肖碩霜 尹忠東

（華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206）

相較于其他形式的能源，風(fēng)電以其清潔、高效、可再生性與低廉的建設(shè)成本贏得了各國(guó)政府與市場(chǎng)的廣泛關(guān)注。風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大也帶來(lái)了不可避免的并網(wǎng)問(wèn)題。隨著風(fēng)電熱的不斷升溫，風(fēng)電場(chǎng)逐漸表現(xiàn)出發(fā)電場(chǎng)容量增大、并入電網(wǎng)的等級(jí)增加的特點(diǎn)，單個(gè)風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量攀升至百萬(wàn)千瓦，并由配網(wǎng)接入發(fā)展為直接接入高壓電網(wǎng)?？梢钥吹?，增加的容量和接入電壓等級(jí)將使得風(fēng)電對(duì)所并入的電網(wǎng)影響更加深遠(yuǎn)。

風(fēng)電機(jī)組的輸出功率受不可控的隨機(jī)自然風(fēng)力驅(qū)動(dòng)會(huì)頻頻波動(dòng)。由于風(fēng)電資源豐富的地方往往在電力系統(tǒng)薄弱的偏遠(yuǎn)地區(qū)和沿海，其單一的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和薄弱的電氣聯(lián)系又使得其輸出功率一旦受到波動(dòng)則會(huì)造成電網(wǎng)局部的電能質(zhì)量顯著改變，穩(wěn)定性也受到干擾。在風(fēng)電穿透率較低時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)的間歇性與波動(dòng)性系統(tǒng)都可以耐受。超過(guò)8%的風(fēng)電穿透水平，便需要切除機(jī)組舍棄部分風(fēng)電?，F(xiàn)代風(fēng)電占電網(wǎng)比例迅速上升，這樣一來(lái)舍棄風(fēng)電量將相當(dāng)可觀。為盡量避免棄風(fēng)的經(jīng)濟(jì)損失，保障大容量風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)的安全運(yùn)行，研究風(fēng)速波動(dòng)的對(duì)其造成的并網(wǎng)影響迫在眉睫。

1 大容量風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速波動(dòng)下的影響

經(jīng)過(guò)各國(guó)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)問(wèn)題的研究探索，風(fēng)速的波動(dòng)主要體現(xiàn)在風(fēng)機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩改變?cè)斐傻碾姶呸D(zhuǎn)矩的非額定運(yùn)行。此間發(fā)電機(jī)有功輸出波動(dòng)，電能質(zhì)量改變乃至影響到整個(gè)風(fēng)電系統(tǒng)的并網(wǎng)潮流亦會(huì)隨之改變。

1.1 風(fēng)速波動(dòng)的并網(wǎng)電壓影響

風(fēng)速波動(dòng)產(chǎn)生的有功輸出波動(dòng)從根本上引起了并網(wǎng)點(diǎn)電壓的波動(dòng)與閃變，其中電壓波動(dòng)也是 IEC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)并網(wǎng)風(fēng)電考察的重點(diǎn)。其余的原因還有電網(wǎng)狀態(tài)、機(jī)組類(lèi)型、機(jī)組控制等原因，并不贅述。

在高滲透率的電網(wǎng)中，主流的恒頻恒速風(fēng)電機(jī)組直接與電網(wǎng)耦合，風(fēng)電產(chǎn)生功率特性將直接體現(xiàn)在電網(wǎng)中。另外，其異步發(fā)電機(jī)在輸出波動(dòng)有功時(shí)將會(huì)吸收大量的無(wú)功。風(fēng)速的變動(dòng)直接影響到無(wú)功吸收的大小，無(wú)功吸收減少導(dǎo)致并網(wǎng)點(diǎn)電壓降低，而風(fēng)機(jī)側(cè)固定電容器補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功容量則與電壓相關(guān)，從而導(dǎo)致了電壓的進(jìn)一步惡化。如若任由發(fā)展，降低的電磁轉(zhuǎn)矩造成轉(zhuǎn)矩不平衡，軸系松弛功率無(wú)法送出，異步發(fā)電機(jī)將會(huì)轉(zhuǎn)速飛升，甚至可能引起母線電壓崩潰造成電量損失與失穩(wěn)。

