關于風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）

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

1 影響風電穿透功率極限的因素

系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構是影響風電穿透功率的重要因素之一。在常規(guī)機組出力約束相同的條件下，風電場從不同的節(jié)點接入系統(tǒng)，系統(tǒng)的穿透功率極限是不同的。一般來說，風電場接入系統(tǒng)節(jié)點離發(fā)電廠越近時，他的穿透功率極限會越小，因為此時它對系統(tǒng)頻率影響較大。另外風電場從幾個點同時接入，系統(tǒng)能夠接受的風電容量一般要比只從一個點接入時高。

系統(tǒng)的運行調(diào)度方案是影響風電穿透功率的又一因素。要達到風電場出力最大，系統(tǒng)內(nèi)其他常規(guī)機組需減少出力，即系統(tǒng)的常規(guī)機組出力存在一個優(yōu)化調(diào)整的問題，這說明要最大程度的接受風電，需要對系統(tǒng)的機組調(diào)度方案進行優(yōu)化。

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

2 確定風電穿透功率極限的常用方法

風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)的幾種典型運行方式。對于含風電的電力系統(tǒng)而言，不同的運行方式對應的風電穿透功率極限也不相同，一般選擇風電場的并網(wǎng)運行對系統(tǒng)運行的沖擊最大的運行方式進行計算，只要在這些運行方式下能夠保證系統(tǒng)穩(wěn)定，就可以保證系統(tǒng)在其它運行方式下也能穩(wěn)定運行。一般選擇系統(tǒng)負荷最大和負荷最小兩種運行方式.這是因為，在最大負荷時系統(tǒng)熱備用較少,如果在很短的時間內(nèi)風速由額定值減小至零風速，則風電場的有功功率會在短時間內(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。在最小負荷時,風速如果在很短時間內(nèi)由零風速增至額定風速，風電場的有功功率將會在短時間內(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)定運行。

（2）確定系統(tǒng)的擾動形式和安全目標。①系統(tǒng)擾動形式。在風電場出線處設置一些常規(guī)故障和由風速變化引起的風電場輸出功率波動，考慮對系統(tǒng)影響最大的擾動形式，一般采用風電場出線處單相永久接地短路故障、風速在短時內(nèi)由停機風速升至額定風速和由額定風速降至停機風速三種擾動方式。②系統(tǒng)安全目標，即系統(tǒng)正常運行時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)安全約束指標主要是系統(tǒng)中各線路潮流不過載,各節(jié)點電壓不越限（波動范圍5%）。暫態(tài)穩(wěn)定判據(jù)為系統(tǒng)中發(fā)電機最大功角差第一擺和第二擺衰減震蕩，中樞節(jié)點電壓恢復穩(wěn)定。另外,還可以采用其他安全目標以負荷損失概率為指標。

（3）根據(jù)建立風況模型和風電系統(tǒng)的數(shù)學模型，應用數(shù)字仿真方法或優(yōu)化方法計算風電穿透功率。數(shù)字仿真，用數(shù)字仿真方法求取風電穿透功率是一種驗證性的間接計算方法，首先設想一個風電功率，然后根據(jù)選取的系統(tǒng)運行方式，通過動態(tài)仿真檢驗系統(tǒng)在該水平的風電沖擊下是否會失去安全性和穩(wěn)定性，通過分析仿真結果，再對風電場的容量值進行修正；通過不斷的仿真、分析、修正，直到求得該種運行方式下滿足約束的風電場最大容量進而確定穿透功率極限。在對風電場容量值不斷修正的過程中，修正值的選取是風電場穿透功率極限計算的關鍵。僅靠人為地修正風電場容量，既不科學也很難快速準確地求得風電場最大容量。當系統(tǒng)十分復雜時，仿真次數(shù)的增多會使計算量變得很大。因此數(shù)字仿真方法無法全面考慮系統(tǒng)的各種運行方式和風況條件。

3 提高風電穿透功率極限的措施

根據(jù)我國電網(wǎng)的具體情況，一般來講風電穿透功率不超過8%時，不會出現(xiàn)大的技術問題。這與國外風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)的風電穿透功率可達20%，丹麥西部電網(wǎng)在大風時曾經(jīng)歷過50%的穿透功率。我國要在未來的幾十年內(nèi)大力發(fā)展風電，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，為了提高風電穿透功率，可以安裝有載調(diào)壓變壓器和并聯(lián)無功補償設備。通過比較指出，有載調(diào)壓方案對提高風電場的經(jīng)濟效益來講是最優(yōu)的，尤其是對于更高穿透功率其優(yōu)越性會更加明顯。但有載調(diào)壓方案會一定程度上增加系統(tǒng)的網(wǎng)絡損耗，且需要有相應的測量和通信系統(tǒng)進行配合，因此具體應用時需綜合考慮。

（2）采用先進的風電場的風速預測技術，優(yōu)化系統(tǒng)運行方式，以減小風電場擾動對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。風機輸出功率/風速關系曲線如圖1所示，（其中為切入風速，為額定風速，為切出風速，為額定輸出功率）風速在切入風速和額定風速之間時，功率曲線的斜率很陡，在此區(qū)間風速預測的準確性對輸出功率的影響也最大，文獻[7]基于丹麥西部電力系統(tǒng)的計算得知，風速在5~15m/s之間時，每1m/s的風速預測誤差將引起風電機組大約320MW的變化。

圖1 風機輸出功率/風速關系曲線

此外，采用優(yōu)秀的負荷預測技術優(yōu)化系統(tǒng)運行方式，安裝新型快速啟停的發(fā)電機以增加系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)能力，都能夠有效的提高風電穿透功率極限。