風(fēng)電場并網(wǎng)對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響探析

劉世增 劉秉南 何桐波 楊揚(yáng) 莫一凡

摘 要：本文的主要目的是針對風(fēng)電場并網(wǎng)對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響進(jìn)行簡要的探究分析，并且降低風(fēng)電場并網(wǎng)影響系數(shù)，改善電網(wǎng)電能質(zhì)量，提高電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，促使風(fēng)電場能為我國電力企業(yè)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電場并網(wǎng);電網(wǎng);電能質(zhì)量

在大型風(fēng)力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行的過程中，風(fēng)力會通過輪葉持續(xù)帶動輪轂進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，其持續(xù)由風(fēng)能轉(zhuǎn)化成為機(jī)械動能。然后通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)將其機(jī)械動能在轉(zhuǎn)化成為電能。通過轉(zhuǎn)換器接入電網(wǎng)，最終實(shí)現(xiàn)對于電網(wǎng)的電力輸送。但是在風(fēng)電場并網(wǎng)后會對電網(wǎng)電能質(zhì)量帶來一定的影響，需要針對其影響內(nèi)容進(jìn)行分析，并且找到最終的影響因素。

一、風(fēng)電場并網(wǎng)對電網(wǎng)電能質(zhì)量所造成的具體影響

根據(jù)我國對于風(fēng)電場并網(wǎng)電能質(zhì)量的影響分析，能發(fā)現(xiàn)其受到風(fēng)力大小的影響非常明顯，其中含有各種不同的因素，比如說電網(wǎng)系統(tǒng)布局、風(fēng)能分布等，但是風(fēng)力的大小仍舊成為風(fēng)電場并網(wǎng)對電網(wǎng)電能質(zhì)量而言最重要的因素之一，如果在這一階段下，電網(wǎng)的電能仍舊是不穩(wěn)定的輸出，其對電網(wǎng)電能質(zhì)量而言也不容忽視，其中具體體現(xiàn)在以下幾個不同的方面。

（一）對電網(wǎng)的沖擊

從目前發(fā)展的實(shí)際狀況進(jìn)行分析，電網(wǎng)運(yùn)行期間，使用頻率最高的發(fā)電設(shè)備是異步電機(jī)，并且異步電機(jī)在并網(wǎng)操作期間會產(chǎn)生額定電流，在8～6倍的沖擊電流中，其經(jīng)過了幾百毫秒或者是幾秒后才能夠趨穩(wěn)定的狀態(tài)，如果該電廠的并網(wǎng)容量較大，則可以對于沖擊電流處于忽略狀態(tài)，因?yàn)闆_擊電流并不會對電網(wǎng)的整體運(yùn)行穩(wěn)定帶來過大的負(fù)面影響，但是如果該風(fēng)電場并網(wǎng)處于容量較小的狀態(tài)中，則所形成的沖擊電流則會對電網(wǎng)電壓帶來非常負(fù)面的影響，容易引起電網(wǎng)電壓的驟停，甚至給其他設(shè)備的正常使用帶來不利影響。從目前我國風(fēng)電場并網(wǎng)對于電能電網(wǎng)質(zhì)量的影響狀態(tài)進(jìn)行分析，我國多數(shù)并網(wǎng)型風(fēng)電場機(jī)，即普遍具有發(fā)電規(guī)模較大這一運(yùn)行特征，風(fēng)電場在并網(wǎng)運(yùn)行的過程中，其所接入的電網(wǎng)需要輸出大量的電能，從而不斷地加大了并網(wǎng)型電網(wǎng)電能的輸出功率，其本身走向的是輸出功率高，并且波動性較為明顯的運(yùn)行特征，也就是所謂的風(fēng)電場。對風(fēng)電場的影響系數(shù)、風(fēng)電場在輸出電能時，其自身所帶來的輸出功率浮動波度相對較大。為此，由于其浮動波度的變化，電網(wǎng)受到的影響同樣會越來越明顯，其中最為明顯的就是頻率系數(shù)?；谶@一種情況，應(yīng)考慮到電網(wǎng)本身會受到電能輸出功率所帶來的正面影響和負(fù)面影響，但是其所帶來的幅度變化并不會完全改變電網(wǎng)自身在運(yùn)行時的頻率，也就是說風(fēng)電場輸出電能的功率幅度改變是電網(wǎng)發(fā)生變化的最基本誘因。雖然會引發(fā)一系列的連鎖反應(yīng)，但是其最終并不會對電網(wǎng)帶來過大的影響，其一系列連鎖反應(yīng)包括了電壓降低、部分低壓傳統(tǒng)型機(jī)組出現(xiàn)停機(jī)等問題，其最終帶來的后果是電網(wǎng)自身的運(yùn)行穩(wěn)定性在不斷下降，其頻率也在下降，而導(dǎo)致風(fēng)減小，其中包括了風(fēng)速降低，風(fēng)力減小等，電網(wǎng)自身在運(yùn)行時的穩(wěn)定性也會受到負(fù)面影響。

