申秘蔓

桂林信息科技學(xué)院，廣西 桂林 541004

0 引言

近年來，我國風(fēng)電建設(shè)規(guī)模迅速擴(kuò)大。然而，在風(fēng)電大規(guī)模接入電力系統(tǒng)時，出現(xiàn)了一系列不容忽視的問題。如何合理地確定和提高風(fēng)力發(fā)電站接入電力系統(tǒng)的最大容量成為新的課題。

1 風(fēng)力發(fā)電站接入電力系統(tǒng)的最大容量的影響因素

1.1 內(nèi)部因素

（1）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組自身的特性。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的出力大小和發(fā)電狀態(tài)取決于風(fēng)速，而風(fēng)速存在間歇性和不穩(wěn)定性，這導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的出力也表現(xiàn)為間歇性和波動性，而風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電狀態(tài)難以準(zhǔn)確預(yù)測，其具有不可調(diào)節(jié)的特點。因此，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組自身的特性使可接入電力系統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電站的容量受到一定限制。

（2）風(fēng)力發(fā)電站并網(wǎng)接入點的實際情況。風(fēng)力發(fā)電站通常分布在風(fēng)力資源較豐富的地區(qū)，而此類地區(qū)往往遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)也相對落后。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電站接入容量較大時，將對局部電網(wǎng)的電壓質(zhì)量、潮流分布和穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響。因此，風(fēng)力發(fā)電站并網(wǎng)接入點的實際情況使可接入電力系統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電站的容量受到一定限制。

1.2 外部因素

（1）電力系統(tǒng)消納風(fēng)電容量的能力。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的無功補(bǔ)償直接影響風(fēng)力發(fā)電站的輸出特性，會對接入后的電力系統(tǒng)電網(wǎng)電能質(zhì)量和運行穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。當(dāng)電力系統(tǒng)中接入的風(fēng)電機(jī)組的裝機(jī)容量較大時，電力系統(tǒng)需要具備更充足的備用容量和更大容量的無功補(bǔ)償設(shè)備，以抑制系統(tǒng)電壓及頻率的波動。因此，電力系統(tǒng)接受和消納風(fēng)電容量的能力限制著可接入電力系統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電站的最大容量。

（2）風(fēng)力發(fā)電站與電力系統(tǒng)接入點的連接方式。風(fēng)力發(fā)電站與電力系統(tǒng)接入點的參數(shù)包括連接線路的電壓等級、長度、導(dǎo)線阻抗值等。接入點的連接方式不同，參數(shù)差異也較大，這會直接影響接入局部電網(wǎng)的節(jié)點電壓的分布情況。因此，風(fēng)力發(fā)電站與電力系統(tǒng)接入點的連接方式對可接入電力系統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電站最大容量有一定影響。

（3）電力系統(tǒng)的負(fù)荷特性及負(fù)荷水平。風(fēng)力發(fā)電站選址地區(qū)的電力系統(tǒng)的負(fù)荷特性及負(fù)荷水平的不同，會使風(fēng)力發(fā)電站并網(wǎng)接入后的電力系統(tǒng)的潮流分布、電壓調(diào)節(jié)特性、頻率調(diào)節(jié)特性等存在不同。

2 風(fēng)力發(fā)電站接入電力系統(tǒng)的最大容量對電力系統(tǒng)的影響

2.1 對電力系統(tǒng)頻率的影響

風(fēng)力發(fā)電機(jī)不同于傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)，其與電力系統(tǒng)的頻率不耦合。當(dāng)電力系統(tǒng)中出現(xiàn)擾動或者電網(wǎng)頻率降低時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由于沒有傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)所具有的慣性響應(yīng)，不能通過與電力系統(tǒng)頻率的耦合降低發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，仍處于正常運行狀態(tài)，無法幫助系統(tǒng)恢復(fù)頻率的穩(wěn)定狀態(tài)。因此，有風(fēng)力發(fā)電機(jī)接入的電力系統(tǒng)的允許工作頻率范圍比傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的頻率范圍要小，為保障電力系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性，有必要研究風(fēng)力發(fā)電站接入電力系統(tǒng)的最大容量。

2.2 對電力系統(tǒng)電壓的影響

風(fēng)力發(fā)電機(jī)在輸出有功功率時，本身存在無功負(fù)荷，需要從外部吸收無功功率，故而需要在發(fā)電機(jī)端并聯(lián)電容器來進(jìn)行無功補(bǔ)償。當(dāng)風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)時，其吸收的無功功率也顯著增大，一旦出現(xiàn)風(fēng)速迸發(fā)的情況，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組會出現(xiàn)較大的無功功率缺口，顯著降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)端電壓。發(fā)電機(jī)端并聯(lián)的電力電容器會隨著機(jī)端電壓的降低而減少無功功率的補(bǔ)償，使系統(tǒng)一些節(jié)點的電壓水平下降，電壓易出現(xiàn)波動和閃變，導(dǎo)致系統(tǒng)電壓不穩(wěn)定。因此，有必要結(jié)合電力系統(tǒng)電壓水平和電壓穩(wěn)定的要求，研究風(fēng)力發(fā)電站接入電力系統(tǒng)的最大容量。