圖1 單相風(fēng)電機(jī)組輸出電壓虛擬電網(wǎng)模擬

而顯然式中風(fēng)電機(jī)組有功如下

設(shè)最初風(fēng)速23m/s，當(dāng)出現(xiàn)持續(xù)6s、以±6m/s速率逐漸變化的典型陣風(fēng)時(shí)，十萬(wàn)千瓦裝機(jī)容量風(fēng)電場(chǎng)出口母線電壓變化幅度為-5%～4%。研究表明，風(fēng)電機(jī)組端電壓的波動(dòng)與閃變隨平均風(fēng)速的增加而增加。風(fēng)速超過(guò)額定值又繼續(xù)增加時(shí)，變轉(zhuǎn)速機(jī)組由于具有可平滑有功波動(dòng)使得電壓波動(dòng)減小，恒轉(zhuǎn)速機(jī)組的波動(dòng)仍舊增大。湍流強(qiáng)度與電壓波動(dòng)與閃變的關(guān)系幾乎可表示為正斜率特性。

為評(píng)估并網(wǎng)運(yùn)行的電壓波動(dòng)，可考慮風(fēng)速服從瑞利分布并依據(jù) IEC標(biāo)準(zhǔn)中的閃變值算法進(jìn)行估算?？紤]大型風(fēng)電場(chǎng)有多臺(tái)風(fēng)機(jī)，則引起的短時(shí)與長(zhǎng)時(shí)間閃變值為[1]

式中， ci（ φk, va）s是每臺(tái)機(jī)組閃變系數(shù)，是由閃變系數(shù)在瑞利風(fēng)速下的積累概率函數(shù)計(jì)算得出的。

式（3）中，N為并網(wǎng)點(diǎn)連接風(fēng)電機(jī)組數(shù)； Sn,i為每臺(tái)機(jī)組額定視在功率； Sk為機(jī)組公共并網(wǎng)點(diǎn)短路容量； Sks為虛擬電網(wǎng)短路容量； Pst是根據(jù)風(fēng)機(jī)輸出電壓按照IEC標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得出的短時(shí)閃變值。

1.2 風(fēng)速波動(dòng)的并網(wǎng)頻率影響

現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中越來(lái)越多地采取了變速風(fēng)電機(jī)組或者安裝有電力電子變流器的恒速風(fēng)電機(jī)組，這樣的機(jī)組雖然控制性能大大進(jìn)步，但同時(shí)使得機(jī)組機(jī)械和電氣聯(lián)系解耦，阻斷了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率變化的響應(yīng)關(guān)系。單純的恒頻機(jī)組采用恒轉(zhuǎn)差運(yùn)行，能夠維持恒定功率水平。因此，當(dāng)電網(wǎng)頻率改變時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率僅與風(fēng)能有關(guān)，不能對(duì)系統(tǒng)頻率變化產(chǎn)生響應(yīng)。

綜合目前對(duì)風(fēng)速統(tǒng)計(jì)分析得出，單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組輸出的波動(dòng)功率水平主要為秒級(jí)，但量值很?。伙L(fēng)電場(chǎng)由于集群效應(yīng)其波動(dòng)則更為平緩，秒級(jí)的風(fēng)速變化率不大，99.44%的情況下變化率都小于0.3%；而分鐘級(jí)以上的功率波動(dòng)則會(huì)對(duì)電網(wǎng)的頻率帶來(lái)一定的影響。另考慮風(fēng)電的集群平滑作用，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)群入網(wǎng)后，出現(xiàn)大于70%全網(wǎng)風(fēng)電容量的功率波動(dòng)概率將極低。但若滲透率較高，將會(huì)在全網(wǎng)造成系統(tǒng)有功出力和負(fù)荷之間的動(dòng)態(tài)不平衡，對(duì)電網(wǎng)頻率造成很大打擊。我國(guó)電力系統(tǒng)的頻率偏差標(biāo)準(zhǔn)為50±0.2Hz，這是風(fēng)電引起的頻率波動(dòng)必須控制的范圍。

