，，，小鵬

(1.國網(wǎng)四川省電力公司，四川 成都 610041； 2. 國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610041； 3. 國網(wǎng)成都供電公司，四川 成都 610041)

0 引 言

并網(wǎng)型風(fēng)電場是大規(guī)模利用風(fēng)能的有效方式之一[1]，因此并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)成為目前大規(guī)模發(fā)展風(fēng)電需要研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)，其聯(lián)網(wǎng)問題直接影響著風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前風(fēng)電聯(lián)網(wǎng)的瓶頸主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是效率和成本問題。降低成本、提高效率、增加壽命一直是風(fēng)電機(jī)組發(fā)展所追求的目標(biāo)，一塔一發(fā)電機(jī)一變壓器的結(jié)構(gòu)以及多級(jí)行星齒輪變速箱的插入，不但使效率降低，而且增大了成本投入，機(jī)組可靠性降低，機(jī)組變得異常龐大笨重。二是風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)以及風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)之間的相互影響問題。風(fēng)電出力波動(dòng)大，而且風(fēng)電場離負(fù)荷中心較遠(yuǎn)，給電網(wǎng)運(yùn)行帶來不利影響[2-4]。毫無疑問，每千瓦成本高、系統(tǒng)抗風(fēng)電擾動(dòng)能力差是影響風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵性制約。所以，要想從根本上解決風(fēng)電并網(wǎng)問題，則亟需探索新的技術(shù)道路和方案。

早在20世紀(jì)90年代，文獻(xiàn)[5]就提出了分頻輸電的設(shè)想。它是通過降低輸電系統(tǒng)頻率，減小輸電系統(tǒng)中的電抗，從而大幅度提高輸電系統(tǒng)輸送能力的一種新型輸電方式。它突破了傳統(tǒng)輸電方式主要依靠提高電壓等級(jí)來提高輸送容量的局限，為遠(yuǎn)距離、大容量傳輸提供了一種有競爭力的輸電方案。而分頻輸電系統(tǒng)動(dòng)模實(shí)驗(yàn)則證明了將頻率降至工頻的1/3可以數(shù)倍地(2.6倍)提高輸電線路的傳輸容量[6-7]。近幾年來，部分學(xué)者也通過仿真的方式對(duì)分頻輸電的穩(wěn)態(tài)特定及故障特性進(jìn)行了詳細(xì)的研究[8-9]。研究表明，分頻輸電方式在新能源和可再生能源發(fā)電遠(yuǎn)距離接入系統(tǒng)中也有著廣闊的應(yīng)用前景[10-11]，同時(shí)也對(duì)其控制策略進(jìn)行了初步的探索[12]。

然而，以上研究都沒有對(duì)風(fēng)電經(jīng)分頻輸電并網(wǎng)系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能進(jìn)行定量的分析。因此，下面對(duì)風(fēng)電經(jīng)分頻輸電并網(wǎng)系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能進(jìn)行了分析。利用基于靜態(tài)安全約束的風(fēng)電經(jīng)分頻輸電方式并網(wǎng)系統(tǒng)的穿越功率極限計(jì)算方法，在RTS24節(jié)點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)中對(duì)3種風(fēng)電并網(wǎng)方案進(jìn)行分析。經(jīng)過比較得知與風(fēng)電就近并入電網(wǎng)邊界相比，利用分頻或者工頻傳輸系統(tǒng)將風(fēng)電傳輸至負(fù)荷中心可以數(shù)倍地提高風(fēng)電地穿越功率極限。

1 風(fēng)電經(jīng)分頻輸電并網(wǎng)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)示意圖

分頻輸電用于風(fēng)電并網(wǎng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其基本思路為：在同一個(gè)風(fēng)力場，通過控制系統(tǒng)使各發(fā)電機(jī)發(fā)出相同頻率，共同匯入交流匯流母線，經(jīng)過升壓變壓器及輸電線路傳輸后，通過分頻輸電裝置-變頻器并入無窮大系統(tǒng)。

圖1 風(fēng)電經(jīng)分頻輸電并網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

風(fēng)電經(jīng)分頻輸電并入電網(wǎng)，可以預(yù)期存在著以下優(yōu)勢(shì)：

1)采用較低頻率進(jìn)行輸電，使齒輪箱的增速比隨之下降，提高了效率，降低了投入成本；同時(shí)，減少發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù)，降低了發(fā)電機(jī)的制造難度。

2)由于分頻輸電是交流輸電系統(tǒng)，沒有直流輸電諸如極化、電場效應(yīng)等一些固有問題。

3)由于輸電頻率降低，可能更有利于斷路器選相分閘技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，減小斷路器體積和成本。雖然低頻變壓器成本會(huì)有所上升，但是仍可以控制。