2.3 對電力系統(tǒng)電源分布的影響

風(fēng)力發(fā)電站接入電力系統(tǒng)的方式有兩種，一種是將多個風(fēng)力發(fā)電站集中接入電力系統(tǒng)，即將多個風(fēng)力發(fā)電站作為一個集中的功率輸出節(jié)點向電力系統(tǒng)輸送電能；另一種是將多個風(fēng)力發(fā)電站分散接入電力系統(tǒng)，即將每個風(fēng)力發(fā)電站作為單個的功率輸出節(jié)點向電力系統(tǒng)輸送電能。電力系統(tǒng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)需要根據(jù)電源和負(fù)荷的分布位置進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷不變時，無論風(fēng)力發(fā)電站采用何種接入方式，都會使電力系統(tǒng)的實際潮流方式發(fā)生改變，也會改變電力系統(tǒng)的實際電源分布情況。

3 確定風(fēng)力發(fā)電站接入電力系統(tǒng)最大容量的穩(wěn)態(tài)潮流仿真法

穩(wěn)態(tài)潮流仿真法就是對風(fēng)力發(fā)電站接入電力系統(tǒng)的最大容量的求解問題，其實質(zhì)是求解最大值，也就是最優(yōu)化的方法的問題[1]。

3.1 穩(wěn)態(tài)潮流仿真法的優(yōu)化模型

為了確定風(fēng)力發(fā)電站接入電力系統(tǒng)的最大容量，需要使用穩(wěn)態(tài)潮流仿真法，建立優(yōu)化模型，給出目標(biāo)函數(shù)和約束條件[2]。

先列出風(fēng)力發(fā)電站接入電力系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)fi（Pgi），如下：

再列出等式約束條件，即列出極坐標(biāo)形式的潮流計算方程，如下：

式中：PDi、QDi分別為節(jié)點i的負(fù)荷的有功功率和無功功率；Pgi、Qgi分別為風(fēng)力發(fā)電站接入系統(tǒng)的有功發(fā)電容量、無功發(fā)電容量；QRi為系統(tǒng)中可調(diào)節(jié)的無功補(bǔ)償容量；PGi、QGi分別為常規(guī)發(fā)電機(jī)組的有功發(fā)電容量、無功發(fā)電容量；Ui和Uj分別為節(jié)點i和節(jié)點j的電壓的幅值；θij為和節(jié)點i和節(jié)點j的相位差；Gij和Bij分別為網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)納陣中相應(yīng)的元素；N為總節(jié)點的集合；αi為風(fēng)力發(fā)電站輸出的功率因數(shù)。

最后再列出不等式約束條件，可寫為

式中：Pij為線路的有功潮流，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的有功集合；SG、SGc分別為常規(guī)發(fā)電機(jī)組的有功集合、無功集合；SR為可調(diào)節(jié)的無功電源的集合；SN為系統(tǒng)節(jié)點電壓的集合；SCL為線路輸送有功容量的集合；SL為線路輸送斷面的集合；PLi為線路的輸電斷面；Pgi、PGi、QGi、QRi、Ui為需要優(yōu)化的各個狀態(tài)變量。

3.2 穩(wěn)態(tài)潮流仿真法的步驟

（1）確定接入點采用的節(jié)點類型。由于風(fēng)電機(jī)組具有恒功率因數(shù)和恒電壓兩種不同的控制方式，應(yīng)先根據(jù)風(fēng)電機(jī)組的實際控制方式確定接入點采用的節(jié)點類型。

（2）潮流計算。根據(jù)設(shè)定的風(fēng)力發(fā)電站的最大接入容量，將所有風(fēng)電機(jī)組模型的輸入風(fēng)速設(shè)定為在切入風(fēng)速到額定風(fēng)速的范圍之間變化，進(jìn)行潮流計算。

（3）判斷潮流計算結(jié)果是否符合約束條件。當(dāng)潮流計算結(jié)果不能滿足穩(wěn)定運行條件時，可通過調(diào)節(jié)無功補(bǔ)償設(shè)備來增加無功補(bǔ)償容量，進(jìn)而達(dá)到改善風(fēng)力發(fā)電站的運行條件的目的。

（4）改變電力系統(tǒng)的運行方式。在計算潮流的過程中，不需要考慮電力系統(tǒng)的每一種運行方式，只需要考慮最大負(fù)荷、最小負(fù)荷和典型負(fù)荷等電力系統(tǒng)運行方式，判斷這些運行方式的計算結(jié)果是否滿足要求即可。

