風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)對電網(wǎng)運(yùn)行影響的分析研究

黃加明

(湖北工程職業(yè)學(xué)院，湖北 黃石 435003)

風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)對電網(wǎng)運(yùn)行影響的分析研究

黃加明

(湖北工程職業(yè)學(xué)院，湖北 黃石 435003)

文章介紹了風(fēng)力發(fā)電場的幾種風(fēng)力發(fā)電機(jī)型，總結(jié)了目前風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)對電網(wǎng)運(yùn)行的分析方法及初步結(jié)論，提出了改進(jìn)對策。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)；風(fēng)電場；風(fēng)電；并網(wǎng)；風(fēng)能，運(yùn)行

0 引 言

風(fēng)能是一種清潔，安全，可再生的綠色能源，利用風(fēng)能對環(huán)境無污染，對生態(tài)無破壞，環(huán)保效益和生態(tài)效益良好，對于人類社會可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。進(jìn)入20世紀(jì)70年代，在世界范圍內(nèi)爆發(fā)的能源危機(jī)告誡人們，要生存就要尋找開發(fā)新能源，此后各國政府紛紛制定能源政策支持新能源的開發(fā)利用。現(xiàn)今調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、減少溫室氣體排放、緩解環(huán)境污染、加強(qiáng)能源安全已成為國內(nèi)外關(guān)注的熱點(diǎn)。國家對可再生能源的利用,特別是風(fēng)能開發(fā)利用給予了高度重視。

風(fēng)電場出力的主要特點(diǎn)是隨機(jī)性、間歇性及不可控性，主要隨風(fēng)速變化。因此，風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行給電網(wǎng)帶來諸多不利影響。隨著風(fēng)電場的容量越來越大，對系統(tǒng)的影響也越來越明顯，研究風(fēng)電并網(wǎng)對系統(tǒng)的影響已成為重要課題，文中將就風(fēng)電并網(wǎng)研究中的一些問題進(jìn)行分析。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要形式

分析風(fēng)電并網(wǎng)的影響，首先要考慮風(fēng)力發(fā)電機(jī)類型的不同。不同風(fēng)電機(jī)組工作原理、數(shù)學(xué)模型都不相同，因此，分析方法也有差異。目前國內(nèi)風(fēng)電場選用機(jī)組主要有3種：

1.1 異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)

目前是我國主力機(jī)型，國內(nèi)已運(yùn)行風(fēng)電場大部分機(jī)組是異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)。主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，此種發(fā)電機(jī)為定速恒頻機(jī)組，運(yùn)行中轉(zhuǎn)速基本不變，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行在風(fēng)能轉(zhuǎn)換最佳狀態(tài)下的機(jī)率比較小，因而，發(fā)電能力比新型機(jī)組低。同時，運(yùn)行中需要從電力系統(tǒng)中吸收無功功率。為滿足電網(wǎng)對風(fēng)電場功率因素的要求，采用在機(jī)端并聯(lián)補(bǔ)償電容器的方法，其補(bǔ)償策略是異步發(fā)電機(jī)配有若干組固定容量電容器。由于風(fēng)速大小隨機(jī)變化，驅(qū)動異步發(fā)電機(jī)的風(fēng)機(jī)不可能經(jīng)常在額定風(fēng)速下運(yùn)轉(zhuǎn)。

1.2 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)

兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)普遍采用雙饋異步發(fā)電機(jī)形式，是目前世界主力機(jī)型，該機(jī)型稱為變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)。由于風(fēng)力機(jī)變速運(yùn)行，其運(yùn)行速度能在一個較寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，使風(fēng)機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)Cp得到優(yōu)化，獲得高的系統(tǒng)效率；可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)較平滑的電功率輸出；與電網(wǎng)連接簡單，發(fā)電機(jī)本身不需要另外附加的無功補(bǔ)償設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)功率因素一定范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)，例如從0.95領(lǐng)先到0.95滯后范圍內(nèi)，因而具有調(diào)節(jié)無功功率出力的能力。

1.3 直驅(qū)式交流永磁同步發(fā)電機(jī)

