南京師范大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院 何明遠(yuǎn)

中國(guó)作為能源大國(guó)，擁有非常豐富的風(fēng)能、太陽(yáng)能等綠色可再生能源，并在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，有效推動(dòng)著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展?；谶@一背景，相關(guān)部門需要高度重視風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的開發(fā)與利用，明確影響風(fēng)力發(fā)電穩(wěn)定性的各項(xiàng)因素，然后采取有效措施，對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行充分利用，并強(qiáng)化電能控制工作，不斷增強(qiáng)風(fēng)力發(fā)電的穩(wěn)定性，有效提升風(fēng)電能源的質(zhì)量，以此來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整中國(guó)的能源結(jié)構(gòu)。

風(fēng)力發(fā)電有很多優(yōu)點(diǎn)，如清潔、無(wú)污染、經(jīng)濟(jì)等，廣泛運(yùn)用于生活的方方面面，并緩解我國(guó)利用煤炭發(fā)電的主要發(fā)電方式，且取得一定的成效。2019年全球新增風(fēng)電裝機(jī)量超過(guò)60GW，比2018年增長(zhǎng)19%，總裝機(jī)容量達(dá)到650GW，比2018年增長(zhǎng)10%。

美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室首席技術(shù)專家Paul Dimotakis 表示，風(fēng)能有可能提供世界未來(lái)能源的10%～15%。如果利用風(fēng)力強(qiáng)的海洋區(qū)域來(lái)獲取風(fēng)能，每平方米可能會(huì)收獲高達(dá)500～800瓦的風(fēng)能，美國(guó)風(fēng)能2050年將達(dá)到35%。但是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的缺點(diǎn)是相當(dāng)明顯的。風(fēng)能波動(dòng)是風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行中常見的在風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行中經(jīng)常發(fā)生。風(fēng)速如果波動(dòng)大，高波動(dòng)性將使輸出功率不穩(wěn)定。而并網(wǎng)的風(fēng)電場(chǎng)可能對(duì)電力系統(tǒng)構(gòu)成挑戰(zhàn)。雖說(shuō)并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)可能對(duì)電力系統(tǒng)構(gòu)成挑戰(zhàn)，但對(duì)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)的研究越來(lái)越重要，風(fēng)力發(fā)電的接受程度也越來(lái)越高。

為了評(píng)估風(fēng)力發(fā)電的接受能力，對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓的研究很重要。為了評(píng)估風(fēng)電的接受能力，研究由風(fēng)電注入引起的節(jié)點(diǎn)電壓變化非常重要。風(fēng)電注入引起的節(jié)點(diǎn)電壓變化。在研究中，避免線路功率過(guò)載和節(jié)點(diǎn)電壓下降是必要的。節(jié)點(diǎn)的電壓下降是必要的。異常的電壓風(fēng)力渦輪機(jī)的異常電壓可能導(dǎo)致異常停機(jī)和損失發(fā)電。因此，由風(fēng)電注入引起的電壓變化是風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的首要考慮因素。風(fēng)力發(fā)電站的建設(shè)最初評(píng)估方法很復(fù)雜，譬如說(shuō)限制因素法主要是通過(guò)考慮頻率、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的瞬時(shí)變化來(lái)確定風(fēng)力發(fā)電的接受度，考慮頻率、風(fēng)機(jī)瞬態(tài)穩(wěn)定性、準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)和靜態(tài)穩(wěn)定性作為約束條件。

數(shù)學(xué)優(yōu)化方法是構(gòu)建一個(gè)優(yōu)化模型來(lái)估計(jì)系統(tǒng)允許的最大風(fēng)功率；數(shù)值模擬是指數(shù)值仿真是在仿真平臺(tái)上建立一個(gè)模型，通過(guò)更改風(fēng)力發(fā)電量，來(lái)計(jì)算允許的最大通過(guò)改變風(fēng)力發(fā)電量來(lái)計(jì)算允許的最大風(fēng)力發(fā)電量風(fēng)力發(fā)電的輸出；工程方法是通過(guò)歷史經(jīng)驗(yàn)估計(jì)電網(wǎng)的風(fēng)力發(fā)電接受能力通過(guò)歷史經(jīng)驗(yàn)。本文考慮了電力系統(tǒng)的運(yùn)行模式，然后可通過(guò)利用率流的組合來(lái)評(píng)估風(fēng)力發(fā)電的接受能力。

