大容量風電場中風速造成的并網問題研究

肖碩霜 尹忠東

（華北電力大學新能源電力系統國家重點實驗室，北京 102206）

相較于其他形式的能源，風電以其清潔、高效、可再生性與低廉的建設成本贏得了各國政府與市場的廣泛關注。風電場規模的不斷擴大也帶來了不可避免的并網問題。隨著風電熱的不斷升溫，風電場逐漸表現出發電場容量增大、并入電網的等級增加的特點，單個風電場裝機容量攀升至百萬千瓦，并由配網接入發展為直接接入高壓電網。可以看到，增加的容量和接入電壓等級將使得風電對所并入的電網影響更加深遠。

風電機組的輸出功率受不可控的隨機自然風力驅動會頻頻波動。由于風電資源豐富的地方往往在電力系統薄弱的偏遠地區和沿海，其單一的網絡結構和薄弱的電氣聯系又使得其輸出功率一旦受到波動則會造成電網局部的電能質量顯著改變，穩定性也受到干擾。在風電穿透率較低時，風電場的間歇性與波動性系統都可以耐受。超過8%的風電穿透水平，便需要切除機組舍棄部分風電。現代風電占電網比例迅速上升，這樣一來舍棄風電量將相當可觀。為盡量避免棄風的經濟損失，保障大容量風電場并網的安全運行，研究風速波動的對其造成的并網影響迫在眉睫。

1 大容量風電場風速波動下的影響

經過各國對風電場并網問題的研究探索，風速的波動主要體現在風機機械轉矩改變造成的電磁轉矩的非額定運行。此間發電機有功輸出波動，電能質量改變乃至影響到整個風電系統的并網潮流亦會隨之改變。

1.1 風速波動的并網電壓影響

風速波動產生的有功輸出波動從根本上引起了并網點電壓的波動與閃變，其中電壓波動也是 IEC標準對并網風電考察的重點。其余的原因還有電網狀態、機組類型、機組控制等原因，并不贅述。

在高滲透率的電網中，主流的恒頻恒速風電機組直接與電網耦合，風電產生功率特性將直接體現在電網中。另外，其異步發電機在輸出波動有功時將會吸收大量的無功。風速的變動直接影響到無功吸收的大小，無功吸收減少導致并網點電壓降低，而風機側固定電容器補償的無功容量則與電壓相關，從而導致了電壓的進一步惡化。如若任由發展，降低的電磁轉矩造成轉矩不平衡，軸系松弛功率無法送出，異步發電機將會轉速飛升，甚至可能引起母線電壓崩潰造成電量損失與失穩。

圖1 單相風電機組輸出電壓虛擬電網模擬

而顯然式中風電機組有功如下

設最初風速23m/s，當出現持續6s、以±6m/s速率逐漸變化的典型陣風時，十萬千瓦裝機容量風電場出口母線電壓變化幅度為-5%～4%。研究表明，風電機組端電壓的波動與閃變隨平均風速的增加而增加。風速超過額定值又繼續增加時，變轉速機組由于具有可平滑有功波動使得電壓波動減小，恒轉速機組的波動仍舊增大。湍流強度與電壓波動與閃變的關系幾乎可表示為正斜率特性。

為評估并網運行的電壓波動，可考慮風速服從瑞利分布并依據 IEC標準中的閃變值算法進行估算。考慮大型風電場有多臺風機，則引起的短時與長時間閃變值為[1]

式中， ci（ φk, va）s是每臺機組閃變系數，是由閃變系數在瑞利風速下的積累概率函數計算得出的。

式（3）中，N為并網點連接風電機組數； Sn,i為每臺機組額定視在功率； Sk為機組公共并網點短路容量； Sks為虛擬電網短路容量； Pst是根據風機輸出電壓按照IEC標準計算得出的短時閃變值。

