目前，我國風電發(fā)展進入一個快速發(fā)展時期，2006年是我國實施《可再生能源法》的第一年，風電建設步伐明顯加快，到2006年底，裝機總?cè)萘窟_到約230萬kW。由于風力發(fā)電機組常采用不同于傳統(tǒng)同步發(fā)電機組的發(fā)電技術(shù)，其穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)特性都與傳統(tǒng)同步發(fā)電機組不同;大規(guī)模風電并網(wǎng)后，電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性、暫態(tài)穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性都會發(fā)生變化。

隨著我國對風電建設力度的加大,風電裝機規(guī)模不斷增加,大規(guī)模風電并網(wǎng)對電力系統(tǒng)產(chǎn)生的影響將逐漸突出,由此帶來的相關(guān)系統(tǒng)問題將成為我國風電發(fā)展的主要制約因素之一。大規(guī)模風電并網(wǎng)有兩種情況：一是大型風電場接入輸電網(wǎng)，二是多個小型風電場接入電力系統(tǒng)某一地方的配電網(wǎng)。小規(guī)模風電場并網(wǎng)對電力系統(tǒng)的影響主要是以下幾個方面：穩(wěn)態(tài)電壓值的上升、過電流、保護裝置的動作誤差、電壓閃變、諧波、浪涌電流造成的電壓降落。大規(guī)模風電場并網(wǎng)對電力系統(tǒng)的影響除了以上那些方面外，還會有電力系統(tǒng)的震蕩和電壓穩(wěn)定性問題。因此只有對大規(guī)模風電場并網(wǎng)才有必要考慮電壓穩(wěn)定性問題。

風電機組類型和無功特性

目前大型風力發(fā)電機組一般有兩種類型,一種是采用異步發(fā)電機的固定轉(zhuǎn)速風電機組,另一種是采用雙饋電機或通過變頻器并網(wǎng)的變速風電機組。固定轉(zhuǎn)速風電機組發(fā)出有功的同時吸收無功功率,不具備調(diào)壓能力,其電壓通過無功補償和調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓水平來調(diào)整;通過變頻器并網(wǎng)的變速風電機組不具備發(fā)無功能力,但通過調(diào)節(jié)變頻器,可以使并網(wǎng)時功率因數(shù)達到很高水平;變速恒頻風電機組具備調(diào)壓能力,在發(fā)出有功功率的同時可以發(fā)出無功功率,并可根據(jù)系統(tǒng)需要在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)無功輸出,但從目前國內(nèi)安裝的變速恒頻風電機組情況來看,大部分沒有應用調(diào)壓功能,運行中保持機端功率因數(shù)為1.0。

大規(guī)模風電場并網(wǎng)的主要問題

風電場并網(wǎng)運行對電網(wǎng)的影響由于風電具有隨機性和間歇性特點,并網(wǎng)風電將對電網(wǎng)產(chǎn)生一定影響。風電發(fā)展初期裝機規(guī)模較小,與配電網(wǎng)直接相連,對電網(wǎng)的影響主要表現(xiàn)為電能質(zhì)量,隨著大規(guī)模風電接入輸電網(wǎng),系統(tǒng)調(diào)峰壓力加大,系統(tǒng)穩(wěn)定和運行問題突顯。電能質(zhì)量風電機組對電能質(zhì)量的影響主要表現(xiàn)在高次諧波、電壓閃變和電壓波動上,在采用雙饋變速恒頻風電機組的情況下較為嚴重。并網(wǎng)風電機組在連續(xù)運行和機組切換操作過程中都會產(chǎn)生電壓波動和閃變。

1、電壓波動和閃變

風力發(fā)電機組大多采用軟并網(wǎng)方式,但是在啟動時仍會產(chǎn)生較大的沖擊電流。當風速超過切出風速時,風機會從額定出力狀態(tài)自動退出運行。如果整個風電場所有風機幾乎同時動作,這種沖擊對配電網(wǎng)的影響十分明顯。不但如此,風速的變化和風機的塔影效應都會導致風機出力的波動,而其波動正好處在能夠產(chǎn)生電壓閃變的頻率范圍之內(nèi)(低于25Hz),因此,風機在正常運行時也會給電網(wǎng)帶來閃變問題,影響電能質(zhì)量。

風資源的不確定性和風電機組本身的運行特性使風電機組的輸出功率是波動的，會影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量，如電壓偏差、電壓波動和閃變、諧波以及周期性電壓脈動等。風力發(fā)電引起電壓波動和閃變的根本原因是并網(wǎng)風電機組輸出功率的波動。電網(wǎng)電壓的變化受風電系統(tǒng)有功和無功功率的影響。風電機組輸出的有功功率主要依賴于風速;在無功功率方面，恒速風電機組吸收的無功功率隨有功功率波動而波動，雙饋電機一般采用恒功率因數(shù)控制方式，因而無功功率波動較小。并網(wǎng)風電機組不僅在持續(xù)運行過程中產(chǎn)生電壓波動和閃變，而且在啟動、停止和發(fā)電機切換過程中也會產(chǎn)生電壓波動和閃變。典型的切換操作包括風電機組啟動、停止和發(fā)電機切換，其中發(fā)電機切換僅適用于多臺發(fā)電機或多繞組發(fā)電機的風電機組。這些切換操作引起功率波動，并進一步引起風電機組端點及其他相鄰節(jié)點的電壓波動和閃變。

