楊家然，羅曉芬

(華能威海發(fā)電有限責(zé)任公司，山東 威海 264205)

淺談大規(guī)模風(fēng)電接入對(duì)電力系統(tǒng)的影響

楊家然，羅曉芬

(華能威海發(fā)電有限責(zé)任公司，山東 威海 264205)

介紹了風(fēng)電場(chǎng)常用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的類型及其特點(diǎn)，分析了大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)安全和穩(wěn)定運(yùn)行的影響，總結(jié)了目前風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)影響的主要研究研究方法。針對(duì)存在的問題，提出了改進(jìn)建議。

風(fēng)電場(chǎng);電力系統(tǒng);影響分析

1 引言

風(fēng)能是潔凈的可再生能源，風(fēng)力發(fā)電是解決當(dāng)前突出的能源和環(huán)境問題的有效手段，因而得到了普遍重視和大規(guī)模開發(fā)利用。近年來，特別是《可再生能源法》實(shí)施以來，中國(guó)的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)和風(fēng)電市場(chǎng)發(fā)展十分迅速，2010年底，風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到4473．3萬千瓦，超過美國(guó)成為世界第一，風(fēng)電并網(wǎng)容量也達(dá)到了2956 萬千瓦，預(yù)計(jì)2020 年風(fēng)電裝機(jī)將翻倍［1，2］。

大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)必須解決的兩個(gè)主要問題就是消納與安全。由于風(fēng)能的隨機(jī)性和間歇性，導(dǎo)致預(yù)測(cè)困難、誤差大。因此，在現(xiàn)有的調(diào)度方式下很多風(fēng)電場(chǎng)負(fù)荷低谷時(shí)段被迫棄風(fēng)，影響了風(fēng)電的消納;當(dāng)風(fēng)電穿透功率超過一定值之后，會(huì)嚴(yán)重影響電能質(zhì)量和電網(wǎng)穩(wěn)定性、可靠性［3］，甚至引起大面積停電事故，2011年2月24日以來酒泉風(fēng)電基地連續(xù)發(fā)生三次大面積風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)事故，分別失去風(fēng)電出力84萬千瓦、100．6萬千瓦和153．5萬千瓦，同時(shí)使西北電網(wǎng)主網(wǎng)和華北電網(wǎng)主網(wǎng)的頻率拉低，導(dǎo)致電網(wǎng)系統(tǒng)電壓、頻率大幅度波動(dòng)，直接威脅到電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行［4］。隨著風(fēng)電場(chǎng)的容量越來越大，對(duì)系統(tǒng)的影響也越來越明顯，研究風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)的影響已成為重要課題，本文將就風(fēng)電并網(wǎng)研究中的一些問題進(jìn)行淺述。

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的原理及其特點(diǎn)

分析風(fēng)電并網(wǎng)的影響，首先要考慮風(fēng)力發(fā)電機(jī)類型的不同。不同風(fēng)電機(jī)組工作原理、數(shù)學(xué)模型都不相同，因此，分析方法也有差異。目前國(guó)內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)選用機(jī)組主要有3種，下面分別簡(jiǎn)單介紹這3種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的原理及其特點(diǎn)。

2．1 異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)［5］

異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，此種發(fā)電機(jī)為定速恒頻機(jī)組，運(yùn)行中轉(zhuǎn)速基本不變，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行在風(fēng)能轉(zhuǎn)換最佳狀態(tài)下的機(jī)率比較小，因而，發(fā)電能力比新型機(jī)組低。同時(shí)，運(yùn)行中需要從電力系統(tǒng)中吸收無功功率。為滿足電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)功率因素的要求，采用在機(jī)端并聯(lián)補(bǔ)償電容器的方法，其補(bǔ)償策略是異步發(fā)電機(jī)配有若干組固定容量電容器。由于風(fēng)速大小隨機(jī)變化，驅(qū)動(dòng)異步發(fā)電機(jī)的風(fēng)機(jī)不可能經(jīng)常在額定風(fēng)速下運(yùn)轉(zhuǎn)。

