關(guān)于風(fēng)電穿透功率極限的探討

程德才，吳宏才

（冀北唐山供電公司，河北 唐山 063000）

隨著風(fēng)電的快速發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量和風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模越來越大，大型風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行對(duì)電力系統(tǒng)的影響越來越明顯，從而對(duì)電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量和可靠性也帶來了新的挑戰(zhàn)。為了確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行，有必要對(duì)系統(tǒng)中風(fēng)電場(chǎng)的容量作一定的限制。因此，如何確定系統(tǒng)在正常運(yùn)行前提下可以接受的最大風(fēng)電裝機(jī)容量，即系統(tǒng)的穿透功率極限計(jì)算成為十分緊迫的研究課題。

1 影響風(fēng)電穿透功率極限的因素

系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是影響風(fēng)電穿透功率的重要因素之一。在常規(guī)機(jī)組出力約束相同的條件下，風(fēng)電場(chǎng)從不同的節(jié)點(diǎn)接入系統(tǒng)，系統(tǒng)的穿透功率極限是不同的。一般來說，風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)離發(fā)電廠越近時(shí)，他的穿透功率極限會(huì)越小，因?yàn)榇藭r(shí)它對(duì)系統(tǒng)頻率影響較大。另外風(fēng)電場(chǎng)從幾個(gè)點(diǎn)同時(shí)接入，系統(tǒng)能夠接受的風(fēng)電容量一般要比只從一個(gè)點(diǎn)接入時(shí)高。

系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)度方案是影響風(fēng)電穿透功率的又一因素。要達(dá)到風(fēng)電場(chǎng)出力最大，系統(tǒng)內(nèi)其他常規(guī)機(jī)組需減少出力，即系統(tǒng)的常規(guī)機(jī)組出力存在一個(gè)優(yōu)化調(diào)整的問題，這說明要最大程度的接受風(fēng)電，需要對(duì)系統(tǒng)的機(jī)組調(diào)度方案進(jìn)行優(yōu)化。

此外，風(fēng)電穿透功率水平還受到很多因素的影響，如系統(tǒng)的運(yùn)行方式、常規(guī)機(jī)組的出力限制和系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)備用要求等。

2 確定風(fēng)電穿透功率極限的常用方法

風(fēng)電穿透功率極限由于涉及的因素較多，因此還沒有統(tǒng)一的算法和公式來計(jì)算。目前一般采用數(shù)字仿真或優(yōu)化的方法。

（1）確定系統(tǒng)的幾種典型運(yùn)行方式。對(duì)于含風(fēng)電的電力系統(tǒng)而言，不同的運(yùn)行方式對(duì)應(yīng)的風(fēng)電穿透功率極限也不相同，一般選擇風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)運(yùn)行對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的沖擊最大的運(yùn)行方式進(jìn)行計(jì)算，只要在這些運(yùn)行方式下能夠保證系統(tǒng)穩(wěn)定，就可以保證系統(tǒng)在其它運(yùn)行方式下也能穩(wěn)定運(yùn)行。一般選擇系統(tǒng)負(fù)荷最大和負(fù)荷最小兩種運(yùn)行方式.這是因?yàn)椋谧畲筘?fù)荷時(shí)系統(tǒng)熱備用較少,如果在很短的時(shí)間內(nèi)風(fēng)速由額定值減小至零風(fēng)速，則風(fēng)電場(chǎng)的有功功率會(huì)在短時(shí)間內(nèi)由最大輸出功率降為零,有功缺額將使系統(tǒng)頻率和電壓產(chǎn)生大的變化。在最小負(fù)荷時(shí),風(fēng)速如果在很短時(shí)間內(nèi)由零風(fēng)速增至額定風(fēng)速，風(fēng)電場(chǎng)的有功功率將會(huì)在短時(shí)間內(nèi)由零增加到最大輸出功率，系統(tǒng)中產(chǎn)生的有功增量將影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）確定系統(tǒng)的擾動(dòng)形式和安全目標(biāo)。①系統(tǒng)擾動(dòng)形式。在風(fēng)電場(chǎng)出線處設(shè)置一些常規(guī)故障和由風(fēng)速變化引起的風(fēng)電場(chǎng)輸出功率波動(dòng)，考慮對(duì)系統(tǒng)影響最大的擾動(dòng)形式，一般采用風(fēng)電場(chǎng)出線處單相永久接地短路故障、風(fēng)速在短時(shí)內(nèi)由停機(jī)風(fēng)速升至額定風(fēng)速和由額定風(fēng)速降至停機(jī)風(fēng)速三種擾動(dòng)方式。②系統(tǒng)安全目標(biāo)，即系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)所要滿足的各種約束條件，包括靜態(tài)安全約束和暫態(tài)穩(wěn)定判據(jù)。靜態(tài)安全約束指標(biāo)主要是系統(tǒng)中各線路潮流不過載,各節(jié)點(diǎn)電壓不越限（波動(dòng)范圍5%）。暫態(tài)穩(wěn)定判據(jù)為系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)最大功角差第一擺和第二擺衰減震蕩，中樞節(jié)點(diǎn)電壓恢復(fù)穩(wěn)定。另外,還可以采用其他安全目標(biāo)以負(fù)荷損失概率為指標(biāo)。

