袁 飛

（中國電力技術(shù)裝備有限公司，中國北京100052）

1 引言

風(fēng)能是全球能源互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建過程中重要的能源形式，風(fēng)力發(fā)電因其低污染高回報(bào)的特點(diǎn)越來越受發(fā)電行業(yè)的青睞。但是當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電還尚不成熟，還存在著一些問題，本文將就其中三個問題展開論述：第一是低電壓穿越功能在風(fēng)電中的應(yīng)用；第二是風(fēng)功率預(yù)測在風(fēng)電行業(yè)中的應(yīng)用；第三是風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性，這些問題將依賴于對風(fēng)力發(fā)電研究的深入而得到改善。

2 低壓穿越

2.1 風(fēng)機(jī)的大規(guī)模脫網(wǎng)

電力系統(tǒng)的故障發(fā)生時間極短，如果沒有及時地調(diào)整或切除，故障將會在短時間內(nèi)影響整個系統(tǒng)。電力系統(tǒng)發(fā)生故障時系統(tǒng)電壓降低會導(dǎo)致電網(wǎng)設(shè)備脫網(wǎng)，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的電能質(zhì)量（電壓、頻率）。風(fēng)機(jī)的大規(guī)模脫網(wǎng)主要來自兩方面。首先是來自電網(wǎng)，因?yàn)殡娋W(wǎng)在運(yùn)行過程中難免會出現(xiàn)一些故障，故障發(fā)生后會切除整個故障網(wǎng)絡(luò)，同時切除連接到此網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備，包括部分風(fēng)電設(shè)備。其次來自風(fēng)機(jī)，因?yàn)殡娋W(wǎng)擾動或瞬時性故障切除時，電網(wǎng)電壓偏低，如果風(fēng)電機(jī)組不具備低壓穿越功能，就會造成風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)。如果風(fēng)電裝機(jī)比例較小時，立即切斷風(fēng)機(jī)組調(diào)整產(chǎn)生的影響還可以接受，但是當(dāng)風(fēng)機(jī)組裝及比例較大時，切斷它們將會對電網(wǎng)不論是電壓還是頻率方面的穩(wěn)定都造成較大的影響。而解決風(fēng)機(jī)大規(guī)模脫網(wǎng)的最直接最現(xiàn)實(shí)的方法就是為風(fēng)機(jī)配置低壓穿越功能。

2.2 低壓穿越

2.2.1 低壓穿越的定義

低壓穿越是指在電網(wǎng)出現(xiàn)故障而使電壓降低時，風(fēng)機(jī)組能夠保持不脫網(wǎng)運(yùn)行，甚至能夠?qū)﹄娋W(wǎng)提供無功補(bǔ)償，使其能夠“穿越”電網(wǎng)產(chǎn)生故障的這一段時間。

2.2.2 低壓穿越的實(shí)現(xiàn)方法

實(shí)現(xiàn)低壓穿越的方法一般有三種。一種是采用了轉(zhuǎn)子短路保護(hù)技術(shù)，二種是引入新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，三是采用合理的勵磁控制算法。

轉(zhuǎn)子短路保護(hù)技術(shù)是指在發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)提供crowbar電路作為旁路，當(dāng)檢測到電壓降低過大時，閉鎖雙饋感應(yīng)電機(jī)的勵磁變流器，同時開啟旁路，這樣就限制了通過勵磁變流器的電流和轉(zhuǎn)子繞組的過電壓，使機(jī)組能夠不脫網(wǎng)運(yùn)行。

利用新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也能實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的不脫網(wǎng)運(yùn)行，是指通過電力電子器件對風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造，而使其具有低壓穿越能力。實(shí)際上在此過程中風(fēng)機(jī)與電網(wǎng)有短暫的脫離，但是在電網(wǎng)電壓恢復(fù)時能夠迅速恢復(fù)與電網(wǎng)的聯(lián)通，而此脫離并非普通發(fā)電機(jī)由繼電保護(hù)裝置切斷而產(chǎn)生的脫離，而是因電網(wǎng)電壓恢復(fù)時產(chǎn)生的高反向電流使定子與電網(wǎng)間串聯(lián)的晶閘管電路關(guān)斷而導(dǎo)致，當(dāng)電壓恢復(fù)正常時電路可以重新被觸發(fā)進(jìn)而導(dǎo)通，并且電網(wǎng)電壓恢復(fù)時，發(fā)電機(jī)能立刻通過可控硅電路的觸發(fā)導(dǎo)通與電網(wǎng)連接。

采用合理的勵磁控制算法，也能控制實(shí)現(xiàn)低壓穿越，通過PID算法或基于DSP的控制算法來控制發(fā)電機(jī)勵磁來實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)間的聯(lián)系，以使風(fēng)機(jī)組能夠成功穿越過電網(wǎng)電壓降低到恢復(fù)這一階段。

