风力发电对电力系统
的影响
风力发电对电力系统的影响
摘要
风力发电总是依赖于气象条件，并逐渐以大规模风电场的形式并入电网，给电网带来各种影响。因此，电网并未专门设计用来接入风电，如果要保持现有的电力供应标准，不可避免地需要进行一些相应的调整。本论文依据正常条例讨论了风电设计和设备网络的开发所遇到的一些问题和解决风电场并网时遇到的各种问题。由于风力发电具有大容量、动态和随机性的特性，它给电力系统的有功/无功潮流、电压、系统稳定性、电能质量、短路容量、频率和保护等方面带来影响，针对这些问题提出了相应的对策，以期待更好地利用风力发电。
关键词：风力发电；电力系统；影响；风电场
1. 引言
人们普遍接受，可再生能源发电是未来电力的供应。由于电力需求快速增长，对以化石燃料为基础的发电是不可持续的。相反的，风电作为一种有发展前景的可再生能源备受人们关注。当由于工业发展和世界大部分地区经济的增长而引起电力的需求稳步增长时，它有抑制排放和降低不可替代燃料储备消耗的潜力。
当大型风电场（几百兆瓦）成为一个主流时，风力发电越来越受欢迎。2006年间，包括世界上超过70个国家在内的风能发展，装机容量从2005年的59091兆瓦达到74223兆瓦。2006年的巨大增长表明，决策者们开始重视风能
发展能够带来的好处。由于到2020年12%的供电来于1250Gw的安装风电装机，将积累节约10771百万吨的二氧化碳，这个报道是人类减少温室气体排放的一个重要手段。
大型风电场的电力系统具有很高的容量、动态随机性能，这将会挑战系统的安全性和可靠性。而提供电力系统清洁能源的同时，风电场也会带来一些对电力系统不利的因素。随着风力发电的膨胀和风电在电力系统中比重的增加，影响将很可能成为风力集成的技术性壁垒。因此，应该探讨其影响并提出解决这些问题的对策。
风能已经从25年前的原型中走了很长的路，而且在未来的二十年里它也会继续前进。有一系列的问题与风电系统的运作和发展。虽然风力发电的渗透可能会取代传统的植物产生大量的能量，关注的重点是风力发电和电网之间的相互作用。本文提供了一个概述风力发电对电力系统的影响，并建议相应的对策来处理这些问题，以适应电力系统中的风力发电。
根据上述问题，本文从总体上讨论了风力发电项目开发过程中遇到的问题，以及在处理项目时，将风电场与电力系统相结合的问题。由于风力发电具有容量大、动态、随机性等特点，其影响主要包括有功、无功功率流、电压、系统稳定性、电能质量、短路容量、系统备用、频率和保护。针对这些问题，提出相应的对策建议，以适应电力系统的风力发电。
本文的组织如下。第2节给出了风力发电的发展情况。在第3节介绍了风力发电的特点。在4节中，详细讨论了风力发电对电力系统的影响。在第5节中，提出了减少风力发电的影响的对策。最后，第6节总结本文。
2. 风力发电的发展现状
从风能委员会的报告中显示，拥有最高装机容量总数的国家是德国（20621MW），西班牙（11615MW），美国（11603MW），印度
（6270MW）和丹麦（3136MW）。世界范围内十三个国家现在可以算是达到1000兆瓦的风力发电能力，法国和加拿大在2006年达到这一值。如图一所示，截止到2006年12月世界累计装机容量前十名。
图1 截止到2006年12月世界累计装机容量前十名中国很晚才开始发展风电。直到90年代才步入市场化的发展和规模化的建设。这些年新增累积装机容量如图2显示。单一机组容量从100千瓦，200千瓦，300千瓦到600千瓦，750千瓦，1500千瓦逐渐增加。
图2 在中国累计和新增加安装的风力发电能力
2006年中国安装了1347兆瓦的风电机组，从而使总装机容量增加了一倍以上，比去年的数值增长了70%。这给中国带来了多达2604兆瓦的发电能力，是中国成为世界上第六大市场。2006年中国市场大幅度增长，并且预计增长将会继续甚至会加快。根据经批准的和在建的项目中的数据显示，在2007年将安装超过1500兆瓦。到2010年底中国的风电装机目标容量将达到5000兆瓦。
3. 风力发电的特点
从风能角度来看，风能资源最显著的特点是它的变化性。风电场输出的随机性变化主要来源于风速的波动和方向。无论是地理性还是时间性，风是很容易变的。此外，无论是在空间上还是时间上，这种变化性持续的范围非常广泛。
风速是以一个高度和时间函数的形式不断变化的。风速变化的时间尺度显示在图3所示的频谱图上。在一秒到一分的范围内阵风引起波动的高峰。每日的波动峰值取决于每天的风速变化，天气的峰值取决于天气的变化，通常因为每天或每周而异，但也包括季节性周期。
图3 布鲁克海文国家实验室工作的基础上的农场风谱图
从电力系统的角度来看，波动的峰值可能会影响风力发电的电能质量。电能质量波动的影响主要依赖于涡轮机技术的应用。例如，在风力发电机组传动系统中，风力变速涡轮机可以通过直接储存能量来吸收短期的电力变化。这意味着固定速度的风力涡轮机比网格耦合涡轮机的电力输出平滑的多。然而，昼夜高峰，可能会影响长期的电力系统的平衡，在这样的系统中风速预测起着显著的作用。
另一个重要的问题是风能资源的长期变化。应该知道风力加速中心的高度从而预测风电场的输出。大量的风速测量表明，风速在一年中大多时候是柔和的，介于0到25米每秒的概率是相当大的；年均风速受制于威布尔分布，如公式（1）。
()1()exp[()]k k k v v f x c c c
-=- （1） 其中：v 是平均风速；k 是形态参数；c 是尺度参数。
风力涡轮机的输出Pw 和风速集线器V 的高度之间的关系可近似表示为风力发电机的输出与风速或分段函数的曲线，如公式（2）。 ()()()0333333CL Co R R V V orV V CL w R CL R V V R CL P V R P V P V V V V V R CL P V V ≤≥≥⎧
⎪⎪=-≤≤⎨-⎪⎪⎩
- (2) 其中：W P 是额定功率的风力发电机组的功率；V 是风速高达枢纽的高度；CL V 是停机风速；CO V 是切出风速；R V 为风速。
4. 风力发电对电力系统的影响
在电力系统中，风电的高渗透力面临着大型风电场对电网一体化的基础技术限制。风力发电对电力系统的包括对无功功率和有功功率、电压、系统稳定
