崔志飛 孫晨光 只群 王小宇

（國網(wǎng)天津東麗公司天津300300）

淺析風電場接入電網(wǎng)對電力系統(tǒng)的影響

崔志飛 孫晨光 只群 王小宇

（國網(wǎng)天津東麗公司天津300300）

作為一種可再生能源，風能的優(yōu)勢在于無污染且儲量大。在電力行業(yè)中，風能已經成為眾多可再生能源中發(fā)展速度最快和最具發(fā)展?jié)摿Φ哪茉?。然而，隨著風力發(fā)電技術的成熟，風力發(fā)電規(guī)模和容量越來越大，風電場并網(wǎng)運行對電力系統(tǒng)的影響越來越顯著。因此，為了更好的應用風能發(fā)電，面臨的迫切問題是進一步分析大規(guī)模風電場接入電網(wǎng)對系統(tǒng)的影響。本文主要以恒速恒頻風力發(fā)電機為研究對象，基于MATLAB仿真平臺，對在風速變化和無功補償設備投切條件下風電場出口處電壓和功率特性進行了仿真分析，直觀的體現(xiàn)了風電場接入電力系統(tǒng)后對電力系統(tǒng)的影響。

風力發(fā)電；MATLAB；電壓穩(wěn)定性

作為一種可再生能源，風能的優(yōu)勢在于無污染且儲量大。相比于傳統(tǒng)發(fā)電方式，風力發(fā)電幾乎不消耗任何資源，這就對改善我國工業(yè)結構、減少污染物排放具有重大意義，而且對霧霾如此嚴重的今天尤顯重要[1]。因此，風力發(fā)電已納入我國國民經濟和社會發(fā)展規(guī)劃。

隨著發(fā)電規(guī)模的不斷擴大，風力發(fā)電已經成為電網(wǎng)電源中的重要組成部分。為了更加充分地利用可開發(fā)的風力資源，需要深入研究大規(guī)模風電場接入電力系統(tǒng)后對電力系統(tǒng)的動態(tài)影響，這對于風電場的規(guī)劃、設計和運行都有重要的意義。

1 國內外風力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外風力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀

風電產業(yè)最早于1990年起步，經過二十多年的發(fā)展，全世界風電裝機容量累計達到1.21×108kW，增長率約為42%。截止到2012年，風電總量為2600×108kW·h，占全世界總量的1.5%。據(jù)統(tǒng)計，2012年各國風電裝機容量方面，美國保持第一，中國第二，印度則超過德國排名第三，并且前三名國家合計新增裝機容量占全世界的60%。最近數(shù)年，美國又轉向研究其海上風能資源，并已經制定海上風力發(fā)電計劃，開發(fā)海上風力發(fā)電，風能的應用前景更加樂觀[2]。

盡管風電的發(fā)展仍然存在著很多困難，如電網(wǎng)適應能力、風能資源、海上風電發(fā)展等，但相比于常規(guī)能源，經濟性優(yōu)勢逐步凸顯，世界各國都對風電發(fā)展充滿了信心。

1.2 國內風力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀

我國的風力資源十分豐富，陸地風能可開發(fā)量約253GW，僅次于美國和俄羅斯，居世界第三位;海上風能資源更大，估計可開發(fā)量在750GW左右，兩者總計約1000GW[3]。

我國對風能的利用起步于20世紀50年代后期，當時在新疆等省建立了單臺容量在10kW以下的小型風力發(fā)電場，但其后就處于停滯狀態(tài)。近代風電發(fā)展開始于1986年，隨后我國風電產業(yè)迅速發(fā)展，根據(jù)中國風能協(xié)會發(fā)布的數(shù)據(jù)，2014年，我國新增風電裝機量刷新歷史紀錄。據(jù)統(tǒng)計，全國(除臺灣地區(qū)外)新增裝機容量23196MW，同比增長44.2%;累計裝機容量114609MW，同比增長25.4%。按照國家“建設大基地，融入大電網(wǎng)”的風電規(guī)劃構想，我國風電己進入大規(guī)模基地式集中開發(fā)階段[4]。