4)降低輸電頻率可以減小輸電線路的等效距離，因此可以直接將風(fēng)電送至承受沖擊能力強(qiáng)的負(fù)荷中心，提高風(fēng)電的穿越功率極限，減小風(fēng)電給配電網(wǎng)帶來問題，有利于風(fēng)電的發(fā)展。

1.2 變頻器的選擇

分頻輸電系統(tǒng)中最關(guān)鍵的器件是實(shí)現(xiàn)不同頻率系統(tǒng)連接并進(jìn)行能量交換的變頻裝置，現(xiàn)階段主要使用電力電子裝置實(shí)現(xiàn)兩側(cè)不同頻率系統(tǒng)的互聯(lián)。根據(jù)電力電子裝置原理，直接變頻的交交變頻器及間接變頻的交直交變頻器都可以實(shí)現(xiàn)這一功能。

從結(jié)構(gòu)、成本、運(yùn)行特點(diǎn)、控制策略、諧波含量和無功消耗幾個(gè)方面可以對(duì)交交變頻器和交直交變頻器進(jìn)行初步比較?？梢钥闯鰞煞N變頻設(shè)備都可以應(yīng)用于分頻風(fēng)電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)不同頻率系統(tǒng)的連接，但各有利弊。

經(jīng)過比較，可以得出以下結(jié)論：

1)交交變頻器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，由72個(gè)橋臂和一個(gè)與工頻側(cè)聯(lián)結(jié)的換流變壓器構(gòu)成。而交直交變頻器僅由24個(gè)橋臂、兩個(gè)分別與兩側(cè)系統(tǒng)相連的換流變壓器以及一個(gè)平波電抗器構(gòu)成。但是交交變頻器效率略高于后者；同時(shí)由于省去了低頻側(cè)換流變壓器，因此其成本較低于后者，大約為交直交變頻器的80%。

2)交交變頻器屬于直接環(huán)流裝置，因此其控制方式及諧波含量都比交直交變頻器復(fù)雜。

3)交交變頻器僅從工頻側(cè)吸收無功，而交直交變頻器需要從工頻與低頻兩側(cè)同時(shí)吸收無功。

4)在電力系統(tǒng)中，交直交變頻器使用經(jīng)驗(yàn)多于交交變頻器。

由此可見，在進(jìn)行分頻輸電的實(shí)際工程中，需要根據(jù)當(dāng)時(shí)的科研、工藝及經(jīng)費(fèi)情況合理地在交交變頻器與交直交變頻器中進(jìn)行選擇。但是從經(jīng)濟(jì)性與效率角度考慮，交交變頻器占有一定得優(yōu)勢(shì)。

2 風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)穿越功率極限計(jì)算

并網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)穿越功率極限的影響是并網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)評(píng)估的重要部分。基于靜態(tài)安全約束計(jì)算風(fēng)力發(fā)電穿越極限功率。當(dāng)風(fēng)電接入系統(tǒng)時(shí)，首先需要考慮的是風(fēng)電的接入是否會(huì)引起系統(tǒng)靜態(tài)安全性能的下降。

風(fēng)電穿越功率極限的本質(zhì)就是系統(tǒng)保持其靜態(tài)安全性能的基礎(chǔ)上所接受的最大風(fēng)能。這些靜態(tài)安全性能包括：節(jié)點(diǎn)電壓不越限、線路功率在允許范圍內(nèi)、各個(gè)發(fā)電機(jī)和無功補(bǔ)償裝置的出力不超過額定值。因此，風(fēng)力發(fā)電穿越功率極限計(jì)算的問題可以等效為一個(gè)優(yōu)化問題：

maxPwinds.t.h(x)=0g(x)≤0

(1)

式中，等式約束條件h(x)=0主要指系統(tǒng)要滿足潮流約束。特別的，當(dāng)風(fēng)能利用分頻輸電并入系統(tǒng)時(shí)，需要滿足以下幾組功率方程：

1)工頻側(cè)節(jié)點(diǎn)功率方程

工頻側(cè)節(jié)點(diǎn)功率方程與傳統(tǒng)的交流系統(tǒng)潮流計(jì)算節(jié)電功率方程具有相同的形式，即

(2)

(3)

(4)

(5)

式(4)、式(5)表明，與變頻變壓器直接相連的工頻側(cè)節(jié)點(diǎn)，其注入功率還需考慮低頻側(cè)通過變頻器向工頻側(cè)注入的有功、無功功率。

