西昌學院機械與電氣工程學院 佘慶桃 褚曉銳

國家發(fā)改委能源研究所與國際能源署（IEA）在2019年10月19日發(fā)布的《中國風電發(fā)展路線圖2050》擬定了未來40年中國風電發(fā)展目標：裝機容量到2020年達到2億千瓦、2030年達到4億千瓦和2050年10億千瓦，到2050年風力發(fā)電將滿足17%的國內(nèi)電力需求。未來40年為實現(xiàn)這個目標將帶來12萬億元建設投資需求。投資經(jīng)濟性方面，按照計劃預計到2020年左右陸上風電投資成本將與煤電投資持平。為解決風電并網(wǎng)問題，急需制定和落實風電分級和跨區(qū)域消納，協(xié)調(diào)風電、其他形式的電源和大規(guī)模電網(wǎng)建設與運行，改革并完善電力市場運行機制。

1 風電場的特性

風量的大小決定了風電出力，而環(huán)境氣候又影響風量大小和持續(xù)時間，這就造成了風電場出力存在波動性和隨機性。盡管無法管控風力的變化，但可讓風力發(fā)電變得更有價值及可預測性。根據(jù)風電場所處地理位置的氣候條件及風電場相關歷史數(shù)據(jù)進行風電預測，結(jié)合恰當?shù)念A測方法進行風電建模，還可實現(xiàn)風電場功率預測。由于實際應用的需求和預測時間的不同，最好采用不同的方法及數(shù)學模型，實現(xiàn)最優(yōu)預測策略。因為風電廠每日發(fā)電量存在一定波動，而電網(wǎng)最被人們所需要的就是可靠性。電網(wǎng)的潮流分布、流向、電壓和功率都會受風電接入電網(wǎng)影響；同時電能質(zhì)量和電網(wǎng)的暫態(tài)特性也會受輸電線路網(wǎng)損的影響。風電場不同接入方案也會對系統(tǒng)造成不同的影響。電網(wǎng)運行時的電壓跌落、電壓波動與閃變和諧波也會受風電機組影響，而且在風電并網(wǎng)時還會產(chǎn)生諧波和閃變。

2 風電場接入對電網(wǎng)靜態(tài)穩(wěn)定性的影響分析

風電場就近接入電網(wǎng)，接入點位置單一，地理位置偏僻遠離負荷中心，需長距離輸電網(wǎng)。風電場容量在電網(wǎng)總裝機容量中比例不高，所以對電網(wǎng)頻率的影響甚微。風電場一般位于電網(wǎng)末端，網(wǎng)架結(jié)構薄弱。對于含雙饋電機的風電場，轉(zhuǎn)子也接入電源，在發(fā)出有功無功功率時，無功功率不平衡是由于風電場兩級變壓器和輸電線路消耗的無功功率造成的，電壓變化原因是線路電阻、電抗與功率損耗引起的，因此電壓穩(wěn)定性受到風電場接入對電網(wǎng)的影響；對于含異步發(fā)電機的風電場，異步發(fā)電機會產(chǎn)生鐵耗，且異步發(fā)電機是感性的,定子繞組靠電網(wǎng)電壓進行勵磁，在發(fā)出有功功率的同時會吸收電網(wǎng)滯后性的無功功率，導致風電場接入點無功不足節(jié)點電壓降低；對于含直驅(qū)永磁同步發(fā)電機的風電場，該風機特點是結(jié)構簡單，風輪與發(fā)電機轉(zhuǎn)子直聯(lián)，提高了機組可靠性和傳動效率，發(fā)電量比常規(guī)風力發(fā)電機組提高了5～15%。永磁直驅(qū)風機具備較強電容補償、低電壓穿越能力，同時對電網(wǎng)沖擊小，有較好的電網(wǎng)兼容性。