（二）影響電網(wǎng)頻率與電壓波動、閃變

通過對目前我國大部分風(fēng)電場在運(yùn)行過程中的狀態(tài)進(jìn)行分析，得出一個較為明顯的特征，就是電能的輸出功率不夠穩(wěn)定。進(jìn)而導(dǎo)致各風(fēng)電發(fā)電組在整體運(yùn)行中，其電能的功率出現(xiàn)了一定的波動，該波動幅度較大，如果在情節(jié)嚴(yán)重時，可能會產(chǎn)生一系列的連鎖反應(yīng)。比如說常見的由于電能功率出現(xiàn)波動而影響到了機(jī)動機(jī)端電壓或者是并網(wǎng)點(diǎn)電壓進(jìn)而導(dǎo)致兩個不同地區(qū)的電壓出現(xiàn)波動而產(chǎn)生了電網(wǎng)閃變現(xiàn)象。由于電網(wǎng)的電壓值本身是一個相對的穩(wěn)定值，但當(dāng)風(fēng)電輸出功率出現(xiàn)波動時，就會導(dǎo)致極端的電壓和并網(wǎng)的電壓同時產(chǎn)生波動，其波動的狀態(tài)較為明顯，甚至十分容易導(dǎo)致電能的輸出功率存在問題，其輸出功率的波動幅度同樣得到提升，閃電出現(xiàn)的征兆也會更為明顯。在發(fā)現(xiàn)這一問題時，維修管理人員應(yīng)了解到這是風(fēng)電場并網(wǎng)對電網(wǎng)電能質(zhì)量影響的最重要的內(nèi)容之一。在整個風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的過程中，其受到了多個不同方面因素的影響，比如常見的有風(fēng)剪切、塔影效應(yīng)等，這些都會導(dǎo)致電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性在逐步下降，在情節(jié)嚴(yán)重時還有可能會出現(xiàn)葉輪穩(wěn)定性下降等問題，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率其大幅度波動等，而輸出功率的波動幅度也會隨著川流強(qiáng)度不斷提升，進(jìn)而展現(xiàn)出相對較為明顯的加大現(xiàn)象，由此能得到兩個不同的結(jié)論分別是：第一，當(dāng)前風(fēng)電場并網(wǎng)之所以會對電能電壓產(chǎn)生質(zhì)量影響，是由于大多數(shù)的風(fēng)電場都存在著一個問題，就是機(jī)短路容量小，并且會分布在電網(wǎng)尾端。第二，由于在風(fēng)電場運(yùn)行的整個過程中，其外界因素是人為無法控制的，變化程度無法在短時間內(nèi)對其進(jìn)行確定，甚至出現(xiàn)了電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性在逐步下降等一系列的波動，直接降低了電網(wǎng)電能在使用的質(zhì)量。