1.2 風速波動的并網頻率影響

現代風力發電系統中越來越多地采取了變速風電機組或者安裝有電力電子變流器的恒速風電機組，這樣的機組雖然控制性能大大進步，但同時使得機組機械和電氣聯系解耦，阻斷了轉子轉速與電網頻率變化的響應關系。單純的恒頻機組采用恒轉差運行，能夠維持恒定功率水平。因此，當電網頻率改變時，風力發電機組輸出功率僅與風能有關，不能對系統頻率變化產生響應。

綜合目前對風速統計分析得出，單臺風電機組輸出的波動功率水平主要為秒級，但量值很小；風電場由于集群效應其波動則更為平緩，秒級的風速變化率不大，99.44%的情況下變化率都小于0.3%；而分鐘級以上的功率波動則會對電網的頻率帶來一定的影響。另考慮風電的集群平滑作用，當風電場群入網后，出現大于70%全網風電容量的功率波動概率將極低。但若滲透率較高，將會在全網造成系統有功出力和負荷之間的動態不平衡，對電網頻率造成很大打擊。我國電力系統的頻率偏差標準為50±0.2Hz，這是風電引起的頻率波動必須控制的范圍。

在我國風電場并網導則中規定風電是不需要參與調頻的。這是由于風電功率無法控制，做備用的可靠性極低。電網的調頻重任必須由傳統水火電廠承擔。

對于數分鐘至小時級功率波動的二次調頻，在其他國家的風電導則中，提出了風電在系統頻率受到影響時需要限制風電出力來參與二次調頻。如愛爾蘭則要求風電場需要將 3%～5%的出力進行控制來參加系統調頻、丹麥規定風電場需要采用棄風方式來留出一定的調頻容量。我國電網導則沒有提出相關要求。二次調頻是手動或自動根據事先的預測值控制風電機組發出功率的增減。預測值由風電出力預測和電網調度預測（仍考慮負荷預測）綜合考慮得出的，如果風電的功率波動超出了預測值，備用無法響應時則也會造成系統的功率不平衡和頻率變化。這就需要電網增加更多的調頻電源容量來應對。

研究表明，穿透功率愈大，風電場并網所需的額外備用就愈多。當風電的穿透水平達到10%時，功率波動的影響才會明顯地體現在二次調頻備用容量上來，而額外增加的備用意味著額外增加的成本，這可能造成傳統電力機組的頻繁啟停或未滿載運行造成效率低下、風電機組參與的機組最優組合復雜化，從而引起調頻負擔加重、調度困難與運行成本增加。

據以上分析可粗略估算并網風電的容量。風電出力變化率為一定時，風電接入率增大，則所要求的系統調頻速度越大。依張家口風電場數據分析[9]，設若當調頻速度為每分鐘1.2%時，則必須要求風電接入率限制在40%以下。

1.3 風速波動對電網潮流影響

給定風速，風電場的有功功率特性可以表示為如下

式中，A、B、C為功率特性系數，V為風速， Vci、Vco、Vr分別代表風機啟動風速切除風速以及額定風速， Pr為額定風電出力。

傳統潮流計算中，電網的母線可以劃分為 PQ節點、PV節點和平衡節點三類。對于變速風力機組，無功可以根據控制策略的設定或者功率因數求取。而恒速風電機組則不同，其自身無法進行勵磁調節不能調節電壓免受偏移；其所吸取的無功，又與發出有功、電壓、滑差有關，不能保證功率恒定。所以是不能單純將風電場母線劃分為某一類節點的。

采用風電場潮流聯合迭代模型[27]，簡化異步發電機的等值電路，如圖2所示。由等值電路可以得到注入電網的有功和無功分別為

由上式可知無功可以辨識為有功和電壓的函數。改進雅克比矩陣并采用牛頓-拉夫遜法，可以得到風電場并網系統的潮流。

圖2 簡化異步發電機等值電路

動態系統下中，如果采用了傳統穩態潮流計算方法，風速變動強烈的情況下，計算結果將會產生一定的誤差。可以采用蒙特卡羅法計算概率潮流，將電力系統中負荷、風電機組出力等概率分布進行抽樣，再進行穩態潮流計算，得到與抽樣值對應的潮流計算結果后進行分析得到系統潮流的概率分布。