為增強靜態(tài)電壓穩(wěn)定性，需增加風電場的有功出力來提高負荷特性極限功率,同時風電場的無功需求又使得負荷特性的極限功率降低，削弱了靜態(tài)電壓穩(wěn)定性。在過去20年風電發(fā)展過程中，各地風電場的不斷新建、改建及擴建，可能一個電網(wǎng)中有不同類型的風電場，每個風電場中又有不同類型的風機。電壓的穩(wěn)定與接入點的短路容量、送出線路R/X的比值和風電場的無功補償措施有關。為了提高接入電網(wǎng)的靜態(tài)穩(wěn)定性，可考慮在風電場規(guī)劃設計階段優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構，提高風電接入點的短路容量；設計輸電線路是考慮降低線路的電阻、電抗和功率，減少輸電線路的無功損耗；對于風電場出力過程中無功不足的情況，可考慮在風電機組旁增設動態(tài)無功補償裝置，其響應快、跟隨性強，比如就地增設SVG。

3 風電場接入對電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響

感應發(fā)電機無勵磁系統(tǒng)，勵磁需從電網(wǎng)中吸收滯后的電流。隨著有功出力的增加機端從電網(wǎng)中吸收無功功率亦增加，導致機端電壓下降，有些在機端配備并聯(lián)無功補償裝置來改善機端電壓達到電網(wǎng)要求。在電網(wǎng)短路故障瞬間，對于擾動不大的情況，感應發(fā)電機有能力在轉(zhuǎn)差變化不大情況下達到新的平衡狀態(tài),滿足機械轉(zhuǎn)矩與電磁轉(zhuǎn)矩平衡。當系統(tǒng)電壓下降過大、激磁磁場的磁通下降，異步發(fā)電機將達不到機械轉(zhuǎn)矩與電磁轉(zhuǎn)矩平衡，發(fā)電機轉(zhuǎn)速將不斷上升。如電網(wǎng)電壓不能在一定時間內(nèi)恢復正常，無法恢復平衡狀態(tài)，將會導致風力發(fā)電機組退出運行。如果風電場中同時切除大量的機組，可能會導致電網(wǎng)的功角不穩(wěn)定。

風電接入強電網(wǎng)的優(yōu)勢在于大型風電場發(fā)生三相短路后，即使沒有無功補償系統(tǒng)電壓也可恢復。由于局部電網(wǎng)的特性和控制能力，風電場在達到極限穿透容量時系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性可能無法保證。風電并網(wǎng)前除了要做試驗與研究還應做好檢測工作，包括風電機組并網(wǎng)檢測（即型式試驗）和風電場并網(wǎng)檢測（即現(xiàn)場檢測）。在系統(tǒng)的無功儲備充足情況下，當接入的風電容量在一定范圍內(nèi)，系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性受風電場在故障和系統(tǒng)解列影響不大。

按照《國家能源局關于加強風電場并網(wǎng)運行管理的通知》（國能新能〔2011〕182號）、《國家能源局綜合司關于印發(fā)風電機組并網(wǎng)檢測工作協(xié)調(diào)會議紀要的通知》（國能綜新能〔2012〕160號）以及相關國家標準的要求，風電場并網(wǎng)檢測內(nèi)容包括風電場并網(wǎng)性能評價；風電場電能質(zhì)量檢測；風電場的風電機組低電壓穿越能力驗證檢測（抽檢）；風電場有功、無功控制能力檢測。按照《風電機組并網(wǎng)檢測管理暫行辦法》（國能新能〔2010〕433號）的規(guī)定，風電機組并網(wǎng)檢測內(nèi)容包括：風電機組電氣模型驗證；風電機組低電壓穿越能力檢測；風電機組電網(wǎng)適應性檢測；風電機組有功功率、無功功率調(diào)節(jié)能力檢測；風電機組電能質(zhì)量檢測。

所以一方面要對電網(wǎng)結(jié)構進行優(yōu)化，保證風電場接入的是強電網(wǎng)；同時在接入前應做好風電接入容量測試，保證接入容量在電網(wǎng)控制范圍內(nèi)；做好并網(wǎng)檢測保證風電場并網(wǎng)后保證電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。

4 風電場不同的控制方式對發(fā)電的影響

根據(jù)電網(wǎng)預測規(guī)范，根據(jù)風電場的歷史風速、歷史功率、天氣預報數(shù)據(jù)、地形地貌、風電機組設備運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)建立風電場輸出功率的預測模型，模型的輸入量是風速、功率或數(shù)值天氣預報數(shù)據(jù)，同時結(jié)合風電場機組的運行工況和設備狀態(tài)，預測風電場未來的有功功率。理論功率計算方法可參見《風電場理論發(fā)電量與棄風電量評估導則》NB/T31055-2014。