（3）根據(jù)建立風(fēng)況模型和風(fēng)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用數(shù)字仿真方法或優(yōu)化方法計(jì)算風(fēng)電穿透功率。數(shù)字仿真，用數(shù)字仿真方法求取風(fēng)電穿透功率是一種驗(yàn)證性的間接計(jì)算方法，首先設(shè)想一個(gè)風(fēng)電功率，然后根據(jù)選取的系統(tǒng)運(yùn)行方式，通過動(dòng)態(tài)仿真檢驗(yàn)系統(tǒng)在該水平的風(fēng)電沖擊下是否會(huì)失去安全性和穩(wěn)定性，通過分析仿真結(jié)果，再對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的容量值進(jìn)行修正；通過不斷的仿真、分析、修正，直到求得該種運(yùn)行方式下滿足約束的風(fēng)電場(chǎng)最大容量進(jìn)而確定穿透功率極限。在對(duì)風(fēng)電場(chǎng)容量值不斷修正的過程中，修正值的選取是風(fēng)電場(chǎng)穿透功率極限計(jì)算的關(guān)鍵。僅靠人為地修正風(fēng)電場(chǎng)容量，既不科學(xué)也很難快速準(zhǔn)確地求得風(fēng)電場(chǎng)最大容量。當(dāng)系統(tǒng)十分復(fù)雜時(shí)，仿真次數(shù)的增多會(huì)使計(jì)算量變得很大。因此數(shù)字仿真方法無法全面考慮系統(tǒng)的各種運(yùn)行方式和風(fēng)況條件。

3 提高風(fēng)電穿透功率極限的措施

根據(jù)我國(guó)電網(wǎng)的具體情況，一般來講風(fēng)電穿透功率不超過8%時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)大的技術(shù)問題。這與國(guó)外風(fēng)電穿透功率水平是有較大差距的，有數(shù)據(jù)表明，歐洲電網(wǎng)的風(fēng)電穿透功率可達(dá)20%，丹麥西部電網(wǎng)在大風(fēng)時(shí)曾經(jīng)歷過50%的穿透功率。我國(guó)要在未來的幾十年內(nèi)大力發(fā)展風(fēng)電，穿透功率極限的提高是非常必要的。提高穿透功率極限主要通過以下措施：

（1）從電壓穩(wěn)定的角度上，為了提高風(fēng)電穿透功率，可以安裝有載調(diào)壓變壓器和并聯(lián)無功補(bǔ)償設(shè)備。通過比較指出，有載調(diào)壓方案對(duì)提高風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益來講是最優(yōu)的，尤其是對(duì)于更高穿透功率其優(yōu)越性會(huì)更加明顯。但有載調(diào)壓方案會(huì)一定程度上增加系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)損耗，且需要有相應(yīng)的測(cè)量和通信系統(tǒng)進(jìn)行配合，因此具體應(yīng)用時(shí)需綜合考慮。

（2）采用先進(jìn)的風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)速預(yù)測(cè)技術(shù)，優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行方式，以減小風(fēng)電場(chǎng)擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。風(fēng)機(jī)輸出功率/風(fēng)速關(guān)系曲線如圖1所示，（其中為切入風(fēng)速，為額定風(fēng)速，為切出風(fēng)速，為額定輸出功率）風(fēng)速在切入風(fēng)速和額定風(fēng)速之間時(shí)，功率曲線的斜率很陡，在此區(qū)間風(fēng)速預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性對(duì)輸出功率的影響也最大，文獻(xiàn)[7]基于丹麥西部電力系統(tǒng)的計(jì)算得知，風(fēng)速在5~15m/s之間時(shí)，每1m/s的風(fēng)速預(yù)測(cè)誤差將引起風(fēng)電機(jī)組大約320MW的變化。

圖1 風(fēng)機(jī)輸出功率/風(fēng)速關(guān)系曲線

此外，采用優(yōu)秀的負(fù)荷預(yù)測(cè)技術(shù)優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行方式，安裝新型快速啟停的發(fā)電機(jī)以增加系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)能力，都能夠有效的提高風(fēng)電穿透功率極限。