在我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)導(dǎo)則中規(guī)定風(fēng)電是不需要參與調(diào)頻的。這是由于風(fēng)電功率無(wú)法控制，做備用的可靠性極低。電網(wǎng)的調(diào)頻重任必須由傳統(tǒng)水火電廠承擔(dān)。

對(duì)于數(shù)分鐘至小時(shí)級(jí)功率波動(dòng)的二次調(diào)頻，在其他國(guó)家的風(fēng)電導(dǎo)則中，提出了風(fēng)電在系統(tǒng)頻率受到影響時(shí)需要限制風(fēng)電出力來(lái)參與二次調(diào)頻。如愛(ài)爾蘭則要求風(fēng)電場(chǎng)需要將 3%～5%的出力進(jìn)行控制來(lái)參加系統(tǒng)調(diào)頻、丹麥規(guī)定風(fēng)電場(chǎng)需要采用棄風(fēng)方式來(lái)留出一定的調(diào)頻容量。我國(guó)電網(wǎng)導(dǎo)則沒(méi)有提出相關(guān)要求。二次調(diào)頻是手動(dòng)或自動(dòng)根據(jù)事先的預(yù)測(cè)值控制風(fēng)電機(jī)組發(fā)出功率的增減。預(yù)測(cè)值由風(fēng)電出力預(yù)測(cè)和電網(wǎng)調(diào)度預(yù)測(cè)（仍考慮負(fù)荷預(yù)測(cè)）綜合考慮得出的，如果風(fēng)電的功率波動(dòng)超出了預(yù)測(cè)值，備用無(wú)法響應(yīng)時(shí)則也會(huì)造成系統(tǒng)的功率不平衡和頻率變化。這就需要電網(wǎng)增加更多的調(diào)頻電源容量來(lái)應(yīng)對(duì)。

研究表明，穿透功率愈大，風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)所需的額外備用就愈多。當(dāng)風(fēng)電的穿透水平達(dá)到10%時(shí)，功率波動(dòng)的影響才會(huì)明顯地體現(xiàn)在二次調(diào)頻備用容量上來(lái)，而額外增加的備用意味著額外增加的成本，這可能造成傳統(tǒng)電力機(jī)組的頻繁啟?；蛭礉M(mǎn)載運(yùn)行造成效率低下、風(fēng)電機(jī)組參與的機(jī)組最優(yōu)組合復(fù)雜化，從而引起調(diào)頻負(fù)擔(dān)加重、調(diào)度困難與運(yùn)行成本增加。

據(jù)以上分析可粗略估算并網(wǎng)風(fēng)電的容量。風(fēng)電出力變化率為一定時(shí)，風(fēng)電接入率增大，則所要求的系統(tǒng)調(diào)頻速度越大。依張家口風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)分析[9]，設(shè)若當(dāng)調(diào)頻速度為每分鐘1.2%時(shí)，則必須要求風(fēng)電接入率限制在40%以下。

1.3 風(fēng)速波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)潮流影響

給定風(fēng)速，風(fēng)電場(chǎng)的有功功率特性可以表示為如下

式中，A、B、C為功率特性系數(shù)，V為風(fēng)速， Vci、Vco、Vr分別代表風(fēng)機(jī)啟動(dòng)風(fēng)速切除風(fēng)速以及額定風(fēng)速， Pr為額定風(fēng)電出力。