2.2.3 低壓穿越的要求

目前各大主要風(fēng)力發(fā)電國家已相繼制定風(fēng)機(jī)組低壓穿越能力的標(biāo)準(zhǔn)，中國也制定了低壓穿越的標(biāo)準(zhǔn)，目前中國對于風(fēng)機(jī)組低壓穿越能力有大致的要求，即：

（1）風(fēng)電場必須能在電壓跌至20%額定電壓時維持并網(wǎng)運(yùn)行620ms；

（2）如果機(jī)組電壓在發(fā)生跌落后3s內(nèi)能夠恢復(fù)到額定電壓的90%，機(jī)組要保持并網(wǎng)運(yùn)行；

（3）當(dāng)風(fēng)電場變壓器高壓側(cè)電壓不低于額定電壓的90%時，風(fēng)電場須不間斷并網(wǎng)運(yùn)行。

3 風(fēng)電場功率變化對電力系統(tǒng)平衡的影響及風(fēng)電功率的預(yù)測

3.1 風(fēng)電場對電力系統(tǒng)平衡的影響

3.1.1 風(fēng)電場對電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的影響

基于異步感應(yīng)發(fā)電機(jī)的風(fēng)電機(jī)組和基于雙饋感應(yīng)電機(jī)的發(fā)電機(jī)組因其獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)在風(fēng)電場中應(yīng)用最廣泛，而這兩類風(fēng)電機(jī)組對電網(wǎng)的電壓都會產(chǎn)生影響，造成電網(wǎng)電壓的不穩(wěn)定。

對于使用異步感應(yīng)發(fā)電機(jī)的恒速風(fēng)電機(jī)組，應(yīng)從兩方面考慮其對電網(wǎng)電壓的影響。首先，投切時，感應(yīng)發(fā)電機(jī)在運(yùn)行時需要吸收無功，所以其與普通的發(fā)電機(jī)有所區(qū)別，表現(xiàn)在當(dāng)其接入電網(wǎng)時，電網(wǎng)需要提供一部分無功功率，當(dāng)其切出電網(wǎng)時，電網(wǎng)能產(chǎn)生一部分無功富余。其次，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組發(fā)出的有功功率增長時，其吸收的無功功率也相應(yīng)地增加，由于發(fā)出的有功功率的增加，也必定導(dǎo)致線路上的無功損耗增加，此時機(jī)組端會并聯(lián)電容進(jìn)行補(bǔ)償，當(dāng)并聯(lián)補(bǔ)償?shù)臒o功功率與線路充電功率之和大于機(jī)組吸收的無功與線路消耗的無功時，尚能較好地調(diào)整電壓使其穩(wěn)定；當(dāng)機(jī)組端的并聯(lián)補(bǔ)償和線路充電功率小于機(jī)組吸收的無功與線路消耗的無功時，機(jī)端電壓水平降低，電壓穩(wěn)定性也隨之降低。

對于使用雙饋感應(yīng)電機(jī)機(jī)組的風(fēng)電場，能夠?qū)崿F(xiàn)有功功率與無功功率的解耦控制，使有功功率增多時對于無功功率影響較小，其無功僅取決于對風(fēng)電機(jī)組的控制，不存在與電網(wǎng)的無功交換，因此相比于基于異步感應(yīng)發(fā)電機(jī)的風(fēng)電機(jī)組，其穩(wěn)定性好得多。

3.1.2 風(fēng)電場對電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性的影響

風(fēng)機(jī)組接入電網(wǎng)，必定將與電網(wǎng)同頻率運(yùn)行。電能的產(chǎn)生，配送與消耗所用的時間是非常短暫的，這就要求一個時間點(diǎn)所產(chǎn)生的電能與所消耗的電能相一致，否則就會使頻率發(fā)生變化。風(fēng)電場對電網(wǎng)頻率的影響取決于多方面，主要包括系統(tǒng)的開機(jī)方式，系統(tǒng)的一次調(diào)頻作用，故障點(diǎn)距離風(fēng)電場的遠(yuǎn)近，電網(wǎng)故障的嚴(yán)重級別（如發(fā)生故障），風(fēng)電機(jī)組是否配置頻率保護(hù)以及風(fēng)電機(jī)組是否具備低壓穿越能力等。

如果風(fēng)電機(jī)組配置了頻率保護(hù)，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組出力突然變化時，可以使系統(tǒng)的頻率變化在可承受范圍內(nèi)；當(dāng)風(fēng)電機(jī)組未配備頻率保護(hù)時，機(jī)組出力的突然變化會導(dǎo)致系統(tǒng)頻率的變化較大，從而影響系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性。

對于不具備低壓穿越能力的機(jī)組，當(dāng)機(jī)端電壓過低時，風(fēng)電機(jī)組將被切除，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組被大規(guī)模切除時，會使電網(wǎng)頻率嚴(yán)重降低，電網(wǎng)的低壓保護(hù)裝置便會切除其它負(fù)荷，從而對供電產(chǎn)生影響。所以當(dāng)前的風(fēng)電機(jī)組，大多配置了低壓穿越功能。