異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)

2．2 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)［6］

兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)普遍采用雙饋異步發(fā)電機(jī)形式，是目前世界主力機(jī)型，該機(jī)型稱為變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)。由于風(fēng)力機(jī)變速運(yùn)行，其運(yùn)行速度能在一個(gè)較寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，使風(fēng)機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)Cp得到優(yōu)化，獲得高的系統(tǒng)效率;可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)較平滑的電功率輸出;與電網(wǎng)連接簡(jiǎn)單，發(fā)電機(jī)本身不需要另外附加的無功補(bǔ)償設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)功率因素一定范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)，例如從0．95領(lǐng)先到0．95滯后范圍內(nèi)，因而具有調(diào)節(jié)無功功率出力的能力。

雙饋異步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)

2．3 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)［7］

從大型風(fēng)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)中，齒輪箱是故障率較高部件。采用無齒輪箱結(jié)構(gòu)則避免了這種故障的出現(xiàn)，可以大大提高風(fēng)電機(jī)組的可利用率、可靠性，降低風(fēng)電機(jī)組載荷，提高風(fēng)力機(jī)組壽命。該機(jī)組采用直接驅(qū)動(dòng)永磁式同步發(fā)電機(jī)，全部功率經(jīng)A－D－A變換，接入電力系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行。與其他機(jī)型比較，需考慮諧波治理問題。

直驅(qū)式交流永磁同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)

3 風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)影響分析方法

由于風(fēng)速變化是隨機(jī)的，因此風(fēng)電場(chǎng)出力也是隨機(jī)的，風(fēng)電本身這種特點(diǎn)使其容量可信度低，給電網(wǎng)有功、無功平衡調(diào)度帶來困難。

在風(fēng)電容量比較高的電網(wǎng)中，可能產(chǎn)生電能質(zhì)量問題，例如電壓波動(dòng)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(dòng)態(tài)穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定等。當(dāng)然，相同裝機(jī)容量的風(fēng)電場(chǎng)在不同接入點(diǎn)對(duì)電網(wǎng)的影響是不同的，在短路容量大的接入點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)影響小，反之，影響大。

定量分析風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的影響，要從穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)兩方面進(jìn)行分析。

穩(wěn)態(tài)分析，就是對(duì)含風(fēng)電場(chǎng)的電力系統(tǒng)進(jìn)行潮流計(jì)算。在穩(wěn)態(tài)潮流分析中，風(fēng)電場(chǎng)高壓母線不能簡(jiǎn)單視為PQ節(jié)點(diǎn)或PU節(jié)點(diǎn)。含風(fēng)電場(chǎng)的電力系統(tǒng)對(duì)平衡節(jié)點(diǎn)的有功、無功平衡能力提出更高要求，要分析含風(fēng)電場(chǎng)在電網(wǎng)大、小運(yùn)行方式下，是否滿足系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行的各種約束。

動(dòng)態(tài)分析過程，一般采用仿真的方法，要考慮異步發(fā)動(dòng)機(jī)、雙饋異步發(fā)動(dòng)機(jī)等不同發(fā)電機(jī)的模型以及風(fēng)速、風(fēng)機(jī)、槳距調(diào)節(jié)等環(huán)節(jié)，用仿真程序 PSS/E、PSCAD、PSASP等進(jìn)行分析，分析的關(guān)鍵是各種風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型的選用。

分析風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)影響，還需考慮風(fēng)電場(chǎng)無功問題。風(fēng)電場(chǎng)無功消耗包括:異步發(fā)動(dòng)機(jī)消耗、風(fēng)機(jī)出口出口升壓變壓器、風(fēng)電場(chǎng)升壓站主變壓器消耗等，如有必要，可采用動(dòng)態(tài)電壓控制設(shè)備。

