風電場出力的主要特點是隨機性、間歇性及不可控性，主要隨風俗變化。因此，風電并網(wǎng)運行給電網(wǎng)帶來諸多不利影響。隨著風電場的容量越來越大，對系統(tǒng)的影響也越來越明顯，研究風電并網(wǎng)對系統(tǒng)的影響已成為重要課題，本文將就風電并網(wǎng)研究中的一些問題進行淺述。

1、風力發(fā)電機主要形式

分析風電并網(wǎng)的影響，首先要考慮風力發(fā)電機類型的不同。不同風電機組工作原理、數(shù)學模型都不相同，因此，分析方法也有差異。目前國內風電場選用機組主要有3種：

1.1異步風力發(fā)電機

目前是我國主力機型，國內已運行風電場大部分機組是異步風力發(fā)電機。主要特點是結構簡單，運行可靠，此種發(fā)電機為定速恒頻機組，運行中轉速基本不變，風力發(fā)電機組運行在風能轉換最佳狀態(tài)下的機率比較小，因而，發(fā)電能力比新型機組低。同時，運行中需要從電力系統(tǒng)中吸收無功功率。為滿足電網(wǎng)對風電場功率因素的要求，采用在機端并聯(lián)補償電容器的方法，其補償策略是異步發(fā)電機配有若干組固定容量電容器。由于風速大小隨機變化，驅動異步發(fā)電機的風機不可能經(jīng)常在額定風速下運轉。

1.2雙饋異步風力發(fā)電機

兆瓦級風力發(fā)電機普遍采用雙饋異步發(fā)電機形式，是目前世界主力機型，該機型稱為變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)。由于風力機變速運行，其運行速度能在一個較寬的范圍內調節(jié)，使風機風能利用系數(shù)Cp得到優(yōu)化，獲得高的系統(tǒng)效率；可以實現(xiàn)發(fā)電機較平滑的電功率輸出；與電網(wǎng)連接簡單，發(fā)電機本身不需要另外附加的無功補償設備，可實現(xiàn)功率因素一定范圍內的調節(jié)，例如從0.95領先到0.95滯后范圍內，因而具有調節(jié)無功功率出力的能力。

1.3直驅式交流永磁同步發(fā)電機

從大型風電機組實際運行經(jīng)驗中，齒輪箱是故障率較高部件。采用無齒輪箱結構則避免了這種故障的出現(xiàn)，可以大大提高風電機組的可利用率、可靠性，降低風電機組載荷，提高風力機組壽命。該機組采用直接驅動永磁式同步發(fā)電機，全部功率經(jīng)A-D-A變換，接入電力系統(tǒng)并網(wǎng)運行。與其他機型比較，需考慮諧波治理問題。

2、風電并網(wǎng)對電網(wǎng)影響分析方法

由于風速變化是隨機的，因此風電場出力也是隨機的，風電本身這種特點使其容量可信度低，給電網(wǎng)有功、無功平衡調度帶來困難。

在風電容量比較高的電網(wǎng)中，可能產(chǎn)生電能質量問題，例如電壓波動和閃變、頻率偏差，諧波問題等。更重要的是，需分析穩(wěn)定性問題，系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定、動態(tài)穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定等。當然，相同裝機容量的風電場在不同接入點對電網(wǎng)的影響是不同的，在短路容量大的接入點對系統(tǒng)影響小，反之，影響大。

定量分析風電場對電網(wǎng)運行的影響，要從穩(wěn)態(tài)和動態(tài)兩方面進行分析。

穩(wěn)態(tài)分析，就是對含風電場的電力系統(tǒng)進行潮流計算。在穩(wěn)態(tài)潮流分析中，風電場高壓母線不能簡單視為PQ節(jié)點或PU節(jié)點。

含風電場電力系統(tǒng)對平衡節(jié)點的有功、無功平衡能力提出更高要求，要分析含風電場電網(wǎng)在電網(wǎng)大、小運行方式下，是否滿足系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行的各種約束。

動態(tài)分析過程，一般采用仿真的方法，要考慮異步發(fā)動機、雙饋異步發(fā)動機等不同發(fā)電機的模型以及風速、風機、槳距調節(jié)等環(huán)節(jié)，用仿真程序PSS/E、PSCAD、PSASP等進行分析，分析的關鍵是各種風力發(fā)電機模型的選用。

分析風電并網(wǎng)對電網(wǎng)影響，還需考慮風電場無功問題。風電場無功消耗包括：異步發(fā)動機消耗；風機出口出口升壓變壓器；風電場升壓站主變壓器消耗等，如有必要，可采用動態(tài)電壓控制設備。

目前風電的容量可信度常用的有兩種評價方法：一種是計算含風電系統(tǒng)的可靠性指標，在保證系統(tǒng)可靠性不變的前提下，風電能夠替代的常規(guī)發(fā)電機組容量即為其容量可信度，這種方法適合于系統(tǒng)的規(guī)劃階段；一種方法是時間序列仿真，選擇合適的時間段作為研究對象，通過計算風電場的容量系數(shù)(風電場實際出力與理論發(fā)電量的比值)來估算容量可信度，在負荷高峰時段，可以認為容量系數(shù)等于容量可信度，該方法適用于為系統(tǒng)的運行提供決策支持。