從大型風(fēng)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)中，齒輪箱是故障率較高部件。采用無齒輪箱結(jié)構(gòu)則避免了這種故障的出現(xiàn)，可以大大提高風(fēng)電機(jī)組的可利用率、可靠性，降低風(fēng)電機(jī)組載荷，提高風(fēng)力機(jī)組壽命。該機(jī)組采用直接驅(qū)動永磁式同步發(fā)電機(jī)，全部功率經(jīng)A-D-A變換，接入電力系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行。與其他機(jī)型比較，需考慮諧波治理問題。

2 風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)對電網(wǎng)影響分析方法

由于風(fēng)速變化是隨機(jī)的，因此風(fēng)電場出力也是隨機(jī)的，風(fēng)電本身這種特點(diǎn)使其容量可信度低，給電網(wǎng)有功、無功平衡調(diào)度帶來困難。

在風(fēng)電容量比較高的電網(wǎng)中，可能產(chǎn)生電能質(zhì)量問題，例如電壓波動和閃變、頻率偏差，諧波問題等。更重要的是，需分析穩(wěn)定性問題，系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定、動態(tài)穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定等。當(dāng)然，相同裝機(jī)容量的風(fēng)電場在不同接入點(diǎn)對電網(wǎng)的影響是不同的，在短路容量大的接入點(diǎn)對系統(tǒng)影響小，反之，影響大。

定量分析風(fēng)電場對電網(wǎng)運(yùn)行的影響，要從穩(wěn)態(tài)和動態(tài)兩方面進(jìn)行分析。

穩(wěn)態(tài)分析，就是對含風(fēng)電場的電力系統(tǒng)進(jìn)行潮流計(jì)算。在穩(wěn)態(tài)潮流分析中，風(fēng)電場高壓母線不能簡單視為PQ節(jié)點(diǎn)或PU節(jié)點(diǎn)。

含風(fēng)電場電力系統(tǒng)對平衡節(jié)點(diǎn)的有功、無功平衡能力提出更高要求，要分析含風(fēng)電場電網(wǎng)在電網(wǎng)大、小運(yùn)行方式下，是否滿足系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行的各種約束。

動態(tài)分析過程，一般采用仿真的方法，要考慮異步發(fā)動機(jī)、雙饋異步發(fā)動機(jī)等不同發(fā)電機(jī)的模型以及風(fēng)速、風(fēng)機(jī)、槳距調(diào)節(jié)等環(huán)節(jié)，用仿真程序PSS/E、PSCAD、PSASP等進(jìn)行分析，分析的關(guān)鍵是各種風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型的選用。

分析風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)影響，還需考慮風(fēng)電場無功問題。風(fēng)電場無功消耗包括：異步發(fā)動機(jī)消耗；風(fēng)機(jī)出口升壓變壓器；風(fēng)電場升壓站主變壓器消耗等，如有必要，可采用動態(tài)電壓控制設(shè)備。

目前風(fēng)電的容量可信度常用的有兩種評價方法：一種是計(jì)算含風(fēng)電系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)，在保證系統(tǒng)可靠性不變的前提下，風(fēng)電能夠替代的常規(guī)發(fā)電機(jī)組容量即為其容量可信度，這種方法適合于系統(tǒng)的規(guī)劃階段；一種方法是時間序列仿真，選擇合適的時間段作為研究對象，通過計(jì)算風(fēng)電場的容量系數(shù)(風(fēng)電場實(shí)際出力與理論發(fā)電量的比值)來估算容量可信度，在負(fù)荷高峰時段，可以認(rèn)為容量系數(shù)等于容量可信度，該方法適用于為系統(tǒng)的運(yùn)行提供決策支持。

3 風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)對電網(wǎng)影響

通過上述分析方法，風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)影響主要表現(xiàn)為以下幾方面：