目前風(fēng)電的容量可信度常用的有兩種評(píng)價(jià)方法:一種是計(jì)算含風(fēng)電場(chǎng)的電力系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)，在保證系統(tǒng)可靠性不變的前提下，風(fēng)電能夠替代的常規(guī)發(fā)電機(jī)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;另一種方法是時(shí)間序列仿真，選擇合適的時(shí)間段作為研究對(duì)象，通過計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)的容量系數(shù)(風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際出力與理論發(fā)電量的比值)來估算容量可信度，在負(fù)荷高峰時(shí)段，可以認(rèn)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(yùn)行提供決策支持。

4 風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)影響

通過上述分析方法，風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)影響主要表現(xiàn)為以下幾方面。

4．1 電壓閃變

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大多采用軟并網(wǎng)方式，但是在啟動(dòng)時(shí)仍然會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊電流。當(dāng)風(fēng)速超過切出風(fēng)速時(shí)，風(fēng)機(jī)會(huì)從額定出力狀態(tài)自動(dòng)退出運(yùn)行。如果整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)所有風(fēng)機(jī)幾乎同時(shí)動(dòng)作，這種沖擊對(duì)配電網(wǎng)的影響十分明顯。不但如此，風(fēng)速的變化和風(fēng)機(jī)的塔影效應(yīng)都會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)出力的波動(dòng)，而其波動(dòng)正好處在能夠產(chǎn)生電壓閃變的頻率范圍之內(nèi)(低于25Hz)，因此，風(fēng)機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)也會(huì)給電網(wǎng)帶來閃變問題，影響電能質(zhì)量。已有的研究成果表明，閃變對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)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。

4．2 諧波污染

風(fēng)電給系統(tǒng)帶來諧波的途徑主要有兩種:一種是風(fēng)力發(fā)電機(jī)本身配備的電力電子裝置，可能帶來諧波問題。對(duì)于直接和電網(wǎng)相連的恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)，軟啟動(dòng)階段要通過電力電子裝置與電網(wǎng)相連，因此會(huì)產(chǎn)生一定的諧波，不過因?yàn)檫^程很短，發(fā)生的次數(shù)也不多，通常可以忽略。但是對(duì)于變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)則不然，因?yàn)樽兯亠L(fēng)力發(fā)電機(jī)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(nèi)，則會(huì)產(chǎn)生很嚴(yán)重的諧波問題，不過隨著電力電子器件的不斷改進(jìn)，這一問題也在逐步得到解決。另一種是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并聯(lián)補(bǔ)償電容器可能和線路電抗發(fā)生諧振，在實(shí)際運(yùn)行中，曾經(jīng)觀測(cè)到在風(fēng)電場(chǎng)出口變壓器的低壓側(cè)產(chǎn)生大量諧波的現(xiàn)象。與電壓閃變問題相比，風(fēng)電并網(wǎng)帶來的諧波問題不是很嚴(yán)重。

4．3 電壓穩(wěn)定性

大型風(fēng)電場(chǎng)及其周圍地區(qū)，常常會(huì)有電壓波動(dòng)大的情況，主要是因?yàn)橐韵氯N情況。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)時(shí)仍然會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊電流。單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)電壓的沖擊相對(duì)較小，但并網(wǎng)過程至少持續(xù)一段時(shí)間后(約為幾十秒)才基本消失，多臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組同時(shí)直接并網(wǎng)會(huì)造成電網(wǎng)電壓驟降。因此多臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)需分組進(jìn)行，且要有一定的間隔時(shí)間。當(dāng)風(fēng)速超過切出風(fēng)速或發(fā)生故障時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)會(huì)從額定出力狀態(tài)自動(dòng)退出并網(wǎng)狀態(tài)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的脫網(wǎng)會(huì)產(chǎn)生電網(wǎng)電壓的突降，而機(jī)端較多的電容補(bǔ)償由于抬高了脫網(wǎng)前風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行電壓，從而引起了更大的電網(wǎng)電壓的下降。