2、諧波

風電給系統(tǒng)帶來諧波的途徑主要有兩種:一種是風力發(fā)電機本身配備的電力電子裝置,可能帶來諧波問題。對于直接和電網(wǎng)相連的恒速風力發(fā)電機,軟啟動階段要通過電力電子裝置與電網(wǎng)相連,會產(chǎn)生一定的諧波,不過過程很短,發(fā)生的次數(shù)也不多,通常可以忽略。但是對于變速風力發(fā)電機則不然,變速風力發(fā)電機通過整流和逆變裝置接入系統(tǒng),如果電力電子裝置的切換頻率恰好在產(chǎn)生諧波的范圍內(nèi),則會產(chǎn)生很嚴重的諧波問題,隨著電力電子器件的不斷改進,這一問題也在逐步得到解決。另一種是風力發(fā)電機的并聯(lián)補償電容器可能和線路電抗發(fā)生諧振,在實際運行中,曾經(jīng)觀測到在風電場出口變壓器的低壓側(cè)產(chǎn)生大量諧波的現(xiàn)象。

風電裝置中電力電子器件是風電裝置中最重要的諧波源;在風電系統(tǒng)中，由于異步機、變壓電容器等設備均為三相，且采用三角型或Y型連接方式，故不存在偶次或3的倍數(shù)次諧波，即風系統(tǒng)中存在的諧波次數(shù)為5、7、11、13、17等。風機本身配備的電力電子裝置，可能帶來諧波問題。對于直接和電網(wǎng)相連的恒速風機，軟啟動階段要通過電力電子裝置與電網(wǎng)相連，因此會產(chǎn)生一定的諧波，不過因為過程很短，發(fā)生的次數(shù)也不多，通常可以忽略。但是對于變速風機則不然，因為變速風機通過整流和逆變裝置接人系統(tǒng)，如果電力電子裝置的切換頻率恰好在產(chǎn)生諧波的范內(nèi)，則會產(chǎn)生很嚴重的諧波問題。

電壓波動與閃變的抑制

目前,大部分用于改善和提高電能質(zhì)量的補償裝置都具有抑制電壓波動與閃變的功能,如靜止無功補償器(SVC)、有源濾波器(APF)、動態(tài)電壓恢復器(DVR),以及配電系統(tǒng)電能質(zhì)量統(tǒng)一控制器(DS2Unicon)等.

靜止無功補償器(SVC)

電壓閃變是電壓波動的一種特殊反映，閃變的嚴重程度與負荷變化引起的電壓變動相關(guān)，在高電壓或中壓配電網(wǎng)中，電壓波動主要與無功負荷的變化量及電網(wǎng)的短路容量有關(guān)。在電網(wǎng)短路容量一定的情況下，電壓閃變主要是由于無功負荷的劇烈變動所致。因此，對于電壓閃變的抑制，最常用的方法是安裝靜止無功補償裝置，目前這方面的技術(shù)已相當成熟。但是，由于某些類型的SVC本身還產(chǎn)生低次諧波電流，須與無源濾波器并聯(lián)使用，實際運行時可能由于系統(tǒng)諧波諧振使某些諧波嚴重放大。因此，在進行補償時，要求采用具有響應時間短、且能夠直接補償負荷的無功沖擊電流和諧波電流的補償器。

有源電力濾波器(APF)

要抑制電壓閃變，必須在負荷電流急劇波動的情況下，跟隨負荷變化實時補償無功電流。近年來，采用電力晶體管(GTR)和可關(guān)斷晶閘管(GTO)及脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)等構(gòu)成的有源濾波器，可對負荷電流作實時補償。有源電力濾波器的工作原理與傳統(tǒng)的SVC完全不同，它采用可關(guān)斷的電力電子器件，基于坐標變換原理的瞬時無功理論進行控制，其作用原理是利用電力電子控制器代替系統(tǒng)電源向負荷提供所需的畸變電流，從而保證系統(tǒng)只須向負荷提供正弦的基波電流。有源電力濾波器與普通SVC相比，有以下優(yōu)點:響應時間快，對電壓波動、閃變補償率高，可減少補償容量;沒有諧波放大作用和諧振問題，運行穩(wěn)定;控制強，能實現(xiàn)控制電壓波動、閃變和穩(wěn)定電壓的作用，同時也能有效地濾除高次諧波，補償功率因數(shù)。