3.1 電壓閃變

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大多采用軟并網(wǎng)方式，但是在啟動時仍然會產(chǎn)生較大的沖擊電流。當(dāng)風(fēng)速超過切出風(fēng)速時，風(fēng)機(jī)會從額定出力狀態(tài)自動退出運(yùn)行。如果整個風(fēng)電場所有風(fēng)機(jī)幾乎同時動作，這種沖擊對配電網(wǎng)的影響十分明顯。不但如此，風(fēng)速的變化和風(fēng)機(jī)的塔影效應(yīng)都會導(dǎo)致風(fēng)機(jī)出力的波動，而其波動正好處在能夠產(chǎn)生電壓閃變的頻率范圍之內(nèi)(低于25 Hz)，因此，風(fēng)機(jī)在正常運(yùn)行時也會給電網(wǎng)帶來閃變問題，影響電能質(zhì)量。已有的研究成果表明，閃變對并網(wǎng)點(diǎn)的短路電流水平和電網(wǎng)的阻抗比(也有說是阻抗角)十分敏感。

3.2 諧波污染

風(fēng)電給系統(tǒng)帶來諧波的途徑主要有兩種：一種是風(fēng)力發(fā)電機(jī)本身配備的電力電子裝置，可能帶來諧波問題。對于直接和電網(wǎng)相連的恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)，軟啟動階段要通過電力電子裝置與電網(wǎng)相連，因此會產(chǎn)生一定的諧波，不過因?yàn)檫^程很短，發(fā)生的次數(shù)也不多，通常可以忽略。但是對于變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)則不然，因?yàn)樽兯亠L(fēng)力發(fā)電機(jī)通過整流和逆變裝置接入系統(tǒng)，如果電力電子裝置的切換頻率恰好在產(chǎn)生諧波的范圍內(nèi)，則會產(chǎn)生很嚴(yán)重的諧波問題，不過隨著電力電子器件的不斷改進(jìn)，這一問題也在逐步得到解決。另一種是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并聯(lián)補(bǔ)償電容器可能和線路電抗發(fā)生諧振，在實(shí)際運(yùn)行中，曾經(jīng)觀測到在風(fēng)電場出口變壓器的低壓側(cè)產(chǎn)生大量諧波的現(xiàn)象。與電壓閃變問題相比，風(fēng)電并網(wǎng)帶來的諧波問題不是很嚴(yán)重。

3.3 電壓穩(wěn)定性

大型風(fēng)電場及其周圍地區(qū)，常常會有電壓波動大的情況。主要是因?yàn)橐韵氯N情況。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組啟動時仍然會產(chǎn)生較大的沖擊電流。單臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)對電網(wǎng)電壓的沖擊相對較小，但并網(wǎng)過程至少持續(xù)一段時間后(約為幾十秒)才基本消失，多臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組同時直接并網(wǎng)會造成電網(wǎng)電壓驟降。

因此多臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)需分組進(jìn)行，且要有一定的間隔時間。當(dāng)風(fēng)速超過切出風(fēng)速或發(fā)生故障時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)會從額定出力狀態(tài)自動退出并網(wǎng)狀態(tài)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的脫網(wǎng)會產(chǎn)生電網(wǎng)電壓的突降，而機(jī)端較多的電容補(bǔ)償由于抬高了脫網(wǎng)前風(fēng)電場的運(yùn)行電壓，從而引起了更大的電網(wǎng)電壓的下降。

風(fēng)電場風(fēng)速條件變化也將引起風(fēng)電場及其附近的電壓波動。比如當(dāng)風(fēng)場平均風(fēng)速加大，輸入系統(tǒng)的有功功率增加，風(fēng)電場母線電壓開始有所降低，然后升高。這是因?yàn)楫?dāng)風(fēng)場輸入功率較小時，輸入有功功率引起的電壓升數(shù)值小，而吸收無功功率引起的電壓降大；當(dāng)風(fēng)場輸入功率增大時，輸入有功引起的電壓升數(shù)值增加較大，而吸收無功功率引起的電壓降增加較小。如果考慮機(jī)端電容補(bǔ)償，則風(fēng)電場的電壓增加。特別的，當(dāng)風(fēng)電場與系統(tǒng)間等值阻抗較大時，由于風(fēng)速變動引起的電壓波動現(xiàn)象更為明顯。研究發(fā)現(xiàn)，使用電力電子轉(zhuǎn)換裝置的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，能夠減少電壓波動，比如并網(wǎng)時風(fēng)電場機(jī)端若能提供瞬時無功，則啟動電流也大大減小，對地方電網(wǎng)的沖擊將大大減輕。值得一提的是，如果采用異步發(fā)電機(jī)作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)，除非采取必要的預(yù)防措施，如動態(tài)無功補(bǔ)償、加固網(wǎng)絡(luò)或者采用HVDC連接，否則當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中某處發(fā)生三相接地故障時，將有可能導(dǎo)致全網(wǎng)的電壓崩潰。