傳統(tǒng)潮流計(jì)算中，電網(wǎng)的母線可以劃分為 PQ節(jié)點(diǎn)、PV節(jié)點(diǎn)和平衡節(jié)點(diǎn)三類(lèi)。對(duì)于變速風(fēng)力機(jī)組，無(wú)功可以根據(jù)控制策略的設(shè)定或者功率因數(shù)求取。而恒速風(fēng)電機(jī)組則不同，其自身無(wú)法進(jìn)行勵(lì)磁調(diào)節(jié)不能調(diào)節(jié)電壓免受偏移；其所吸取的無(wú)功，又與發(fā)出有功、電壓、滑差有關(guān)，不能保證功率恒定。所以是不能單純將風(fēng)電場(chǎng)母線劃分為某一類(lèi)節(jié)點(diǎn)的。

采用風(fēng)電場(chǎng)潮流聯(lián)合迭代模型[27]，簡(jiǎn)化異步發(fā)電機(jī)的等值電路，如圖2所示。由等值電路可以得到注入電網(wǎng)的有功和無(wú)功分別為

由上式可知無(wú)功可以辨識(shí)為有功和電壓的函數(shù)。改進(jìn)雅克比矩陣并采用牛頓-拉夫遜法，可以得到風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)的潮流。

圖2 簡(jiǎn)化異步發(fā)電機(jī)等值電路

動(dòng)態(tài)系統(tǒng)下中，如果采用了傳統(tǒng)穩(wěn)態(tài)潮流計(jì)算方法，風(fēng)速變動(dòng)強(qiáng)烈的情況下，計(jì)算結(jié)果將會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。可以采用蒙特卡羅法計(jì)算概率潮流，將電力系統(tǒng)中負(fù)荷、風(fēng)電機(jī)組出力等概率分布進(jìn)行抽樣，再進(jìn)行穩(wěn)態(tài)潮流計(jì)算，得到與抽樣值對(duì)應(yīng)的潮流計(jì)算結(jié)果后進(jìn)行分析得到系統(tǒng)潮流的概率分布。

另外，潮流結(jié)果也與并網(wǎng)點(diǎn)連接風(fēng)電場(chǎng)之間的風(fēng)速相關(guān)性密切相關(guān)。文獻(xiàn)[25]研究改進(jìn)的IEEE30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)風(fēng)速相關(guān)性高時(shí)至少需要22.5Mvar無(wú)功補(bǔ)償量來(lái)保證各節(jié)點(diǎn)電壓不越限，而設(shè)風(fēng)速無(wú)相關(guān)性則僅需6Mvar的補(bǔ)償量；考慮相關(guān)性時(shí)的風(fēng)電場(chǎng)的最大裝機(jī)容量比不考慮時(shí)超過(guò)了34MW，若按后者裝機(jī)容量進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃，則必定會(huì)使系統(tǒng)中部分節(jié)點(diǎn)電壓越限的概率大于5%。實(shí)際工程中需要考慮這一點(diǎn)。

2 風(fēng)速波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)影響的解決措施

就目前而言，解決風(fēng)速波動(dòng)造成的大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)問(wèn)題主要還處于理論研究，因?yàn)槭澜绶秶鷥?nèi)具有高極限穿越功率的國(guó)家相當(dāng)有限，北歐國(guó)家風(fēng)電發(fā)電量?jī)H占電力系統(tǒng)的 1%～2%，美國(guó)與我國(guó)則更低。但隨著風(fēng)電快速發(fā)展，解決此問(wèn)題是不可避免的。而以上對(duì)風(fēng)速波動(dòng)造成的并網(wǎng)影響問(wèn)題的解決方式是相輔相成的，其最根本的就是將風(fēng)電機(jī)組輸出的有功功率進(jìn)行平滑。