1 影響因素

傳統(tǒng)發(fā)電模式主要將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，但在能量轉(zhuǎn)變過(guò)程中對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞，而且污染處理成本較高。風(fēng)力資源為綠色可再生資源，其在轉(zhuǎn)變電能過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生任何污染物質(zhì)，切實(shí)實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)綠色可持續(xù)發(fā)展。現(xiàn)階段我國(guó)重視風(fēng)能資源的開發(fā)，風(fēng)力發(fā)電廠規(guī)模不斷擴(kuò)大，風(fēng)力發(fā)電量逐漸增加，滿足人們的用電需求。

為了推進(jìn)風(fēng)力發(fā)電的快速發(fā)展，應(yīng)重視風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)離網(wǎng)型風(fēng)電形式優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮的目的。相比較于傳統(tǒng)火力發(fā)電風(fēng)力發(fā)電技術(shù)具有眾多優(yōu)勢(shì)，主要包含施工周期較短、占地面積較少、污染物排放較少，對(duì)推動(dòng)智能化電網(wǎng)管理有積極意義。風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)電能的充分利用，并提高潔凈能源的運(yùn)用價(jià)值。許多因素會(huì)直接或間接的影響風(fēng)力發(fā)電的接受程度[1]。

PCC 的負(fù)載能力負(fù)載能力通?？赏ㄟ^(guò)短路能力來(lái)反映能力來(lái)反映。短路容量表示PCC 的能力受到干擾的能力。短路容量越高節(jié)點(diǎn)的電壓就越敏感；風(fēng)電場(chǎng)與電網(wǎng)的連接是指連接線的阻抗、連接線的長(zhǎng)度、電壓水平等。不同的連接會(huì)導(dǎo)致不同的潮流分布，這將影響風(fēng)功率的接受度；風(fēng)力渦輪機(jī)類型。SCAG 必須從電網(wǎng)中吸收大量的無(wú)功功率來(lái)建立其磁場(chǎng)，這對(duì)電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。與SCAG 相比DFAG 有很多優(yōu)點(diǎn)，如對(duì)風(fēng)能的浪費(fèi)少、電能質(zhì)量好等。

電網(wǎng)中其他發(fā)電設(shè)備的調(diào)節(jié)。由于風(fēng)力發(fā)電的限制，電力可能會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)和不穩(wěn)定。它需要一定量的旋轉(zhuǎn)儲(chǔ)備能力，以避免因風(fēng)力突然下降而導(dǎo)致的頻率下降。電網(wǎng)中其他設(shè)備的調(diào)節(jié)能力越強(qiáng)，它們就越能抵抗風(fēng)能引起的系統(tǒng)頻率和電壓波動(dòng)；區(qū)域負(fù)荷特性。負(fù)荷的大小和功率因數(shù)將對(duì)當(dāng)?shù)氐墓β柿鞣植籍a(chǎn)生重要影響。從而影響對(duì)風(fēng)電的接受程度。此外，負(fù)載的質(zhì)量要求和負(fù)荷功率的質(zhì)量要求也會(huì)限制對(duì)風(fēng)電的接受。盡管影響風(fēng)電容量的原因有很多，但本文主要討論的是系統(tǒng)運(yùn)作模式的變化對(duì)風(fēng)電接受能力的影響。

2 風(fēng)力發(fā)電量估算方法

電壓和頻率是電力系統(tǒng)運(yùn)行中的兩個(gè)核心問(wèn)題，它們都必須保持在適應(yīng)的范圍內(nèi)，以滿足用戶的要求。風(fēng)力發(fā)電站對(duì)電力流有重大影響，對(duì)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的電壓水平和穩(wěn)定性有很大影響。許多研究表明，風(fēng)力發(fā)電的主要因素是電壓。因此本文將功率流分析方法和工程方法結(jié)合起來(lái)，分析風(fēng)力發(fā)電的適應(yīng)性。利用功率流計(jì)算，風(fēng)力發(fā)電量是指當(dāng)節(jié)點(diǎn)的電壓即將超過(guò)極限時(shí)的風(fēng)力發(fā)電量，然后利用PCC 的短路容量比來(lái)驗(yàn)證風(fēng)功率接受度。在本文中，短路容量比不應(yīng)該大于25%，過(guò)高的短路容量比意味著系統(tǒng)的承受能力較差。