4 合理確定風(fēng)力發(fā)電站接入電力系統(tǒng)的最大容量

4.1 評估決定地區(qū)風(fēng)力發(fā)電站裝機(jī)容量的技術(shù)因素

不宜將穩(wěn)態(tài)潮流仿真計算分析的結(jié)果直接作為風(fēng)力發(fā)電站接入系統(tǒng)的最大容量，還需要綜合考慮各種決定地區(qū)風(fēng)力發(fā)電站機(jī)組裝機(jī)容量的技術(shù)因素，如地區(qū)電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和備用容量、地區(qū)電網(wǎng)的負(fù)荷水平、電能質(zhì)量控制指標(biāo)、系統(tǒng)的穩(wěn)定性約束等。其中，靜態(tài)安全約束是可用于計算地區(qū)風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量的基本約束條件之一，考慮穩(wěn)定約束后，風(fēng)電機(jī)組的裝機(jī)容量可能會受到較大限制而不能達(dá)到計算得出的最大裝機(jī)容量[3]。因此，在確定最大裝機(jī)容量時，還要綜合考慮限制因素，以確定最終的最大裝機(jī)容量。

4.2 評估風(fēng)電穿越功率極限

風(fēng)電穿越功率極限是指風(fēng)電最大裝機(jī)容量占電力系統(tǒng)總負(fù)荷的比例，即電力系統(tǒng)能接受的風(fēng)電最大裝機(jī)容量與電力系統(tǒng)最大負(fù)荷的比值。

由于電力系統(tǒng)能承受和消納的風(fēng)力發(fā)電站的接入容量的大小有限，在規(guī)劃風(fēng)力發(fā)電站的建設(shè)和將其接入電力系統(tǒng)時，需合理評估風(fēng)電穿越功率極限，以保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。因此，需綜合考慮電力系統(tǒng)的電壓、頻率的變化范圍，在滿足約束條件的情況下，找出風(fēng)力發(fā)電站接入電力系統(tǒng)并網(wǎng)運行時的功率最大值[4]。

4.3 評估風(fēng)力發(fā)電站的綜合價值

建設(shè)風(fēng)力發(fā)電站時不僅要考慮風(fēng)電機(jī)組的最大裝機(jī)容量等技術(shù)性要求，還要考慮風(fēng)力發(fā)電站的綜合價值這一經(jīng)濟(jì)性要求。風(fēng)力發(fā)電站的綜合價值包括發(fā)電成本、發(fā)電收益、輔助服務(wù)成本、環(huán)保效應(yīng)等。風(fēng)力發(fā)電站的綜合價值不一定與風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量成正比，通常，當(dāng)接入的風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量較小時，風(fēng)力發(fā)電站的綜合價值會隨風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量的增大而增加；當(dāng)接入的風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量達(dá)一定水平時，風(fēng)力發(fā)電站的綜合價值反而會隨風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量的增大而減小[5]。因此，在確定風(fēng)力發(fā)電站接入電力系統(tǒng)的最大容量時，還需考慮風(fēng)力發(fā)電站的綜合價值。

5 提高風(fēng)力發(fā)電站接入電力系統(tǒng)的最大容量的措施

5.1 加大資金投入

風(fēng)力發(fā)電本身具有波動性和不穩(wěn)定性，為保證風(fēng)力發(fā)電站接入電力系統(tǒng)后系統(tǒng)能夠可靠穩(wěn)定運行，電力行業(yè)需持續(xù)加大資金投入，建設(shè)滿足風(fēng)力發(fā)電站接入的備用容量，以提高風(fēng)力發(fā)電站接入電力系統(tǒng)的最大容量，提高電力系統(tǒng)的接納能力。

5.2 加強(qiáng)電力系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)

加強(qiáng)電力系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)建設(shè)是大容量風(fēng)力發(fā)電站正常接入電力系統(tǒng)的有力保障，而大容量風(fēng)力發(fā)電站的接入是對電力系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的合理補(bǔ)充和有力支撐。應(yīng)將風(fēng)電建設(shè)納入電網(wǎng)規(guī)劃，統(tǒng)籌規(guī)劃風(fēng)力發(fā)電站與電網(wǎng)的建設(shè)。在規(guī)劃建設(shè)電力系統(tǒng)時，應(yīng)當(dāng)繼續(xù)堅持以特高壓電網(wǎng)為主干網(wǎng)架，其他電壓等級電網(wǎng)網(wǎng)架協(xié)調(diào)發(fā)展的建設(shè)原則[6]，這樣才能保證大容量的風(fēng)力發(fā)電站更靈活、更可靠地接入電力系統(tǒng)，保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，提高風(fēng)力發(fā)電站接入的最大容量，發(fā)揮風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)勢，取得更好的經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)束語

綜上所述，在規(guī)劃風(fēng)力發(fā)電站的建設(shè)和將其接入電力系統(tǒng)時，應(yīng)綜合考慮的各種技術(shù)、經(jīng)濟(jì)因素，通過建立優(yōu)化模型，可以確定風(fēng)力發(fā)電站接入電力系統(tǒng)的最大容量；采取也提出了提高風(fēng)力發(fā)電站接入電力系統(tǒng)的最大容量的有效措施，可以保障電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行。