3.2 風(fēng)電功率預(yù)測

3.2.1 風(fēng)電功率預(yù)測的重要性

功率預(yù)測對于電力系統(tǒng)的預(yù)測十分重要。利用有功功率日負(fù)荷曲線可以制定年發(fā)電計(jì)劃，利用有功功率年負(fù)荷曲線可以制定檢修計(jì)劃，是非常有必要的，這也是緩解電力系統(tǒng)的調(diào)峰，調(diào)頻能力和調(diào)壓能力以及調(diào)節(jié)風(fēng)電的接納能力的重要手段。

3.2.2 風(fēng)電功率預(yù)測的要求

全世界的電網(wǎng)調(diào)度部門對于功率預(yù)測的要求有所不同，中國電網(wǎng)調(diào)度部門對風(fēng)電功率預(yù)測的要求主要有兩個，第一是短期預(yù)測，即當(dāng)天預(yù)測次日00：00點(diǎn)起72小時內(nèi)的功率，時間分辨率是15分鐘，主要用于系統(tǒng)發(fā)電計(jì)劃安排；二是超短期預(yù)測，即在0～4小時前進(jìn)行預(yù)測，用于電網(wǎng)的實(shí)時調(diào)度。

3.2.3 風(fēng)電功率預(yù)測的方法

當(dāng)前風(fēng)電功率預(yù)的測主要有兩種方法：一是統(tǒng)計(jì)方法，二是物理方法。統(tǒng)計(jì)方法是指不考慮風(fēng)電機(jī)運(yùn)行時的物理過程，利用以往運(yùn)行記錄所得的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找出天氣狀況與風(fēng)電場之間的近似關(guān)系，然后根據(jù)天氣預(yù)報(bào)所得的未來一段時間天氣狀況的數(shù)值對功率進(jìn)行預(yù)測。物理方法是指根據(jù)天氣預(yù)報(bào)得出的風(fēng)速，風(fēng)向，氣壓等以及風(fēng)場周圍等高線，粗糙度，障礙物等信息，利用物理公式計(jì)算風(fēng)機(jī)輪轂周圍的風(fēng)向，風(fēng)速，氣壓，氣溫等數(shù)據(jù)，再利用已知的功率曲線，進(jìn)行功率預(yù)測。兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，但都可以相對準(zhǔn)確地預(yù)測出風(fēng)電機(jī)組的功率。

4 風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性

4.1 風(fēng)力發(fā)電的成本

風(fēng)能屬于間歇性能源，具有波動性，隨機(jī)性，間歇性和不可調(diào)度性等特點(diǎn)。風(fēng)力發(fā)電的成本有初始投資成本（包括并網(wǎng)成本）、運(yùn)行和維護(hù)成本，另外一大成本就是需要為其設(shè)置旋轉(zhuǎn)備用，以應(yīng)對風(fēng)電機(jī)組功率不確定的變化，保持系統(tǒng)的穩(wěn)定。例如互補(bǔ)運(yùn)行發(fā)電系統(tǒng)，這種組合方式使系統(tǒng)可靠性高，配置靈活，但不可避免地增加了成本。由此可見，雖然風(fēng)力發(fā)電與火力發(fā)電相比在燃料方面非常節(jié)約，但是旋轉(zhuǎn)備用的設(shè)置使其成本增加。

4.2 風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性

目前全球大力推進(jìn)風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展，使得風(fēng)力發(fā)電的規(guī)模越來越大，風(fēng)力發(fā)電所占比例也越來越大，這樣可以使風(fēng)力發(fā)電的利潤加大，成本相對變小。而風(fēng)機(jī)生產(chǎn)商近年來也一直致力于生產(chǎn)工藝的優(yōu)化，大大提高了風(fēng)機(jī)的質(zhì)量，減小了故障率，也減小了風(fēng)力發(fā)電的運(yùn)行成本。另外，對于風(fēng)力資源勘探技術(shù)和風(fēng)電場選址方法的進(jìn)步，使得風(fēng)電場的選址更加科學(xué)，進(jìn)一步加大了風(fēng)力發(fā)電的利潤。而對于全球各地風(fēng)力資源特點(diǎn)的進(jìn)一步了解，使發(fā)電企業(yè)得以根據(jù)不同地區(qū)風(fēng)力資源的特點(diǎn)使用合適的發(fā)電機(jī)組，這也提高了風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性。因此，目前全球風(fēng)力發(fā)電技術(shù)雖然不是很成熟，但是風(fēng)力發(fā)電在全球仍能具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)束語

風(fēng)力發(fā)電以其經(jīng)濟(jì)性和低污染性使其在全球能源互聯(lián)網(wǎng)中越來越重要。而上述制約風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的問題和困難，甚至有時是引起事故的罪魁禍?zhǔn)住ｋS著對風(fēng)力發(fā)電研究的深入，這些問題都將得到解決。在未來幾年中風(fēng)力發(fā)電將會更加快速地發(fā)展，所占比重必然進(jìn)一步擴(kuò)大，必將為全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展做出長足的貢獻(xiàn)。