2)低頻側(cè)節(jié)點(diǎn)功率方程

低頻側(cè)節(jié)點(diǎn)功率方程在形式上與工頻側(cè)節(jié)電功率方程類似，但是由于頻率不同，一些物理量需要進(jìn)行處理。其方程如式(6)、式(7)所示。

(6)

(7)

(8)

(9)

同時(shí)，由于低頻側(cè)頻率不同，還需對(duì)導(dǎo)納陣進(jìn)行修正，因此式(6)、式(7)中

(10)

式中：Bij為工頻條件下計(jì)算出的電納值；fIn為工頻系統(tǒng)頻率；fL為低頻系統(tǒng)頻率。

3)變頻器方程

根據(jù)變頻器模型[13]，忽略換流變壓器有功損耗時(shí)，可以得到修正方程為

(11)

Δd2=PLt-PtI=0

(12)

Δd3=QtI-f(PLt,QLt,kv,Ccom)=0

(13)

式中：nL與nI分別為低頻系統(tǒng)和工頻系統(tǒng)中直接與變頻器單元相連的節(jié)點(diǎn)編號(hào)；kv為變頻器電壓調(diào)制系數(shù)；VnI、VnL分別為節(jié)點(diǎn)nI和nL的電壓；kT1為換流變壓器變比；PLt為低頻系統(tǒng)nL節(jié)點(diǎn)向變頻器注入的有功功率；PtI為變頻器向工頻系統(tǒng)nI節(jié)點(diǎn)注入的有功功率；QLt為低頻系統(tǒng)nL節(jié)點(diǎn)向變頻器注入的無功功率；QtI為變頻器向工頻系統(tǒng)nI節(jié)點(diǎn)注入的無功功率；Qcom為工頻系統(tǒng)補(bǔ)償?shù)臒o功容量。

而不等式約束g(x)≤0則包括：

1)節(jié)點(diǎn)電壓約束：每個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓必須在規(guī)定范圍內(nèi)，即

Vmin≤V≤Vmax

(14)

式中：V為節(jié)點(diǎn)電壓向量；Vmin、Vmax為節(jié)點(diǎn)電壓上、下限向量。

2)線路功率約束：每條線路傳輸?shù)墓β时仨毿∮谝?guī)定值，即

Pl≤Plmax

(15)

式中：Pl為線路傳輸功率向量；Plmax為線路傳輸功率上限向量。

3)發(fā)電機(jī)有功出力約束：發(fā)電機(jī)有功出力必須在其規(guī)定范圍內(nèi)，即

Pgmin≤Pg≤Pgmax

(16)

式中：Pg為發(fā)電機(jī)有功出力向量；Pgmin、Pgmax為發(fā)電機(jī)有功出力上、下限向量。

4)無功電源出力約束：系統(tǒng)發(fā)電機(jī)等無功電源的無功出力必須小于其額定值，即

Qgmin≤Qg≤Qgmax

(17)

式中，Qg為無功電源無功出力向量；Qgmin、Qgmax為無功電源無功出力上、下限向量。

由于風(fēng)電具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，可能在很短時(shí)間內(nèi)發(fā)生較大的變化。因此，為了防止系統(tǒng)失去穩(wěn)定，系統(tǒng)必須留出充足的備用約束，同時(shí)，還必須滿足足夠的爬坡速度。因此，式(16)的約束中還需要增加旋轉(zhuǎn)備用約束和爬坡速率約束。

5)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用約束：

(18)

6)系統(tǒng)爬坡速度約束：

∑Pi_Ramp≥ηPwind

(19)

式中：Pi_Ramp為第i臺(tái)發(fā)電機(jī)的爬坡速度；η為風(fēng)電最快變化率。

同理可以看出，若式(16)中的等式約束為工頻系統(tǒng)的潮流約束，該方法依然可以用于傳統(tǒng)的風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)穿透率的計(jì)算。

3 風(fēng)電經(jīng)分頻輸電并網(wǎng)系統(tǒng)穿越極限功率算例分析

3.1 測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示。

該測(cè)試系統(tǒng)基于RTS-24系統(tǒng)[14]，并將系統(tǒng)外建設(shè)一風(fēng)電場的風(fēng)能并入系統(tǒng)。設(shè)距該風(fēng)電場最近的節(jié)點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)7，其距離為50 km，而該風(fēng)電場距離節(jié)點(diǎn)9這一負(fù)荷中心350 km。