盡量準(zhǔn)確預(yù)測(cè)風(fēng)速可以相應(yīng)提高風(fēng)電功率輸出的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性，從而顯著降低所需調(diào)頻備用。通過(guò)合理有效的統(tǒng)籌管理、較準(zhǔn)確地進(jìn)行風(fēng)速和功率的調(diào)節(jié)和控制是發(fā)電調(diào)度計(jì)劃制定的重要參考，從而及時(shí)提供備用、減少電壓和頻率波動(dòng)可能性。目前預(yù)測(cè)方法主要有隨機(jī)時(shí)間序列法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、卡爾曼濾波法等。當(dāng)滲透率為10%時(shí)，約需要額外的調(diào)頻備用為2%～8%的風(fēng)電裝機(jī)容量。如果采用先進(jìn)預(yù)測(cè)技術(shù)及當(dāng)日甚至小時(shí)前調(diào)度，則只需2%～4%的裝機(jī)容量。

由上文分析，備用容量增加意味著經(jīng)濟(jì)和電網(wǎng)調(diào)度的困難。尋找新的平衡方式如功率補(bǔ)償器也是現(xiàn)在的熱點(diǎn)。現(xiàn)廣泛采用的是安裝無(wú)功補(bǔ)償器如SVC、STATCOM 來(lái)提供一定無(wú)功穩(wěn)定風(fēng)電場(chǎng)出口電壓。在頻率方面，有研究將風(fēng)電場(chǎng)看作負(fù)的負(fù)荷，來(lái)通過(guò)AGC（自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)）調(diào)節(jié)系統(tǒng)發(fā)出的有功較好的解決其隨機(jī)性的問(wèn)題[26]。但是其綜合效果卻沒(méi)有新興的儲(chǔ)能裝置優(yōu)越，當(dāng)然后者的成本是重要的制約因素。儲(chǔ)能裝置對(duì)有功無(wú)功都可以進(jìn)行有效補(bǔ)償，其提供的有功有效彌補(bǔ)機(jī)組有功輸出波動(dòng)、緩解電壓頻率偏差，彌補(bǔ)純無(wú)功補(bǔ)償?shù)牟蛔恪?/p>

采用飛輪儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能、蓄電池儲(chǔ)能等在一定程度上能夠平滑風(fēng)電的有功波動(dòng)。分析風(fēng)電輸出功率頻率知，大部分都處于低頻域，0.01～1Hz頻段對(duì)電網(wǎng)影響最大?，F(xiàn)在的研究往往采用高通濾波器得到電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的參考輸出[19-20]，即式中， Pw為風(fēng)速。

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量可由該功率在時(shí)間上的積分求取，而根據(jù)截止頻率 0.01Hz求得時(shí)間常數(shù)τ= 1 5.9。研究表明，既可以有效平抑風(fēng)電場(chǎng)功率波動(dòng)，又可以提升風(fēng)電場(chǎng)的整體備用容量。

另外，由于連接點(diǎn)的短路比與電壓波動(dòng)呈負(fù)增長(zhǎng)關(guān)系，所以?xún)?yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、增加風(fēng)電場(chǎng)與電網(wǎng)間的電氣聯(lián)系、增大風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)短路容量也將有效減小風(fēng)速改變引起的電壓波動(dòng)。

3 結(jié)論

通過(guò)前文分析，自然不可控風(fēng)速對(duì)風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)造成的影響在滲透率（以發(fā)電量計(jì)）較低時(shí)可以由電力系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行緩解，但能力與效果有限。當(dāng)滲透率較高時(shí)，隨機(jī)波動(dòng)的風(fēng)電出力對(duì)電網(wǎng)電壓和頻率、潮流等的影響很可能越限，會(huì)造成電網(wǎng)不穩(wěn)定甚至解列、崩潰的后果，加重了發(fā)電調(diào)度負(fù)擔(dān)，大大增加了經(jīng)濟(jì)成本。因此，風(fēng)速造成的功率波動(dòng)對(duì)大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)的進(jìn)一步研究刻不容緩。

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