端并联补偿电容器的方法，其补偿策略是异步发电机配有若干组固定容量的电容器。

因为风速大小随天气环境变化，驱动发电机的风力机不可能常常在额定风速下运行，为了充分利用低风速时的风能，增加全年的发电量，近年广泛应用双速异步发电机。这种双速异步发电机可以改变极对数，有大、小电机 2 种运行方式。

1.2 双馈异步风力发电机

海内还有一些风电场选用双馈异步风力发电机，大多来源于国外，价格较贵。这种机型称为变速恒频发电系统，其风力机可以变速运行，运行速度能在一个较宽的范围内调节，使风机风能利用系数 Cp 得到优化，获得高的利用效率；可以实现发电机较平滑的电功率输出；发电机本身不需要另外附加无功补偿设备，可实现功率因数在一定范围内的调节，例如功率因数从领先 0.95 调节到滞后 0.95 范围内，因而具有调节无功功率出力的能力。

1.3 直驱式交流永磁同步发电机

大型风力发电机组在实际运行中，齿轮箱是故障较高的部件。采用无齿轮箱结构能大大进步风电机组的可靠性，降低故障率，进步风电机组的寿命。目前海内有风电场使用了直驱式交流永磁同步发电机，运行时全部功率经 A-D-A 变换，接入电力系统并网运行。与其他机型比较，需考虑谐波管理题目。

二、风电并网对主电网运行的影响

因为风速变化是随机性的，因此风电场的出力也是随机的。风电本身这种特点使其容量可托度低，给电网有功、无功平衡调度带来难题。

在风电容量比较高的电力网中，可能会产生质量题目。例如电压波动和闪变、频率偏差、谐波等题目 ⑴。更重要的是：系统静态不乱、动态不乱、暂态不乱、电压不乱都需要验证。

当然，相同装机容量的风电场在不同的接入点对电网的影响也是不同的。在短路容量大的接入点对系统影响小。反之，影响就大。

定量分析风电场对主电网运行的影响，要从稳态和动态两方面进行分析。

稳态分析就是对含风电场的电力系统进行潮流计算。在稳态潮流分析中，风电场高压母线不能简朴视为 PQ 节点或 PU 节点。含风电场的电力系统对平衡节点的有功、无功平衡能力提出更高要求，要分别分析含风电场电网在电网大、小运行方式下，是否知足系统的安全不乱运行的各种约束。

因为不同的风电机组的工作原理、数学模型都不相同，因此，对不同类型风电场的潮流计算方法也有所差异。对于异步发电机组组成的风电场。采用风电场、主系统分别迭代的方法：首先要设定风速，取值范围为风机切入风速到切出风速之间。考虑尾流效应，利用 RAHMAN 模型计算出各台风机轮毂处风速。根据各台风机功率风速曲线，计算出各台发电机出力 P，以及整个风电场 ΣP。再设风电场的电压初始设定值值 Uo，在不考虑风电场内部电压损耗的情况下，所有风机出口电压都设为 Uo，从而根据 Uo、P 计算出各台风机的无功功率 Qi 以及整个风电场的 ΣQ。因为风电场己经计算出 P、Q，因此可视为 PQ 节点，代入主系统进行潮流计算，得出风电场电压 U，将设定值 Uo 与计算值U进行比较，修正设定值，重新重复迭代，直至计算收敛 ⑵。

由双馈异步发电机组成的风电场：当双馈异步发电机恒功率因数运行时，要先根据风力机转速控制规律计算转差率 S，再计算风电场发出或吸收的无功功率 Q，然后以 PQ 节点形式代入主系统进行潮流计算迭代。当双馈异步发电机恒电压运行时，以 PQ 节点形式代入电力系统进行潮流计算。在某个设定风速的计算完成后，改变设定风速，进行新一轮的计算。

从上述计算过程可以看出，稳态含风电场电力系统潮流计算的结果，实质上是一个各风速下系统的潮流计算分布情况表。其中风电场零出力、最大、最小出力等3种情况需要着重关注。

动态过程分析，一般采用仿真的方法。要考虑异步发电机、双馈异步发电机等不同发电机的模型以及风速、风力机、桨距调节等环节，用仿真程序 PSS/E、PSCAD、Matlab/Simulink、PSASP 等进行分析。分析的枢纽是各种风力发电机模型的选用。

分析风电并网对主电网的影响，还需考虑风电场无功题目。风电场无功消耗包括：异步风力发电机消耗，双馈异步发电机和直流永磁同步机没有此部门;风机出口升压变压器，因为整个风电场升压变数量众多，有成百上千台，叠加起来数目不小；风电场升压变电站主变压器消耗等。对于由异步风力发电机组成的风电场，应考虑电压不乱性题目。如有必要，可采用动态电压控制设备。

三、风电并网的经济影响

风电场的发电本钱加上公道的利润，构成风电的价格。2006 年施行的<<可再生能源法>>中划定，电网企业必需全额收购可再生能源电量。用度高于常规能源发电均匀上网电价，其电价之间的差额附加到销售电价中分摊。

据统计，全国己建风电场的电价水平在 ( 0.46-1.2 ) 元/(KWh) 之间。目前，海内风电上网电价大概分为：本钱利润电价；特许权招标电价；全省同一电价等 3 种。与火电相，风电上网电价较高。

风电场出力的随机性，可能造成如负荷跟踪、频率控制、备用容量、无功功率和电压调节等电网辅助服务的本钱增加，从而影响了电网企业的效益。

四、结束语

近年来，中国风力发电事业的高速发展有目共睹，跟着风电装机容量的不断增长，风电并网对主电网所带来的技术和经济影响越来越大，该领域的研究不管是对风电发电商，仍是对电网公司都愈显其战略重要性。