3.2 并網(wǎng)方案及穿透率比較

為了分析風(fēng)電經(jīng)分頻輸電系統(tǒng)并入電網(wǎng)的性能，設(shè)計(jì)了3種并網(wǎng)方案。

方案1：利用工頻輸電系統(tǒng)將風(fēng)能傳輸50 km，并入7號(hào)節(jié)點(diǎn)。

方案2：利用工頻輸電系統(tǒng)將風(fēng)能傳輸350 km，并將風(fēng)能并入9號(hào)節(jié)點(diǎn)。

方案3：利用中心頻率16.67 Hz的分頻輸電系統(tǒng)將風(fēng)能傳輸350 km并入9號(hào)節(jié)點(diǎn)。該方案中，為了補(bǔ)償換流站向工頻系統(tǒng)吸收的無功，特安裝無功補(bǔ)償裝置，并將功率因素補(bǔ)償?shù)?.95。

在以上3種方案中，η取0.7，即認(rèn)為1 min內(nèi)風(fēng)電波動(dòng)的幅度小于風(fēng)電裝機(jī)的70%。節(jié)點(diǎn)電壓限制在0.95～1.1 p.u.之內(nèi)。線路的傳輸功率極限參見文獻(xiàn)[15]。發(fā)電機(jī)的出力范圍如表1所示。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)號(hào)最大輸出有功/(p.u.)最小輸出有功/(p.u.)最大輸出無功/(p.u.)最小輸出無功/(p.u.)爬坡速度/(p.u.)11.920.5760.80-0.500.1021.920.5760.80-0.500.1073.000.901.800.000.21135.911.7732.400.000.09140.000.002.500.000.00152.150.6451.10-0.500.08161.550.4650.80-0.500.03184.001.202.00-0.500.20214.001.202.00-0.500.20223.000.000.96-0.50N/A236.601.983.60-1.250.10

由表1可知，22號(hào)節(jié)點(diǎn)所接的發(fā)電機(jī)為水輪機(jī)，因此具有很快的爬坡速度，同時(shí)沒有最小輸出功率的限制。而其他節(jié)點(diǎn)上所接的發(fā)電機(jī)為火力或者核能發(fā)電機(jī)，因此爬坡速度較慢，同時(shí)有嚴(yán)格的最小出力約束。

利用內(nèi)點(diǎn)法對(duì)式(16)所示的優(yōu)化問題進(jìn)行求解，得到3種方案下系統(tǒng)的穿越功率極限如表2所示。

由表2可知，利用方案1可以將風(fēng)電就近并入了系統(tǒng)的邊緣，雖然傳輸距離較短，成本較低。但是，由于7號(hào)節(jié)點(diǎn)處系統(tǒng)較弱，導(dǎo)致風(fēng)電的穿越功率極限受到了極大地限制，僅為并入負(fù)荷中心(節(jié)點(diǎn)9)的32.70%，這使得風(fēng)電的利用能力受到了限制。方案2與方案3由于都將風(fēng)電傳送至負(fù)荷中心，并入節(jié)點(diǎn)周圍電網(wǎng)結(jié)構(gòu)堅(jiān)強(qiáng)，因此穿越率有較大的提高。

表2 3種方案下穿越極限功率

4 結(jié) 語

提出了一種風(fēng)電經(jīng)分頻輸電方式并網(wǎng)系統(tǒng)風(fēng)電穿透率計(jì)算方法，并針對(duì)算例進(jìn)行了計(jì)算，得到了以下結(jié)論：

1)從結(jié)構(gòu)、成本、運(yùn)行特點(diǎn)、控制策略、諧波含量和無功消耗幾個(gè)方面對(duì)交交變頻器和交直交變頻器進(jìn)行初步比較。可以看出兩種變頻設(shè)備都可以應(yīng)用于分頻風(fēng)電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)不同頻率系統(tǒng)的連接，但各有利弊。從經(jīng)濟(jì)性與效率角度考慮，交交變頻器占有一定得優(yōu)勢(shì)。

2)利用基于靜態(tài)安全約束的穿越極限功率計(jì)算方法，在RTS-24測(cè)試系統(tǒng)中對(duì)3種風(fēng)電并網(wǎng)方式進(jìn)行算例分析。分析認(rèn)為與將風(fēng)能就近并入電網(wǎng)邊緣相比，利用分頻輸電或工頻輸電方式將風(fēng)能傳輸至負(fù)荷中心，風(fēng)能的穿越極限功率將提高數(shù)倍。

理論與算例分析表明，分頻輸電系統(tǒng)為風(fēng)電并網(wǎng)提供了一種全新的方案，具有經(jīng)濟(jì)與技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在大型風(fēng)電場中有著很好的應(yīng)用前景。