3、風電并網(wǎng)對電網(wǎng)影響

通過上述分析方法，風電并網(wǎng)對電網(wǎng)影響主要表現(xiàn)為以下幾方面：

3.1電壓閃變

風力發(fā)電機組大多采用軟并網(wǎng)方式，但是在啟動時仍然會產(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(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，影響電能質量。已有的研究成果表明，閃變對并網(wǎng)點的短路電流水平和電網(wǎng)的阻抗比(也有說是阻抗角)十分敏感。

3.2諧波污染

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，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?？梢院雎?。但是對于變速風力發(fā)電機則不然，因為變速風力發(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，則會產(chǎn)生很嚴重的諧波問題，不過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產(chǎn)生大量諧波的現(xiàn)象。與電壓閃變問題相比，風電并網(wǎng)帶來的諧波問題不是很嚴重。

3.3電壓穩(wěn)定性

大型風電場及其周圍地區(qū)，常常會有電壓波動大的情況。主要是因為以下三種情況。風力發(fā)電機組啟動時仍然會產(chǎn)生較大的沖擊電流。單臺風力發(fā)電機組并網(wǎng)對電網(wǎng)電壓的沖擊相對較小，但并網(wǎng)過程至少持續(xù)一段時間后（約為幾十秒）才基本消失，多臺風力發(fā)電機組同時直接并網(wǎng)會造成電網(wǎng)電壓驟降。

因此多臺風力發(fā)電機組的并網(wǎng)需分組進行，且要有一定的間隔時間。當風速超過切出風速或發(fā)生故障時，風力發(fā)電機會從額定出力狀態(tài)自動退出并網(wǎng)狀態(tài)，風力發(fā)電機組的脫網(wǎng)會產(chǎn)生電網(wǎng)電壓的突降，而機端較多的電容補償由于抬高了脫網(wǎng)前風電場的運行電壓，從而引起了更大的電網(wǎng)電壓的下降。

風電場風速條件變化也將引起風電場及其附近的電壓波動。比如當風場平均風速加大，輸入系統(tǒng)的有功功率增加，風電場母線電壓開始有所降低，然后升高。這是因為當風場輸入功率較小時，輸入有功功率引起的電壓升數(shù)值小，而吸收無功功率引起的電壓降大；當風場輸入功率增大時，輸入有功引起的電壓升數(shù)值增加較大，而吸收無功功率引起的電壓降增加較小。如果考慮機端電容補償，則風電場的電壓增加。特別的，當風電場與系統(tǒng)間等值阻抗較大時，由于風速變動引起的電壓波動現(xiàn)象更為明顯。研究發(fā)現(xiàn)，使用電力電子轉換裝置的風力發(fā)電機，能夠減少電壓波動，比如并網(wǎng)時風電場機端若能提供瞬時無功，則啟動電流也大大減小，對地方電網(wǎng)的沖擊將大大減輕。值得一提的是，如果采用異步發(fā)電機作為風力發(fā)電機，除非采取必要的預防措施，如動態(tài)無功補償、加固網(wǎng)絡或者采用HVDC連接，否則當網(wǎng)絡中某處發(fā)生三相接地故障時，將有可能導致全網(wǎng)的電壓崩潰。

3.4無功控制、有功調度

大型風電場的風力發(fā)電機幾乎都是異步發(fā)電機，在其并網(wǎng)運行時需從電力系統(tǒng)中吸收大量無功功率，增加電網(wǎng)的無功負擔，有可能導致小型電網(wǎng)的電壓失穩(wěn)。因此風力發(fā)電機端往往配備有電容器組，進行無功補償，從而提高電網(wǎng)運行質量及降低成本。雙饋型變速恒頻風力發(fā)電機對這一系列問題有很好地解決作用，由于添加了控制環(huán)節(jié)，它具有了以下優(yōu)良特性：

1）可以實現(xiàn)對無功功率的控制--雙饋發(fā)電機在實現(xiàn)電壓控制的同時還可以從電網(wǎng)中吸收無功功率或是為電網(wǎng)提供無功補償。

2）可以通過對轉子勵磁電流的獨立控制實現(xiàn)了有功和無功功率的解耦控制。具體原理是，雙饋發(fā)電機在轉子側的變頻器通過轉子電流d軸分量實現(xiàn)對轉子轉速和力矩的控制，無功和勵磁則是通過轉子電流的q軸分量來控制的。同時，電網(wǎng)側的變頻器也以類似的方式工作，d軸分量通過直流電壓媒介電路控制有功功率，實現(xiàn)轉子側與電網(wǎng)側變頻器之間的有功交換。

3、結語

隨著風電的高速發(fā)展，對風電并網(wǎng)的研究會越來越重要。影響風電并網(wǎng)的技術障礙包括缺少風電場規(guī)劃、風力發(fā)電機和風電場模型的模擬軟件、風電場輸出預測等。

建議通過硬件建設，改進電網(wǎng)負荷平衡能力；通過軟件建設，提高電網(wǎng)的調度能力和水平；制訂嚴格的風電入網(wǎng)標準，促進風機制造技術的進步；提高風電短期預測技術能力和水平。