大规模风电接入对电力系统电能质量和继电保护的影响

刘建超

摘要：在电网建设中，将风电系统应用其中，这给清洁能源的使用效率带来了重要的保证，不过其在应用过程中也使传统电网的结构质量产生了一定的变化，为此本文笔者将详细探讨风电接入对电力系统电能质量以及继电保护的影响，并对其中存在的问题提出合理的解決措施，以此促进我国风电建设。

关键词：风电系统；电力系统；继电保护

在电网建设中，使用新能源进行电能的输送可以有效的缓解我国的能源危机，但同时也为电力系统的运行带来了新的挑战。下文就将阐述风电接入对电力系统运行带来的影响，并对其中存在的问题进行合理的改进。

1 风力发电的特征及其发展状况

为了缓解我国能源匮乏的情况，我国加大了风力发电技术使用效率，根据近几年数据的统计，我国风电并网装机容量已经跃居全球第二位，为提升能源利用效率，满足现今对电能的需求提供了重要的保证。风力发电具有的明显特征为：首先，随着装机数量的逐年增长，其在我国电能传输中占有较大的比例；其次单一风电场装机容量不断增大；再次，风电接入使电网内的电压等级逐渐升高；最后，随着风电机组样式的增多，单机容量也在快速的扩展。不过在风能的使用过程中，由于其自身具有随机性、间歇性以及不稳定性等特点，一旦风电装机容量超过限定的电网容量时，将会对电网运行的安全和稳定带来严重的影响，进而导致电力系统故障的产生，增加了电能传输的危险性。

2 风电接入对电能质量的影响

2.1 电压存在偏差

风力发电机组在运行过程中，需要从系统中吸收大量的无功功率，进而导致风电场内的电压处于较低的状态下，如果该区域内的电压等级相对较低，且系统容量较小，其电压将会更低，需要将极端电容器并联，这样才能更好的进行无功补偿。

2.2 电压出现波动和闪变的现象

波动和闪变的情况主要是由两种因素导致的：一是由于功率波动引起的。而功率的波动则是由于风速的变化、塔影效应以及风力机自身的性能所导致的。二是操作切换造成的。其中最为明显的影响因素就是风电机组的启动、暂停以及发电机切换作业，这些操作会导致输出功率存在相应的变动，进而使共联点的电压出现变动，造成波动和闪变的情况。

2.3 谐波

谐波的的产生途径主要可以分为以下两种情况：

1）由于风力发电机自身的电力电子配置导致的；

2）风力发电机中并联补偿容器与线路电抗发生谐振导致的。且在电力系统运行中，电压波形都是以中心对称的形式出现，因此不存在偶数谐波，都是奇数谐波。其中3、9次谐波可以利用变压器的变速绕组进行有效的隔离；而11、13次谐波是电网中比重较轻的一种，因为其频率过高，在传输过程中衰减的速度较快，故而可以忽略不计。电网中存在较多谐波的是5、7次谐波。所以在谐波管控过程中，需要结合谐波产生的数量，准确的计算公接入点上谐波电压畸变和电流注入的数值，之后通过与规定数值对比的方式，确定其是否有超出的情况，一旦发现数值超出原定值，需要采取有效的措施对其实行合理的控制，降低谐波的电流，保证系统运行的安全性。

3 电能质量的改善措施

3.1 确保数值的标准性

风电场公共连接点与电力调整期以及线路电抗之间的比例关系是影响电压波动以及闪变的关键因素。其比例数值越大，风力电阻机中电压波动和闪变就越小。相反，如果其比例制在规定的范围内，那么无功功率将会对有功功率的电压进行有效的补偿，从而降低闪变的平均数值，保证电网安全运行。另外还可以通过设置相应的电容器组，实现抑制电压偏差和变动的效果。

3.2 提升电压稳定性

1）无功补偿。为了确保大容量异步风电场接入后电压的稳定性，可以采取加强无功补偿效果的措施进行稳固。另外，还可通过增大电容器补偿功率的方式，来确保系统短路后电压的稳定性，或者利用动态无功补偿设备的安装，来为电压的稳定运行提供支持，从而改善系统运行的效率，保证电压的稳定。

2）双馈异步发电机。该设备是现今风力电场中使用最为广泛的核心设备，其工作的原理为，将双馈机组中的定子与电网实行有效连接，再将双脉宽调制器同电网连线，从而实现转子之间的交流励磁，并利用坐标变换的方式，将转子交流励磁电流中的有功、无功功率进行解耦，以此达到有功功率与无功功率之间的灵活转换，该设备可改善功率因数，提高系统的稳定性。

