探讨大规模风力发电对电力系统的影响

一、当前风力发电发展现状

我国风力发电领域起步晚，面临的技术问题比较多，并且国土面积大，涵盖平原、山地、丘陵、平地、高原等，地形地貌复杂且多样，导致风力资源分布不均衡，致使风力发电领域制约过大。沿海城市发展迅速，人口众多，对于用电量需求十分庞大，但风力资源稀缺，无法建设大规模风力发电场，用于缓解用电不足问题。在西部地区地广人稀，风力资源丰富且稳定，但对于电网在硬件设施等基础方面建设不够。且风能资源作为风力发电的原始动力，其自身的变化性、不可控性是导致风电机组输出不稳定的主要因素，致使风电电源无法同火力发电电源等常规电源一般，能够做到对电网系统实施调节功率、调频、调压等有效控制措施，在并入组网时，会对原有电网产生较大的冲击。无法大规模建设风力发电场以及如何高效、稳定地将风能产生的电力接入全国电网中供应人们使用，是当前面临的主要问题。

二、大规模风力发电对电力系统的影响

（一）对电力系统规模影响

目前我国正在大力开展风力发电项目并将其与全国电网进行组网。但由于我国地形地貌特殊，东西部地区风能资源分布不均匀，东部发达城市用电量需求大，但风能不足致使无法大规模建立风力发电场。而西部地区风能资源充沛，能够大规模建设但电网线路相对稀薄，抗干扰能力及承载能力弱。风电因自身特性相对于不可调节，接入主电力系统相当于随机的干扰源，因此如何确定电网的最大承载能力与实现对风电功率的提前预测与控制是当前所面临的问题。

（二）对电能质量与电网影响

风电输出功率的随机变化性，导致电网电能质量差。同时风力发电系统通常接入主电力系统外围，小范围内产生波动不会对电网造成较大影响，但超出额定范围仍然会导致电力系统故障。以此，在接入主电力系统中电网电能质量的好坏能够直接影响电网中电压，频率、谐波等参数的闪变，致使负载端的供电异常，严重情况下会损坏设备。

（三）对保护装置的影响

并网运行的风力发电场可以得到大电网的补偿和支撑，能够更充分地开发可利用的风力资源，这是国内外风力发电的主要发展方向。总的来说，目前风力发电的并网方式大致可分为异步发电机、同步发电机和双馈发电机，但由于风电的随机性、不可控性导致无论采用哪种并网方式均会对主电网造成冲击，严重情况下导致电力系统瘫痪，因此，使用和优化电力系统保护装置也是需要考虑的重要因素。

三、整改方向与解决优化措施

（一）把控发电规模指标

根据发达国家在风电技术领域工程学者的研究数据表明，评估风电发电场电力系统规模，主要参考两个指标包括风电穿透功率极限与风电场短路容量比。具体而言，在风电电网中当风电穿透率能够实现技术规范允许的最大风电场装机容量，并且达到电网峰值负荷的 10% 时，即可判定该风电穿透功率具备实施条件。这一来自西方国家的数据统计结论，为我国提供了有效技术支撑。电网结构强度可以参考其短路容量大小，这一指标能够反映当前节点电压对风电输入功率波动时候的灵敏程度。在风电场并网分析中，测量出的数字大小能够直接反映出节点与系统电源点之间的电气连接紧密程度——容量越小则表明测量点与系统电源点之间的电气距离越大，与系统之间联系不够紧固。通常情况下，较低的风电场短路容量比代表着电力系统对风电扰动的适应能力更强。关于这一参数的合理范围的选定，西方国家与日本的工程研究人员有着不同意见，西方国家根据工程实践得出数据在 3.3%5% 之间，而日本方面则给出了 10% 左右短路比是可接受的安全阈值。

（二）优化电网结构

由于风力发电场切机与传统火力发电机组断电不同，电网运行中需要重点关注防范大规模风力发电机组脱网从而导致电压失稳等问题。例如，当选用感应发电机的风电机组同时段、大面积脱网时，系统将出现异常的无功过剩现象，这与传统大容量发电机组断电恰恰相反。这种特殊的 " 反向电压效应 " 源于异步发电机特有的励磁特性。特别是对于远海风电场等边缘电源，其通过薄弱交流线路与主网连接时，故障后的无功盈余难以通过长距离输电通道及时释放。仿真数据显示，某 800MW 海上风电场突发脱网可导致周边电网电压瞬间抬升 15%～20% 。

研究表明，风力发电场并网时引发的电压扰动影响系统稳定性主要受到三个关键因素影响：短路容量比、线路 X/R 比和运行控制策略。可以从这三个方面作为切入点，强化电网系统稳定性。包括提高短路比可有效抑制风电机组并网导致的电压波动；优化电网线路阻抗特性：当线路阻抗角处于 60° -70^∘ 范围时，线路 X/R 比能够实现有功 / 无功波动的自补偿效应，从而将电压闪变降至最低水平。过低的 X/R 比则会加剧电压扰动；优化电网运行策略：通过优化风电机组的启停时序控制，能够实现显著降低机组大面积投切对电网造成的冲击。实际运行数据证实，采用分时启停策略可使暂态电压波动降低 30%～40%

在风电并网系统中，合理使用动态无功补偿装置（如 SVC 和 STATCOM）对维持电网稳定具有关键作用。这些装置通常配置在风电场升压站内，具备响应速度快、连续可调能力，能够有效抑制由于风电场电力波动导致的电压闪变问题，通过与风机变桨控制、转速调节等系统的配合提升发电效率；并且除基本无功补偿功能外，还能显著改善电网暂态稳定水平。工程实践表明，配置STATCOM 可使电网故障期间的电压恢复时间缩短 40% 以上。所以，在风电并网系统中，可以采取以上方式方法提升系统整体运行稳定性。

（三）保护装置调整

为保证主电网的正常工作而不受到风力发电场并网时造成影响，可以优化关于电力系统的保护装置，实现主电网与风力发电网能够做到相互独立，当风电机组出现故障或大面积停机退网时，能够切断与主电网连接，在风电系统故障修复完成后，系统自动实现与主电力系统连接，有效加强对整体电力系统的保护，同时提高了电网运行的可靠性。

总结

综上所述，风力资源作为可再生清洁能源，无论在环保方面或经济方面都具有绝对的优势。随着国家政府的大力扶持，科研人员的不断探索，在风能发电领域从起步晚不断追赶，到如今构建起具有国际顶尖水平的风电产业体系，推动能源转型步伐不断加快，并已经成为全球最大的风电装备制造基地。但在风电技术方面仍需不断探索，文章提出关于风电系统的影响及相关策略提供解决问题的切入点。

参考文献：

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[2] 陈佳伟 . 风力发电并网技术及其对电力系统稳定性的影响 [J]. 大众标准化 ， 2024（19）：49-51.

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