帶有DFAG 的系統(tǒng)的功率流計(jì)算：計(jì)算帶有DFAG 的電力系統(tǒng)的功率流有三個(gè)步驟：第一步是確定發(fā)電機(jī)控制模式的運(yùn)行，即恒定電壓或恒定功率因素；第二步是將幾臺(tái)發(fā)電機(jī)合并為一臺(tái)，這意味著總功率是每臺(tái)發(fā)電機(jī)的總和；第三步是使用數(shù)學(xué)迭代方法計(jì)算趨勢(shì)(Newton-Raphson 方法)。

驗(yàn)證風(fēng)力發(fā)電的工程方法：驗(yàn)收短路容量的大小是判斷母線電力強(qiáng)度的一個(gè)直接指標(biāo)。它表明母線與電源的連接是否緊密。短路容量越大，風(fēng)電場(chǎng)與系統(tǒng)之間的電氣距離就越短，電力系統(tǒng)就越能承受更多的風(fēng)力干擾。PCC 的短路容量反映了電壓對(duì)風(fēng)力注入的敏感性，風(fēng)場(chǎng)短路容量比K 定義為風(fēng)電場(chǎng)額定容量與PCC 短路容量的比率[1]。K 值可反映出當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的風(fēng)力發(fā)電能力，也可反映當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)對(duì)風(fēng)力干擾的承受能力。同時(shí)K 值也與電壓穩(wěn)定性有關(guān)。

在研究中，使用K 值來(lái)驗(yàn)證風(fēng)功率。如果計(jì)算出的K 值小于25%，則該結(jié)果為合格。K=Pwind/Ssc，Pwind 為風(fēng)電場(chǎng)額定容量，Ssc 為PCC 短路能力，Ssc＊=1/Zk＊，Ssc=SBSsc＊，Zk＊是短路阻抗的單位值，Ssc＊是PCC 短路容量的單位值，SB是參考容量、為100MVA。

3 案例研究

3.1 本地電網(wǎng)概述

建立了一個(gè)本地電網(wǎng)模型如圖1所示。

圖1 當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)

風(fēng)電場(chǎng)接入10kV 配電網(wǎng)。節(jié)點(diǎn)B1和B2的額定電壓為110kV，節(jié)點(diǎn)B3和B4的額定電壓為10kV。節(jié)點(diǎn)B5的額定電壓為690V。B1節(jié)點(diǎn)連接到無(wú)限大系統(tǒng)，B1的電壓是電源電壓、表示為Us；B1和B2之間的線路代表傳輸線，B2和B3之間的設(shè)備是一個(gè)變壓器；B3的負(fù)荷為60+j24MVA，B3和B4之間的線路表示風(fēng)電場(chǎng)和配電網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)線；節(jié)點(diǎn)B4是風(fēng)電場(chǎng)的接入點(diǎn)（PCC）。在B4和B5節(jié)點(diǎn)有一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的變壓器；B5被連接到幾個(gè)DFAG，一個(gè)DFAG的額定容量為2MW，切入和切出風(fēng)速為5m/s 和25m/s。切入風(fēng)速為5米/秒，切出風(fēng)速為25米/秒。它在恒定功率因數(shù)下運(yùn)行、即0.95。該模型的參考容量為100MVA。

3.2 電源電壓對(duì)風(fēng)力發(fā)電的影響

國(guó)標(biāo)要求允許的電壓偏差為是690 V，+5%～10%；10kV，+7%～7%。本文分析了運(yùn)行模式對(duì)風(fēng)力發(fā)電驗(yàn)收的影響。電源電壓直接影響到五個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓，所以電源電壓對(duì)風(fēng)電接受能力有很大影響。對(duì)電源電壓的分析是1.05、1.03、1.02、1，分析了電源電壓的變化曲線。風(fēng)力發(fā)電站的電壓變化曲線如圖2所示。