風電場的動態(tài)性能會根據(jù)風電場不同的控制方式而變化。在保證安全和穩(wěn)定的前提下，為提高風電場運行效率，根據(jù)當前電網(wǎng)運行狀態(tài)和風電場的運行工況，應實時調(diào)整風電場的控制方式，主要有恒電壓控制方式和功率因數(shù)控制方式。恒電壓控制是系統(tǒng)無功不足時充分發(fā)揮風電場的無功補償能力，當系統(tǒng)發(fā)生故障時參與電網(wǎng)的電壓控制，還可緊急切換控制方式來提高風電場的故障穿越能力。風電場實時監(jiān)測接入點電壓，監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)一控制風電場的無功功率，而有功功率控制是以捕捉最大風能為目標。當系統(tǒng)無功充足時，風電場的無功調(diào)節(jié)對電網(wǎng)的影響不大。從經(jīng)濟運行考慮，為了減少運行損耗提高風電機組出力，風電場宜采用功率因數(shù)控制方式。

5 制定綜合控制策略

風電出力對系統(tǒng)負荷峰谷差的影響，取決于風電日內(nèi)出力變化幅度及方向與負荷變化幅度及方向的關系。風能資源監(jiān)測數(shù)據(jù)是進行風能資源開發(fā)利用的基礎。電網(wǎng)調(diào)控機構的風電功率預測系統(tǒng)應能預測單個風電場至整個調(diào)度管轄區(qū)域的風電輸出功率。根據(jù)風電對電網(wǎng)等效負荷峰谷差改變模式的不同，將風電日內(nèi)出力調(diào)峰效應分為正調(diào)峰、反調(diào)峰與過調(diào)峰3種情形。當系統(tǒng)負荷與風電日內(nèi)出力增減趨勢基本一致、且系統(tǒng)負荷峰谷差大于風電出力峰谷差，風電接入后系統(tǒng)等效負荷曲線峰谷差變小，實現(xiàn)風電正調(diào)峰；當系統(tǒng)負荷曲線與風電日內(nèi)出力增減趨勢相反，風電接入后系統(tǒng)等效負荷曲線峰谷差變大，實現(xiàn)風電反調(diào)峰；當系統(tǒng)負荷與風電日內(nèi)出力增減趨勢基本相同，系統(tǒng)負荷峰谷差小于風電出力峰谷差，風電接入后系統(tǒng)等效負荷曲線峰谷反轉(zhuǎn)，變成風電過調(diào)峰。而且在負荷相對于風電裝機容量的比例較小時才有可能出現(xiàn)風電過調(diào)峰。

在對某市某典型日風電出力和負荷曲線進行了分析后，不難發(fā)現(xiàn)在每日峰谷時刻負荷需求都與風電場的出力相反，說明風電場具有明顯的反調(diào)峰特性。調(diào)控部門應能對預測曲線進行誤差估計，同時對風電功率預測曲線進行修正，預測給定置信度的誤差范圍。電網(wǎng)調(diào)控機構的風電功率預測系統(tǒng)預測值的時間分辨率為15分鐘；單個風電場每15分鐘提供一次未來4小時風電功率預測數(shù)據(jù)；同時至少應提供次日96點單個風電場和區(qū)域風電功率預測數(shù)據(jù)。由于接入電網(wǎng)常規(guī)電源調(diào)峰能力有限，調(diào)控部門在進行調(diào)峰時，除調(diào)用有調(diào)峰能力的水電和風電接入電網(wǎng)內(nèi)的火電進行調(diào)峰，為解決調(diào)峰問題還可考慮調(diào)動相鄰電網(wǎng)水電進行調(diào)峰。

綜上而言，根據(jù)風電的隨機性,結(jié)合風電場的運行工況可靈活改變電風電場的控制方式，在恒電壓控制和功率因數(shù)之間切換，使風電場運行達到最大的經(jīng)濟效益。大規(guī)模風電接入使電網(wǎng)調(diào)峰需求急劇增加，調(diào)度可靈活的利用網(wǎng)內(nèi)和網(wǎng)間具有調(diào)峰能力的水、電進行調(diào)節(jié)。