風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速條件變化也將引起風(fēng)電場(chǎng)及其附近的電壓波動(dòng)。比如當(dāng)風(fēng)場(chǎng)平均風(fēng)速加大，輸入系統(tǒng)的有功功率增加，風(fēng)電場(chǎng)母線電壓開始有所降低，然后升高。這是因?yàn)楫?dāng)風(fēng)場(chǎng)輸入功率較小時(shí)，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(dāng)風(fēng)場(chǎng)輸入功率增大時(shí)，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(jī)端電容補(bǔ)償，則風(fēng)電場(chǎng)的電壓增加。特別是，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)與系統(tǒng)間等值阻抗較大時(shí)，由于風(fēng)速變動(dòng)引起的電壓波動(dòng)現(xiàn)象更為明顯。研究發(fā)現(xiàn)，使用電力電子轉(zhuǎn)換裝置的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，能夠減少電壓波動(dòng)，比如并網(wǎng)時(shí)風(fēng)電場(chǎng)機(jī)端若能提供瞬時(shí)無功，則啟動(dòng)電流也大大減小，對(duì)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(jī)作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)，除非采取必要的預(yù)防措施，如動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償、加固網(wǎng)絡(luò)或者采用HVDC連接，否則當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中某處發(fā)生三相接地故障時(shí)，將有可能導(dǎo)致全網(wǎng)的電壓崩潰。

4．4 無功控制、有功調(diào)度

大型風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)幾乎都是異步發(fā)電機(jī)，在其并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)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(fù)擔(dān)，有可能導(dǎo)致小型電網(wǎng)的電壓失穩(wěn)。因此風(fēng)力發(fā)電機(jī)端往往配備有電容器組，進(jìn)行無功補(bǔ)償，從而提高電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量及降低成本。雙饋型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)無功功率的控制——雙饋發(fā)電機(jī)在實(shí)現(xiàn)電壓控制的同時(shí)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(bǔ)償;②可以通過對(duì)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的獨(dú)立控制實(shí)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(jī)在轉(zhuǎn)子側(cè)的變頻器通過轉(zhuǎn)子電流d軸分量實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和力矩的控制，無功和勵(lì)磁則是通過轉(zhuǎn)子電流的q軸分量來控制的。同時(shí)，電網(wǎng)側(cè)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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子側(cè)與電網(wǎng)側(cè)變頻器之間的有功交換。

4 結(jié)論

隨著風(fēng)電的高速發(fā)展，對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)的研究會(huì)越來越重要。影響風(fēng)電并網(wǎng)的技術(shù)障礙包括缺少風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃、風(fēng)力發(fā)電機(jī)和風(fēng)電場(chǎng)模型的模擬軟件、風(fēng)電場(chǎng)輸出預(yù)測(cè)等。

建議通過硬件建設(shè)，改進(jìn)電網(wǎng)負(fù)荷平衡能力;通過軟件建設(shè)，提高電網(wǎng)的調(diào)度能力和水平;制訂嚴(yán)格的風(fēng)電入網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)風(fēng)機(jī)制造技術(shù)的進(jìn)步;提高風(fēng)電短期預(yù)測(cè)技術(shù)能力和水平。

［1］ 李俊峰，高虎，等．2008中國(guó)風(fēng)電發(fā)展報(bào)告［Z］．

［2］ 李俊峰．風(fēng)光無限:中國(guó)風(fēng)電發(fā)展報(bào)告2011［M］．北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2011:2－4．

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The Effect of the Large-Scale W ind Power Penetration on Power System s

YANG Jia-ran，LUO Xiao-fen
(Huaneng Weihai Power Generation Co．，LTD，Weihai264205，China)

The types and characteristics of commonly used wind turbines in wind farm are described，the impact on security and stability of the power system with large-scale wind power are analyzed．Summarize themain researchmethods of the impacton the power system with wind power．The improvement recommendations for the existing problems are given．

wind field;power system;analysis of influence

TM71

B

1004－289X(2013)04－0011－04

2012－07－11

楊家然(1984－)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)控制與繼電保護(hù);

羅曉芬(1983－)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真及計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制。