風電以微網的形式并入智能電網的研究

王 帥 李 鵬 崔紅芬

（華北電力大學電力系統保護與動態安全監控教育部重點實驗室，河北 保定 071003）

1 引言

未來的電網必須能夠提供更加安全、可靠、清潔、優質的電力供應，智能電網（smart grids）通過先進的設備技術、先進的控制方法以及先進的決策支持系統等的應用，實現電網的可靠、安全、經濟、高效、環境友好和使用安全的目標，其主要特征包括自愈、抵御攻擊、提供滿足21世紀用戶需求的電能質量、容許各種不同發電形式的接入、以及資產的優化高效運行。

隨著社會對環境保護、節能減排和可持續性發展的要求日益提高，環境友好型電源如風電、太陽能發電和先進的電池系統將在智能電網中發揮重要的作用。風力發電清潔無污染、施工周期短、投資靈活、建設周期短、占地面積少、技術進步快、經濟性優于煤電[1]，具有較好的經濟效益和社會效益，是智能電網不可或缺的能源利用形式。但是，由于風電具有的隨機性、波動性以及不可控性，使得風電的出力波動極大。隨著風能的進一步開發，當風電的容量占到電網總容量一定比例時，這種波動會對電網造成不良影響[2-3]。為了消除大規模開發風電對電網的影響，國內外提出了多種能源互補系統，如風電—水電互補系統[4-5]、風電—太陽能發電互補系統[6]和風電—高溫燃料電池發電互補系統[7]等。

本文提出了一種把風電以微網的形式并入智能電網的策略，微網的控制中心結合多種微電源如微型燃氣輪機、燃料電池等對風電的功率波動進行補償控制，實現對智能電網用戶的安全可靠供電。在Matlab/Simulink的環境下進行了仿真，仿真結果證明了所提出方法的可行性和有效性。

2 風電出力的隨機性

2.1 風速的數學模型

風速具有隨機性和間歇性的特點，風速模型采用基于四分量疊加法的模擬風速模型：

式中，v是模擬風速，v0是起始風速，vramp是漸變風速，vgust是陣風，vturbulence是隨機擾動風。

（1）基本風。基本風反映了風電場平均風速的變化，可根據風電場測風所得的實際數據采用極大似然法來確定Weibull分布函數[8]，并由此計算基本風v0。

（2）陣風。陣風用來模擬風速突然變化的特性，其表達式為

式中，Gmax為陣風峰值，Tg為陣風周期；Ts為陣風開始時間。

（3）漸變風。用漸變風來模擬風速的漸變特性，其表達式為

式中，Rmax為漸變風最大值；Tr1為漸變風開始時間；Tr2為風速漸變結束的時間；Tr為漸變風保持時間。

（4）隨機風。為描述風速變化的隨機特性，可用隨機噪聲風速來模擬，其表達式為

式中，iω是第i個分量的角頻率；Δω為隨機分量的離散間距；iφ為在0～2π之間服從均勻概率分布的隨機變量；Sv(ωi)為i個隨機分量的振幅。

2.2 風電機組輸出功率隨風速的變化

由于風速的隨機性，風力發電機組的出力是一個與風速有關的隨機變量，當風速低于切入風速或者高于切出風速時，風力發電機組會停止運行，此時輸出功率為0，在忽略影響風力發電機組出力的非線性因素的情況下，特定風速下的風電機組可用以下分段函數表示

式中，v為風電機組輪最高度處的風速；vin為切人風速；vout為切出風速；vn為額定風速；nP為風電機組額定輸出功率。風力發電機組的發電功率與風速間的關系曲線如圖1所示。

風力發電機的輸出功率隨風速的變化如圖2所示，在0～350s之間，風速在額定風速以下，風力發電機輸出功率隨風速變化，在350s附近時風速達到額定風速，風力發電機輸出功率達到額定功率，此時風速逐漸增大，在槳距角控制下風力發電機仍能保持額定功率。680s時，風速下降到額定風速以下，風機出力又呈現波動特性。

圖1 風電機組輸出功率與風速的特性曲線

圖2 風力發電機輸出功率隨風速的變化

2.3 風電功率波動對電網的影響

風速的隨機性導致了風機出力的隨機性。風電作為系統的一個不穩定的電源，它的并網與脫網是很難預測的，風電的功率波動對電網的影響主要有以下方面：

（1）風電的功率波動對電網穩定性的影響。風電并網對電網穩定性的主要威脅是風速的波動性和隨機性引起風電場出力隨時間變化且難以準確預測，而導致風力發電接入系統時潛在的安全隱患。

（2）風電的功率波動對電網頻率的影響。當風電容量在系統中所占的比例較大時，其輸出功率的隨機波動性對電網頻率的影響就是顯著的，影響了電網的電能質量和一些頻率敏感符合的正常工作。這就要求電網中其他常規機組有較高的頻率響應能力，能進行跟蹤調節，抑制頻率的波動。

（3）風電的功率波動對電網電壓的影響。風力發電出力隨風速大小等因素而變化，同時由于風力資源分布的限制，風電場大多假設在電網的末端，網絡機構比較薄弱（短路容量較小），所以在風電場并網運行時必然會影響電網的電壓質量和電壓的穩定性。風力發電對電網電壓的影響主要有電壓波動，電壓閃變，波形畸變（即諧波），電壓不平衡（即負序電壓），瞬態電壓波動（即電壓跌落和凹陷）等。

（4）風電的功率波動對繼電保護的影響。風力發電機組在有風期間都是和電網相連的，當風速在啟動風速附近變化時，為防止風電機組頻繁投切對接觸器的損害，允許風電機組短時電動機運行。此時會改變潮流的方向，給繼電保護裝置的配置帶來了難度。

