摘要：风力发电以其清洁高效的优点，近年来得到了快速发展。随着风电场容量的增加，风电并网时对系统的影响也越来越明显。风电并网产生的电能质量问题，给电网安全稳定运行带来了严重影响，因此研究风电并网对电能质量的影响及治理具有重要的理论和现实意义。
关键词：风电并网 电能质量 影响 治理
一、风力发电并网运行的特点
风力发电通常分为“离网”和“并网”两种类型。“离网型”风力发电一般独立运行，其发电规模很小，通过与其他能源发电技术相结合或者储能装置满足小规模供电需求，通常用以解决偏远地区的供电问题。“并网型”的风力发电是规模较大的风力发电场，由几十台或者成百上千台风电机组构成，其容量从几兆瓦到几千兆瓦甚至更高。并网运行的风力发电场和系统相联，可以得到大电网的补偿和支撑，能够更加充分的大范围开发利用风能，是国内外风电发展的主要方向。
风电机组是一种与常规水电和煤电机组差别较大的特殊发电设备，其原动力是自然风，是不可预料的，它是否处于发电状态以及输出功率的多少，对风速的依赖性很大，风速的不稳定性和间歇性决定了风电机组的出力也具有波动性和间歇性的特点，并网后对系统的电能质量产生影响。
二、风电并网对电能质量的影响
（一）电压偏差问题
系统无功功率不平衡是引起系统电压偏差的根本原因。电力系统无功功率不平衡意味着将有大量的无功功率流经输电网络，将造成输电线路首末端电压差。恒速风电机组在投入时，由于是在同步电机转速接近额定转速时才投入电网的，要求并网时间短，短时间内大量无功功率的吸收造成了电压的跌落，而随着电容器组的逐级投入，无功功率的吸收逐渐恢复到零，电压水平也得以恢复，并联电容器补偿是通过电容器的投切实现的，因调节不平滑，呈阶梯性调节，在系统运行中无法实现最佳补偿状态。这种操作将引起无功功率的波动，从而造成电压偏差。
（二）电压波动问题
当风电机组输出功率波动时，会引起电网的电压波动。风机组在运行过程屮，受风速和湍流强度的影响，会导致风机组输出功率发生波动，进而与电网进行的功率交换也会受到影响，引起风机并网点附近出现电压波动和闪变；同时，搭影效应、风剪切、偏航误差和风剪切等因素的影响也会造成风电机组出力波动，起电压波动。
在机组连续运行过程中，由于风速随机变化使得风电机組输出功率产生相应波动。风速对风电机组引起的电压波动具有直接影响。随着风速的增大，风电机组产生的电压波动也不断增大，其与电压波动是成正比的增长关系。并网风电机组不仅在连续运行过程屮产生电压波动，而且在机姐切换操作过程中也会产生电压波动。
（三）谐波电压问题
对于风电机组来说，发电机本身产生的谐波是可以忽略的，谐波电流的真正来源是风电机组中釆用的电力电子元件。对于定速风电机组来说，在连续运行过程中没有电力电子器件参与，因而也基本没有谐波产生；当机组进行投入操作时，软并网装置处于工作状态，将产生谐波电流，但由于投入的过程较短，这时的谐波注入可以忽略。
变速风电机组则采用大容量的电力电子元件，双馈式异步风力发电机组定子绕组直接接入交流电网；转子绕组端接线由三只滑环引出接至一台双向功率变换器，电网侧采用PWM逆变器，定子绕组端口并网后始终发出电功率；转子绕组端口电功率的流向则取决于转差率。变速风电机组并网后变流器将始终处于工作状态，因此变速风电机组的谐波注入问题需要考虑。
（四）三相电压不平衡问题