圖2 不同電源電壓下風(fēng)電場(chǎng)終端電壓的變化(正常負(fù)荷)

根據(jù)圖2，不同功率下的最大允許容量在不同的電源電壓下，風(fēng)力發(fā)電的最大允許容量（風(fēng)力發(fā)電接受量）見表1。表1顯示了不同電源電壓下的最大允許風(fēng)電容量（風(fēng)電接受量）。表1顯示，在不同的電源電壓下，整個(gè)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的電壓隨著升壓而降低。在不同的電源電壓下接受的風(fēng)功率負(fù)載下的風(fēng)電接受能力（正常負(fù)載）。當(dāng)電源電壓為1.05時(shí)風(fēng)力發(fā)電的接受能力最強(qiáng)。當(dāng)電源電壓為1.0時(shí)風(fēng)電接受能力最弱。電源電壓越高風(fēng)力發(fā)電的接受程度就越高。

表1 在不同電源電壓下的風(fēng)力接受能力（正常負(fù)載）

3.3 負(fù)荷大小對(duì)風(fēng)力發(fā)電接受度的影響

負(fù)荷大小對(duì)風(fēng)力發(fā)電接受度的影響圖3顯示，當(dāng)負(fù)荷降低50%時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)電壓和當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)電壓隨著風(fēng)電輸出的增加而降低。負(fù)荷減少50%時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)的電壓和當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的電壓都在下降。表2顯示，整個(gè)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的電壓隨著風(fēng)電場(chǎng)輸出的提升而降低。

圖3 不同電源電壓下風(fēng)電場(chǎng)終端電壓的變化（負(fù)荷減少50%）

表2 在不同的電源電壓下接受的風(fēng)力發(fā)電量 電源電壓(負(fù)載減半)

圖4是比較正常負(fù)載情況和電源電壓為1.03時(shí)的正常負(fù)載情況。當(dāng)電源電壓為1.03時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)在不同負(fù)荷水平下的電壓曲線隨風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的變化而變化。當(dāng)負(fù)荷降低50%時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)的接受能力增強(qiáng)。原因是：當(dāng)負(fù)載較小時(shí)，各節(jié)點(diǎn)的電壓水平的時(shí)候每個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓水平都很高，負(fù)載的DFAG 相對(duì)較小。超限電壓出現(xiàn)得比較晚，所以最大風(fēng)力發(fā)電量變得更大。

圖4 當(dāng)電源電壓為1.03時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)的電壓曲線隨風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率變化而變化

3.4 利用風(fēng)電場(chǎng)驗(yàn)證風(fēng)力發(fā)電的驗(yàn)收

風(fēng)電場(chǎng)短路容量比K 被定義為風(fēng)電場(chǎng)額定容量與PCC 短路容量的比率。K 值可反映當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)抵御風(fēng)力干擾的能力。同時(shí)K 值也與電壓穩(wěn)定性有關(guān)，由于整個(gè)系統(tǒng)的電阻比較小，所以電阻值被忽略了。表3和表4是不同情況下的K 值。

表3 正常負(fù)載下的K 值

表4 50%正常載荷下的K 值

從表3和表4中可看出，當(dāng)負(fù)荷減少一半時(shí)風(fēng)電場(chǎng)的短路率為零。負(fù)荷減少一半時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)的短路容量較大。K 值都小于5%，這說(shuō)明當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)抵抗風(fēng)力干擾的能力很強(qiáng)。

綜上，本文首先討論了影響風(fēng)力發(fā)電的因素，如PCC 負(fù)荷能力、風(fēng)電場(chǎng)和電網(wǎng)連接、風(fēng)機(jī)類等，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組類型等。然后確定了研究風(fēng)電接受度的方法，即結(jié)合功率流計(jì)算方法和工程方法。分析了系統(tǒng)運(yùn)行模式的變化對(duì)風(fēng)電接受能力的影響，最后風(fēng)電場(chǎng)短路容量K 被用來(lái)驗(yàn)證風(fēng)力發(fā)電量。穩(wěn)態(tài)分析結(jié)果表明，對(duì)本地電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，較高的供電電壓和負(fù)荷的減少會(huì)導(dǎo)致增強(qiáng)風(fēng)力發(fā)電的接受能力。