3）储能装置。储能装置可以对有无功功率进行综合的调节，从而提高响应速度，加快转换效率。另外该装置还可以对有功功率和无功功率实行单独的控制和调节工作，增强了功率输出的灵活性，有效的降低了风电场功率的波动现象，确保电压的稳定。

3.3 合理的调整保护装置

首先在风电接入过程中，要充分的了解风电中故障点流动情况，进而设置合理的配电网保护措施，保证电网运行的安全；其次，在风电场保护装置的整定和配置时，须考虑风电场与电网之间联络线的功率流向。目前通常的做法是，按照终端变电站的方案展开配置和整定工作。主要依靠配电网的保护来切除系统的故障，然后采用孤岛保护、低电压保护等措施，逐台切除风力发电机组，从而在故障期间断开风电场与系统的连接，而当故障清除后，控制风电场自动重新并网。不过该方式并不适用与大型的风电接入操作，其会大大的降低系统的安全性和可靠性。

4 风电对继电保护的影响及其改进措施

4.1 影响

风电接入后对电力系统的影响主要可以概括为以下三点内容：首先对继电保护装置的影响。如果将风电接入电力系统中，为了保证系统的正常运转，需要适当的调整升压变压器，使其接地。不过该项操作在一定程度上改变了联络线的零序保护，从而导致继电保护装置的灵敏度下降。同时，由于风电场自身的能力较弱，无法保证整个系统的正常运转，因此需要安装相应的弱馈装置，来提高电力系统运行的稳定性。不过综合考虑成本等各方面的因素，一些发电厂根本就不愿意安装保护装置，这就极有可能出现拒动的现象。

其次，为了保证大规模风电接入的质量和效果，在接入工作前，要先对设计的内容进行审核和调整。目前，我国在进行风电接入时，都是采用增加电压，连接变电站母线的方式，实现电压输送工作的。其不会对配电网的保护措施构成不良的影响。但是如果是大规模的风电接入，很容易导致接入线路的保护措施出现不同程度的问题，进而造成断电、跳闸等情况的发生。

最后，对电力运行稳定性的影响。在我国实施风力发电时，通常借助的是异步发电机，这就涉及到有功功率的发出问题。在这一过程中，需要从系统中吸收无功功率。而大规模风电接入后，无功功率将会影响整个系统的电压稳定性。另外，风力发电的效果会随着风力的变化而变化，且不同规格及类型的发电机所产生的谐波也存在一定的差异，一旦出現设备更换情况将会严重的影响电网频率的稳定性，进而使整个系统电压不稳。

4.2 改进措施

在大规模风电接入作业时，为了保证电网运行的稳定性，需采取一系列的措施，有效的解决接入中存在的问题，保证电力系统的正常运转。具体内容为：

①充分考虑各方面的影响因素，提升系统设计的质量。相关人员需要引进先进的技术，全面考量各方面因素的影响，合理的调整工作内容，确保接入工作的正常运转。比如说，输电方式的选择、保护配置的调控等，都需要有关人员制定合理的操作方案，减少损失的产生。

②明确风电接入操作后跳闸情况的产生原因，并有针对性的制定合理的解决措施。这需要工作人员对零电压穿越的时间进行有效的管理和控制，通常情况下，会将其持续的时间控制在3到5分钟之内，从而减少跳闸对大规模风电接入的影响。

③充分利用保护联跳措施。在风电机使用之前，工作人员需要在两侧设置相应的保护联跳措施，以此保证在短路电流和继电保护连接状态下，实现电流的阻隔，以提升电力系统运行的安全性、稳定性。另外，由于继电保护对于用户的电能使用有着直接的影响，一旦在电气设备出现故障，继电保护出现问题时，将会使电能输送发生异常，为此工作人员在继电保护设置时，应利用故障快速切除的方式找出电气设备中存在的问题，并提出合理的解决措施，减少问题的发生。而对于新建的风电厂来说，可以使用电阻接地的方式解决问题，并根据实际情况设计相关的故障保护。

5 结语

在环保理念以及能源需求的影响下，我国正在不断的加快风电事业的发展速度，不过由于风电接入对电网电能质量以及继电保护带来了很多的制约，使得电力系统在运行过程中，出现了较多的问题和故障，严重的威胁了电能传输的效率和安全，因此，有关人员应结合具体情况制定合理的保护过措施，从而提升风电的安全性和可靠性，加强其余电力系统运行的配合效率，为我国电力行业的发展贡献力量。

参考文献：

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