电力系统在正常运行时，由于构成三相系统的元件参数不对称（如三相负荷不对称），会造成系统三相电压或电流长时间运行于不平衡状态，致使对电力系统和电力用户造成极大损害。大部分用户在使用过程中发生的三相电力不平衡主耍原因打：太偏进于单相负载使各相之间发生不平衡；系统的无效电力，高次谓波电流使各相之间发生不平衡；机器接触端子及电缆接触不良导致另外的不平衡；外部环境的人力，电力导致不平衡的发生。
三、风电并网对电能质量影响的治理
风电场一般均处于线路末端，输送距离较长，自身所配置的无功补偿系统在满出力的情况下不能满足所需的无功，在风速波动较大的情况下，对系统的电能质量影响较大，只靠投切电容器组已不能满足无功的需求，需要在风电场并网点处加装动态无功补偿装置以确保无功功率的恢复，增强线路运行的稳定性，从而对电能质量进行治理。
（一）风电场对无功补偿装置的要求
风电场的无功补偿分为静态和动态无功补偿两种。静态无功补偿装置的容量较为稳定，用来补偿系统正常运行时的无功功率损耗，如异步机的励磁和变压器的运行损耗，一般在异步机的端口母线处加装并联电容器。动态无功补偿装置的容量变化较大，用来补偿风速扰动或者故障时异步机所吸收的大容量的无功功率。
异步机组自身无法进行无功调节，在发出有功功率时还要吸收无功功率来进行励磁，若发生故障或者扰动，则从系统吸收的无功功率更多，为了避免这种现象，达到无功功率在风电场内部的就地平衡，需要风电场具备一定的无功调节能力。因此可在风电场并网点加装动态无功补偿装置，且装置须具有灵敏、快速和平滑调节无功的能力，能按照风电场频繁变化的无功需求来调节其输出的无功功率容量，实现适时、适量的快速补偿，维持电压稳定，改善风电场的电能质量。
（二）无功补偿装置的分类及其性能
无功补偿装置可按补偿方式来分类，分为静态补偿型和动态补偿型。
静态无功补偿装置主要有：并联电容器、饱和电抗器。性能是：装置的阻抗都是固定的，只能用于补偿固定的无功需求，无法满足系统在出现故障或扰动时容量快速变化的无功需求，无法实现动态无功补偿，因此静态补偿装置一般都不会单独使用，而是与动态型补偿装置来配合使用。
动态无功补偿装置主要有：同步调相机、品闸管控制电抗器、晶闸管投切电容器、静止无功补偿器、静止同步补偿器等。性能是：装置可按系统的无功需求，动态、快速且连续地调节补偿装置所发出的无功功率的容量，实现适量、适时的无功补偿以及电压支撑，从而改善风电场并网点处发生的电压偏差、电压波动等，改善系统的电能质量。
（三）风电场无功补偿装置的选择
风电场在并网运行发电时，为了调整风电场并网点及其母线附近的无功潮流分布，从而改善电压偏差、电压波动、电压总谐波畸变率和三相电压不平衡，改善风电并网的电能质量，需要在风电场并网点处并联动态无功补偿装置。传统的无功补偿是在被补偿的节点安装电容器、电抗器等，通过机械开关实现无功补偿装置的投入与切出。静止无功补偿装置的出现，用电力电子元件代替机械开关，从而实现了无功补偿的快速平滑调节。
风电场在进行电能质量治理时，经常选取的无功补偿装置有静止无功补偿器、静止同步补偿器、并联电容器等。其中并联电容器由于投资少、能耗低、控制简单、运行维护方便等优点，在风电场电能质量治理中得到了广泛应用。然而由于并联电容器不具备无功调节能力，不能满足风电场频繁变化的无功需求，需要加装动态型无功补偿装置。静止无功补偿器和静止同步补偿器可以提供动态和稳态的无功补偿，适用于风电场故障或扰动期间无功功率缺额的快速补偿。在双馈机系统中，可考虑在风电场并网母线处加装静止无功补偿器或静止同步补偿器装置实现动态补偿无功功率，提高风电场电能质量。
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