3.4 無功控制、有功調(diào)度

大型風(fēng)電場的風(fēng)力發(fā)電機(jī)幾乎都是異步發(fā)電機(jī)，在其并網(wǎng)運(yùn)行時需從電力系統(tǒng)中吸收大量無功功率，增加電網(wǎng)的無功負(fù)擔(dān)，有可能導(dǎo)致小型電網(wǎng)的電壓失穩(wěn)。因此風(fēng)力發(fā)電機(jī)端往往配備有電容器組，進(jìn)行無功補(bǔ)償，從而提高電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量及降低成本。雙饋型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)對這一系列問題有很好地解決作用，由于添加了控制環(huán)節(jié)，它具有了以下優(yōu)良特性：

(1)可以實(shí)現(xiàn)對無功功率的控制--雙饋發(fā)電機(jī)在實(shí)現(xiàn)電壓控制的同時還可以從電網(wǎng)中吸收無功功率或是為電網(wǎng)提供無功補(bǔ)償。

(2)可以通過對轉(zhuǎn)子勵磁電流的獨(dú)立控制實(shí)現(xiàn)了有功和無功功率的解耦控制。具體原理是，雙饋發(fā)電機(jī)在轉(zhuǎn)子側(cè)的變頻器通過轉(zhuǎn)子電流d軸分量實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和力矩的控制，無功和勵磁則是通過轉(zhuǎn)子電流的q軸分量來控制的。同時，電網(wǎng)側(cè)的變頻器也以類似的方式工作，d軸分量通過直流電壓媒介電路控制有功功率，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子側(cè)與電網(wǎng)側(cè)變頻器之間的有功交換。

4 結(jié)束語

隨著風(fēng)電的高速發(fā)展，對風(fēng)電并網(wǎng)的研究會越來越重要。影響風(fēng)電并網(wǎng)的技術(shù)障礙包括缺少風(fēng)電場規(guī)劃、風(fēng)力發(fā)電機(jī)和風(fēng)電場模型的模擬軟件、風(fēng)電場輸出預(yù)測等。

建議通過硬件建設(shè)，改進(jìn)電網(wǎng)負(fù)荷平衡能力；通過軟件建設(shè)，提高電網(wǎng)的調(diào)度能力和水平；制訂嚴(yán)格的風(fēng)電入網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)風(fēng)機(jī)制造技術(shù)的進(jìn)步；提高風(fēng)電短期預(yù)測技術(shù)能力和水平。

[1] 崔小文.風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)及其對電能質(zhì)量的影響分析[S].上海市電機(jī)工程學(xué)會學(xué)術(shù)年會論文集，2006.

[2] 李俊峰.中國風(fēng)電發(fā)展報(bào)告[M].中國投資，2008.

[3] 陳建偉.風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)相關(guān)問題綜述[J].中國農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，2010.

[4] 雷亞洲.與風(fēng)電并網(wǎng)相關(guān)的研究課題[J].電力系統(tǒng)自動化，2003.

Analysis of Wind Power and Influence of the Network Grid Operation

HUANG Jia-ming

(Hubei Engineering Vocational College，Huangshi 435003, Hubei Province, China)

This paper describes several wind turbine wind farm, and summarizes the current wind power generation and network analysis methods and preliminary conclusions of the power grid, and proposed improvement measures.

Wind turbines; Wind farms; Wind power; Grid; Wind; Run

2015-03-28

2015-04-10

黃加明(1967-)，男，湖北黃石人，副教授，電氣工程師，主要從事電氣自動化專業(yè)教學(xué)。

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.05.014

TK89

B

1009-3230(2015)05-0046-04