2 風電場與其他常規(guī)能源電廠相比的主要特點

在運行方面風電場與常規(guī)能源發(fā)電廠有多方面共性，但由于發(fā)電能源的特殊性，因此風力發(fā)電與常規(guī)能源發(fā)電(比如火電、水電和核電)相比，基本區(qū)別有以下四點：(1)相對于常規(guī)能源發(fā)電，風具有隨機性和間歇性，因此風電場的有功輸出亦具有隨機性，大小取決于風速的變比；(2)目前風電機組廣泛使用異步發(fā)電機，在輸出有功的同時，發(fā)電機會從電網(wǎng)吸收無功;而常規(guī)能源使用的都是同步發(fā)電機組；(3)相對于常規(guī)能源機組，風電機組的單機容量較小，一個風電場通常由大量風電機組并列運行。

綜上所述，風力發(fā)電機的輸出具有波動性和間歇性，并且會從電網(wǎng)吸收無功功率，無功功率的需求量與有功功率輸出同步變化、同時進行。以上這些特性的影響與風電場的容量大小有關，隨著風電場容量在系統(tǒng)中所占比例的增加，這種影響也會越來越顯著。

3 風電場對電力系統(tǒng)的主要影響

大自然中的風是隨時變化的，當風速變化時，風力發(fā)電機輸出的有功功率和吸收的無功功率同時發(fā)生變化，風力發(fā)電機的這種動態(tài)過程也將會影響與之相連的電網(wǎng)，當風電場的規(guī)模較小時，這種影響的危害性不大，但是當風電場的容量發(fā)展到一定規(guī)模時，這種影響就可能導致電力系統(tǒng)的動態(tài)失穩(wěn)。以下應用MATLAB中的仿真軟件，對恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運行進行仿真分析。

3.1 仿真系統(tǒng)描述

本文所用仿真系統(tǒng)的仿真圖如圖1所示，是一個典型的恒速恒頻風力發(fā)電廠接入無限大系統(tǒng)的例子。這個風電場是由六臺風電機組成的，每臺風電機的容量為1.5MW，并接于35kV電網(wǎng)系統(tǒng)，之后由25km的聯(lián)絡線與110kV系統(tǒng)相連，將110kV以上的電壓等級的電網(wǎng)由等值電源與等值阻抗代替。

其中，風電場的出口處裝有3Mvar的STATCOM，每兩臺風機為一組，每組配備400kvar投切電容器，風電機的運行條件為5m/ s～15m/s之間，風電機的額定風速為9m/s。

圖1 仿真系統(tǒng)結構圖

3.2 漸變風下的系統(tǒng)仿真

設置風速模型，使得0s～2s風速為8m/s,從第二秒開始風速漸變增大，5s時增大到11m/s，之后維持在11m/s，直至10s仿真結束。以下是風電場電壓、有功功率、無功功率和風速的變化情況。

型，N=3.0kW，連續(xù)運行。

（5）提升泵Ⅴ（中間水池→過濾器），二臺（一用一備），65WQ30-15-3型，N=3.0kW，連續(xù)運行。

（6）反沖洗泵（壓濾機→A/O池），一臺，80WQ32-15-3型，N= 3.0kW，連續(xù)運行。

（7）氣浮池全套設備，原有利用，連續(xù)運行。

（8）污泥處理系統(tǒng)，原有利用，間歇運行。

（9）加藥系統(tǒng)，原有利用，連續(xù)運行。

（10）鼓風機（三葉式），兩臺（一用一備），SSR150，QS13.35m3/min，

△P53.9kPa，rpm970，N=22kW，連續(xù)運行。

（11）浮油回收器（用于破乳調節(jié)池），一臺，N=0.75kW，間歇運行。

（12）刮油機，一臺，N=0.75kW，間歇運行。

5 新建建設投資費用表

改造工程新建建設投資費用見表1。