由此可見，風電接入電網，對系統的穩定性與電能質量的影響是不可忽視的，這些問題處理不當不僅會危害用戶的正常用電甚至還會造成整個電網的瓦解，而且也嚴重制約了風能的有效利用，因此，智能電網對風電的吸收急需一種安全有效的方式。

3 風電以微網形式接入智能電網

微網[9-10]是一種由負荷和微電源（微網中的分布式電源）及儲能裝置共同組成的有機系統。采用微網技術可整合多種形式的分布式電源，并考慮當地配電網的特點，在一個局部區域內直接將分布式電源、電力網絡和本地用戶有機地組合在一起。微網可以方便地實現（冷）熱電聯供[9-13]，并可以結合電蓄冷（熱）技術，緩解電網高峰用電壓力，實現用電的移峰填谷，優化和提高能源利用效率，減輕能源動力系統對環境的影響，實現能源的梯級利用，為將來智能電網的實現提供必備的技術基礎[14]。

針對光伏發電系統和風力發電系統等微電源輸出功率具有波動性、隨機性、間歇性的特點，微網采用微燃機、燃料電池、儲能裝置等實現微網中的功率平衡調節，大大降低間歇式分布式電源對電網的影響，增強功率調節的可控性[15]。微網的控制中心對微網的運行狀態進行跟蹤，并通過專門的快速通信網絡向各個微電源發出控制信號，各個微電源都服從統一調度、集中分配。圖1所示的微網結構正是采用了這種控制模式。各個微電源及儲能裝置的響應速度必須能夠確保微網的穩定性要求。

圖3 微網結構圖

風電場出力隨著來流風速的大小而波動，風速大小波動變化的比較快速，其基頻大多在0.5～2Hz之間。為了使得互補發電設備的出力能夠及時賠償風電場的出力波動，就要求微網中互補發電設備能夠快速起動和停機，以適應來流風速大小的自然變化。

燃氣輪機是以連續流動的氣體為工質帶動葉輪高速旋轉，將燃料的能量轉變為有用功的內燃式動力機械，是一種旋轉葉輪式熱力發動機。燃氣輪機發電機組能在無外界電源的情況下迅速起動，機動性好，在電網中用它帶動尖峰負荷和作為緊急備用，能較好地保障電網的安全運行，所以應用廣泛。

燃料電池（Fuel Cell）是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學能直接轉化為電能的發電裝置。燃料電池高效率、無污染、建設周期短、易維護而且成本低，負荷響應快，運行質量高，燃料電池在數秒鐘內就可以從最低功率變換到額定功率，燃料電池的這些特點使其能作為微網中一種重要的微電源，能對風電等功率波動電源迅速做出反應，保證微網中的功率平衡。

在微網中通過具有快速起停和快速負荷調節特性的燃氣輪機和燃料電池來補償風電場出力的波動，使得整個系統的出力在一段時間內有穩定的輸出，克服僅僅由風電場的出力波動對電網造成的不利影響，解決風電對電網穩定性所引起的技術問題，同時通過調節燃氣輪機和燃料電池的輸出，使得整個發電系統具有良好的可調度性。這一技術方案在現有的技術條件下，對于風電的大規模開發具有十分重要的意義。

4 仿真結果

本文對風電以微網方式并入智能電網的策略進行了仿真，微網中的微電源配置如表1所示，微網中有一臺10MW的風力發電機，一臺10MW的微型燃氣輪機和一個容量為5MW的燃料電池。

表1 微網中的微電源配置

微網中微電源的功率輸出之和可表示為

式中，Pw為風力發電機的功率輸出，gP為燃氣輪機的功率輸出，fP為燃料電池的功率輸出。

燃氣輪機容量大，但是反應速度不如燃料電池快，而燃料電池容量小但是反應速度快，因此，用燃氣輪機平抑陣風引起的風機功率波動，而用燃料電池平抑隨機風引起風機的功率波動。對正常情況和風機切出兩種情況分別進行了仿真。

（1）風力發電機正常運行

風電正常運行時的風速以及風機出力仍如上文中如圖2所示，當風速達到額定風速但是不超過切出風速時，風機出力為額定功率。由于風機出力的隨機性，為達到微網中功率的穩定輸出，微型燃氣輪機和燃料電池必須配合風機出力，圖4為配合風機出力的燃氣輪機及燃料電池配合風電的出力，由圖可見，燃氣輪機平抑功率波動較大的部分，而燃氣輪機平抑功率波動較小的部分。圖5為風力發電機、燃氣輪機和燃料電池總出力，由圖可見，風力發電機功率的波動性被很好的抑制了。

圖4 正常情況下燃氣輪機及燃料電池出力

圖5 風力發電機、燃氣輪機和燃料電池總出力

（2）風機切除情況下的仿真

如圖6所示，風速在300s以后持續下降，并在720s時降低為切入風速以下，風機停機，此時，必須由燃氣輪機和燃料電池聯合出力，才能補償由于風機切出帶來的功率損失，圖7為風機切出前后燃氣輪機以及燃料電池的出力。圖8為風機切出前后微網的總出力，由圖可知，風機的意外切出并沒有帶來巨大的功率波動，對配電網的安全運行提供了保證。

圖6 風力發電機切出情況下風速及風力發電機出力

圖7 風力發電機切出情況下燃氣輪機及燃料電池出力

圖8 風力發電機切出情況下風力發電機、燃氣輪機和燃料電池總出力

5 結論

風電并入智能電網后，其功率的波動性可能給智能電網的安全運行帶來不良影響，本文提出了一種把風電以微網形式并入智能電網的策略，仿真結果表明，在風電正常運行和意外切出情況下，可以很好的平抑功率的波動性，為智能電網的安全運行提供保證。

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