另外，潮流結果也與并網點連接風電場之間的風速相關性密切相關。文獻[25]研究改進的IEEE30節點系統發現：當風速相關性高時至少需要22.5Mvar無功補償量來保證各節點電壓不越限，而設風速無相關性則僅需6Mvar的補償量；考慮相關性時的風電場的最大裝機容量比不考慮時超過了34MW，若按后者裝機容量進行系統規劃，則必定會使系統中部分節點電壓越限的概率大于5%。實際工程中需要考慮這一點。

2 風速波動對電網影響的解決措施

就目前而言，解決風速波動造成的大規模風電并網問題主要還處于理論研究，因為世界范圍內具有高極限穿越功率的國家相當有限，北歐國家風電發電量僅占電力系統的 1%～2%，美國與我國則更低。但隨著風電快速發展，解決此問題是不可避免的。而以上對風速波動造成的并網影響問題的解決方式是相輔相成的，其最根本的就是將風電機組輸出的有功功率進行平滑。

盡量準確預測風速可以相應提高風電功率輸出的預測準確性，從而顯著降低所需調頻備用。通過合理有效的統籌管理、較準確地進行風速和功率的調節和控制是發電調度計劃制定的重要參考，從而及時提供備用、減少電壓和頻率波動可能性。目前預測方法主要有隨機時間序列法、人工神經網絡法、卡爾曼濾波法等。當滲透率為10%時，約需要額外的調頻備用為2%～8%的風電裝機容量。如果采用先進預測技術及當日甚至小時前調度，則只需2%～4%的裝機容量。

由上文分析，備用容量增加意味著經濟和電網調度的困難。尋找新的平衡方式如功率補償器也是現在的熱點。現廣泛采用的是安裝無功補償器如SVC、STATCOM 來提供一定無功穩定風電場出口電壓。在頻率方面，有研究將風電場看作負的負荷，來通過AGC（自動發電控制系統）調節系統發出的有功較好的解決其隨機性的問題[26]。但是其綜合效果卻沒有新興的儲能裝置優越，當然后者的成本是重要的制約因素。儲能裝置對有功無功都可以進行有效補償，其提供的有功有效彌補機組有功輸出波動、緩解電壓頻率偏差，彌補純無功補償的不足。

采用飛輪儲能、超導儲能、蓄電池儲能等在一定程度上能夠平滑風電的有功波動。分析風電輸出功率頻率知，大部分都處于低頻域，0.01～1Hz頻段對電網影響最大。現在的研究往往采用高通濾波器得到電池儲能系統的參考輸出[19-20]，即式中， Pw為風速。

電池儲能系統的容量可由該功率在時間上的積分求取，而根據截止頻率 0.01Hz求得時間常數τ= 1 5.9。研究表明，既可以有效平抑風電場功率波動，又可以提升風電場的整體備用容量。

另外，由于連接點的短路比與電壓波動呈負增長關系，所以優化電網結構、增加風電場與電網間的電氣聯系、增大風電場并網點短路容量也將有效減小風速改變引起的電壓波動。

3 結論

通過前文分析，自然不可控風速對風電場接入系統造成的影響在滲透率（以發電量計）較低時可以由電力系統的自動調節裝置進行緩解，但能力與效果有限。當滲透率較高時，隨機波動的風電出力對電網電壓和頻率、潮流等的影響很可能越限，會造成電網不穩定甚至解列、崩潰的后果，加重了發電調度負擔，大大增加了經濟成本。因此，風速造成的功率波動對大規模風電并網的進一步研究刻不容緩。

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