（三）對諧波產(chǎn)生影響

風(fēng)電場并網(wǎng)對電網(wǎng)電能質(zhì)量所造成的具體影響不僅包括了電網(wǎng)頻率與電壓波動、閃變等，還有可能會對諧波產(chǎn)生影響。在多數(shù)情況下，電網(wǎng)中的諧波是由鐵磁飽和設(shè)備、電弧設(shè)備以及電子開關(guān)設(shè)備等不同的內(nèi)容共同組合而成。如果僅僅以風(fēng)電機(jī)組的角度進(jìn)行分析，風(fēng)電場并網(wǎng)對發(fā)電機(jī)自身所產(chǎn)生的諧波影響直接選擇忽略不計，其原因是諧波電流的真正來源是風(fēng)電機(jī)組中的電力電子元件。但是不僅要考慮到這種諧波電流，其所需要考慮到的內(nèi)容較多，其中還包括了定速風(fēng)電機(jī)組來說，對該機(jī)組而言，其整個的使用過程中，并不存在電力電子元件設(shè)備，那么則可以證明，在整個風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行的過程中，就不會產(chǎn)生諧波，在這一階段想要直接提高電網(wǎng)運(yùn)行中的穩(wěn)定性，首先要考慮的內(nèi)容就是要求，工作人員直接將并網(wǎng)裝置安裝在其中，最終的目的是方便在后期工作的過程中能產(chǎn)生諧波電流，確保電網(wǎng)使用的穩(wěn)定性和安全性，符合我國對電力企業(yè)的相關(guān)要求。

二、降低風(fēng)電場并網(wǎng)影響系數(shù)、改善電網(wǎng)電能質(zhì)量的有效措施

（一）應(yīng)用改善無功補(bǔ)償技術(shù)

目前我國大部分的風(fēng)電場工作時，所選擇的異步電機(jī)設(shè)備都是感性元件，但是感性元件在使用時存在其獨(dú)有的制約性，也就是無法在無功功率的情況下支持運(yùn)營。想讓電網(wǎng)電能質(zhì)量以及電網(wǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定性得到充足的保障，首先要考慮到的就是我國當(dāng)前電網(wǎng)發(fā)展的實(shí)際狀況，比如說各地區(qū)不同的電網(wǎng)接入點(diǎn)、各地區(qū)的電壓數(shù)值等，可以適當(dāng)?shù)倪x擇無功功率補(bǔ)償量，并且考慮到電網(wǎng)電能的整體質(zhì)量以及風(fēng)電場并網(wǎng)等一系列的影響系數(shù)。在面對這些問題時需要具體的考慮到如何選擇相應(yīng)的措施對該問題進(jìn)行解決。通過以下幾個不同的方式提高風(fēng)電網(wǎng)接入電廠的整體使用質(zhì)量，并且確保電廠的平穩(wěn)：第一，在風(fēng)電場可以建立超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)，在建立該系統(tǒng)后，配備與其型號相當(dāng)?shù)膭討B(tài)無功補(bǔ)償裝置，使用該無功補(bǔ)償裝置可以時時刻刻地了解到在不同地區(qū)的電網(wǎng)實(shí)際狀況，能夠隨時隨地的進(jìn)行無功補(bǔ)償裝置的調(diào)節(jié)，同時制定最為合理的、恰當(dāng)?shù)臒o功補(bǔ)償量，其最終的目的是實(shí)現(xiàn)對整個電網(wǎng)電壓的有效控制，也能夠確保風(fēng)電場的出口處其電壓的穩(wěn)定性，完全滿足風(fēng)電場出口處的裝置凈輸出使用效果，也能夠展現(xiàn)出調(diào)節(jié)功率、降低輸電功率，實(shí)現(xiàn)動態(tài)的波動系統(tǒng)的使用質(zhì)量。

（二）做好風(fēng)電場發(fā)電預(yù)測工作

從當(dāng)前對所有的風(fēng)電場在運(yùn)行時的狀態(tài)進(jìn)行分析時，能發(fā)現(xiàn)風(fēng)電場運(yùn)行的質(zhì)量與風(fēng)能的大小、風(fēng)速、風(fēng)力有著非常密切的關(guān)系，直接決定了風(fēng)電廠自身輸出電能的能力以及輸出電能的功率、電網(wǎng)在運(yùn)行時的質(zhì)量。為此，在整個風(fēng)電場進(jìn)行經(jīng)營管理的過程中，一定要考慮到采取多項管理措施與預(yù)測技術(shù)進(jìn)行工作與學(xué)習(xí)，在風(fēng)電場運(yùn)行的過程中。要求其具有周期性，能夠?qū)罄m(xù)一段時間內(nèi)的風(fēng)能大小進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測，才能夠確保在后期開展風(fēng)力發(fā)電機(jī)組調(diào)度工作時，其預(yù)測的質(zhì)量得到提升，也能夠根據(jù)問題制定出最有效地預(yù)防和解決措施。達(dá)成規(guī)避電網(wǎng)的沖擊或者是由于第二波動而導(dǎo)致的風(fēng)電場發(fā)電預(yù)測工作質(zhì)量在逐步下降的目的。

（三）輕型直流輸電連接電網(wǎng)的使用

近幾年我國的風(fēng)力發(fā)電速度越來越快，整體的技術(shù)手段也有著非常明顯的變化，風(fēng)力發(fā)電的前景可以說是非常良好。特別是隨著資源節(jié)約型社會的建設(shè)，人們利用風(fēng)能來獲取電能的頻率越來越高，其所帶來的不僅僅是環(huán)境保護(hù)，同時也能提高資源的整體利用效率，所展現(xiàn)出的輸出功率以以及波動對于電網(wǎng)電能質(zhì)量而言則會帶來一定的負(fù)面影響，要求所有的工作人員能夠在日常的工作中提高對風(fēng)電場發(fā)電設(shè)備的管理認(rèn)知。多數(shù)情況下想要提高電網(wǎng)電能的整體質(zhì)量，可以應(yīng)用輕直流輸電連接技術(shù)。所謂輕直流輸電連接技術(shù)，主要是以PWN作為基礎(chǔ)的電壓源換流器，其技術(shù)手段極其普遍，具有較強(qiáng)的直流輸電性能，在風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行的整體過程中，由于該技術(shù)的出現(xiàn)能夠順利地解決由于電源分散而出現(xiàn)的輸電走廊問題，其本身具有非常高的自我調(diào)節(jié)控制能力，滿足當(dāng)前我國風(fēng)電場并網(wǎng)后對電網(wǎng)電能質(zhì)量帶來的負(fù)面影響，同時連接電網(wǎng)的使用。除此之外，決定了風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行效率的主要因素是風(fēng)速。隨著各種不同的技術(shù)手段在不斷地進(jìn)行創(chuàng)新與完善，當(dāng)前在進(jìn)行風(fēng)速的預(yù)測過程中，其預(yù)測的質(zhì)量也會進(jìn)一步的得到提升，能夠幫助我國電網(wǎng)的工作人員在最短時間內(nèi)得到最準(zhǔn)確的風(fēng)力發(fā)電性能數(shù)值，并且讓電網(wǎng)更加靈活地容納更多風(fēng)電場。在此基礎(chǔ)之上，作為電網(wǎng)的工作人員還需要了解到，如何不斷增強(qiáng)風(fēng)電場本身的優(yōu)化控制能力，確保風(fēng)電場能夠逐步向著最初的普通發(fā)電機(jī)性能，以便于其在開展調(diào)度工作中其調(diào)度工作質(zhì)量得到顯著的提升，滿足現(xiàn)階段電網(wǎng)系統(tǒng)在運(yùn)行時的安全、穩(wěn)定這一要求。

三、結(jié)語

綜上所述，在當(dāng)前分析風(fēng)電場并網(wǎng)對于電網(wǎng)電能質(zhì)量影響的過程中，一定要考慮到之所以選擇利用風(fēng)力發(fā)電，是由于風(fēng)力發(fā)電所帶來的能源，是環(huán)保的、無污染的自然能源。要求工作人員認(rèn)知在風(fēng)電場發(fā)電設(shè)備管理的過程中如何提高管理的整體效果，并且對其內(nèi)容進(jìn)行有效的優(yōu)化和調(diào)整，最大限度地確保風(fēng)電場的容納能力能夠得到提升，在風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行的過程中也會出現(xiàn)一系列負(fù)面影響，需要對其內(nèi)容進(jìn)行進(jìn)一步的分析，并且根據(jù)現(xiàn)階段的技術(shù)提出相應(yīng)的改變方式。

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作者簡介：劉世增（1988— ），男，漢族，云省大理人，本科，工程師，研究方向：風(fēng)電場并網(wǎng)。