試論風(fēng)電場模型及其對電力系統(tǒng)的影響

郭帥

摘 要：隨著社會的不斷的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進步，世界上逐漸廣泛的開發(fā)風(fēng)電資源，其具有較廣的分布，但是同時具有很多的缺點，對風(fēng)電系統(tǒng)的開發(fā)造成不利影響。因此文章對風(fēng)電場建模及其對電力系統(tǒng)的影響進行了具體的分析。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電場模型；電力系統(tǒng)；影響

中圖分類號：TM7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）28-0180-02

前言

可再生資源里包括風(fēng)電資源，較廣的分布和相對成熟的開發(fā)技術(shù)是其主要的特點。風(fēng)電與環(huán)境具有明顯的友好性，這是其主要的優(yōu)勢，但是同時其也具有明顯的缺點，輸出電力的平穩(wěn)性受到其隨機性和間接性的影響，從而對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和發(fā)電的正常運行造成不利影響[1]。因此具體研究風(fēng)電模型及其對電力系統(tǒng)的影響具有非常重要的現(xiàn)實意義。

1 風(fēng)電場模型的論述

1.1 風(fēng)力發(fā)電組動態(tài)建模

1.1.1 風(fēng)的統(tǒng)計理論和風(fēng)速建模

在風(fēng)力發(fā)電過程中將風(fēng)作為主要的動力。風(fēng)向和風(fēng)速、間接性、不可預(yù)測性和隨機性是風(fēng)的自然特性。風(fēng)力發(fā)電機建模的重要組成部分之一是風(fēng)向與風(fēng)速的建模。在研究風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，人們對風(fēng)速的特性更加重視，其中Weibull是風(fēng)速描述中經(jīng)常見的分布，其分布函數(shù)主要是：

Fw（V）=1-exp（-VIC）k

其中C、k、V分別是尺度參數(shù)、形狀參數(shù)和風(fēng)速。

當(dāng)前在簡單的模擬計算中適合這種模型，造成這種現(xiàn)象的主要原因是其沒有將陣風(fēng)分量參數(shù)的方法確定下來。一般平均風(fēng)速與湍流分量相疊加的風(fēng)速模型是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究中主要使用的[2]。在該模型中風(fēng)速的均值可以在一分鐘到十分鐘內(nèi)保持不變，內(nèi)由湍流分量提供風(fēng)速的變化情況。

1.1.2 風(fēng)力發(fā)電機組的建模

風(fēng)力機、發(fā)電機、相應(yīng)控制系統(tǒng)的4個模塊和傳動機構(gòu)是典型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要包括的內(nèi)容。復(fù)雜性是風(fēng)力機結(jié)構(gòu)的特點，所以在模型中人們對風(fēng)速與機械出力的關(guān)系更加重視，其中通過推導(dǎo)理論得到風(fēng)能-機械能的傳遞公式是經(jīng)常見到的處理方式。

風(fēng)力機、低速軸和高速軸是組成風(fēng)力發(fā)電機組機械傳動系統(tǒng)的主要部分。復(fù)雜性是傳動機構(gòu)機理建模所具有的特點，因此人們會簡化其建模[3]。而且研究的目的不相同，人們對其簡化可以加大力度，如可以將整個傳動機構(gòu)作為一個剛體，其特性可以用1階慣性環(huán)節(jié)來表示，其表達(dá)式如下所示：

其中M、Mm與Th分別為傳動機構(gòu)的輸入、輸出的轉(zhuǎn)矩和輪彀時間常數(shù)。

定槳距、變槳距和變恒速頻三種風(fēng)力發(fā)電機組主要是根據(jù)風(fēng)力發(fā)電過程中變化的漿距和發(fā)電機的運行特點分類的。國外風(fēng)力發(fā)電機的主導(dǎo)產(chǎn)品是變速風(fēng)力發(fā)電機組，其中兆瓦級是主要的容量。

恒速恒頻發(fā)電機組中包括定槳距和變槳距風(fēng)力發(fā)電機組。當(dāng)前在風(fēng)力機組中恒速恒頻發(fā)電機組占據(jù)較大的百分比，但是其具有很差的電網(wǎng)功率因數(shù)，造成這種現(xiàn)象的主要原因是其在建立磁場的過程中使用的無功電流主要是從電網(wǎng)中吸收的。雙饋發(fā)電機的并速風(fēng)力發(fā)電機組的網(wǎng)絡(luò)兼容性比較好，同時可以將系統(tǒng)的機械負(fù)載降低，從而使風(fēng)力機的機械應(yīng)力減小，將風(fēng)能最大限度的捕捉，要想將最佳的運行效率保持住，需要在最大范圍內(nèi)保持其最大的運行速度，這樣可以盡量避免影響輸出功率的陣風(fēng)和塔影效應(yīng)等相關(guān)因素，從而改變變槳距系統(tǒng)的要求，使其快速性降低，所以在大型風(fēng)力發(fā)電機組中普遍的應(yīng)用。

1.2 風(fēng)電場整體建模

1.2.1 風(fēng)電場的單機等值

風(fēng)電場內(nèi)具有多臺風(fēng)機，其之間具有非常緊密的聯(lián)系，在系統(tǒng)發(fā)生故障后，各臺風(fēng)機具有相似的反應(yīng)，所以在模擬風(fēng)電場的反應(yīng)工程中使用的方法主要是加權(quán)求和方法[4]。風(fēng)電場模型的參數(shù)相同于單個風(fēng)機的，但是組成所有風(fēng)電機的和是其額定的功率。

1.2.2 風(fēng)能-電能的轉(zhuǎn)換的描述

在風(fēng)電場輸出隨風(fēng)速變化波動性的研究過程中，主要使用的描述法是風(fēng)機功率的特性曲線，由于其對發(fā)電機和傳動機部分的特性以及風(fēng)機之間的影響比較小，所以可以完全忽略不計這些影響，直接聯(lián)系將輸出功率和風(fēng)速直接聯(lián)系起來。由于這種方法具有有限的精確度和應(yīng)用范圍，所以這種方法只用來描述風(fēng)電機組出力與風(fēng)速變化之間的關(guān)系。

1.2.3 將風(fēng)力發(fā)電機組看做PQ節(jié)點

在穩(wěn)態(tài)的分析中一般使用的兩種模型主要是PQ或RX，簡潔性是其主要的優(yōu)點。在風(fēng)電場的建模中，可以使用的另一種方法主要是辨識系統(tǒng)的方式。由于系統(tǒng)許多的特點，如可測的輸出和無法定義的輸入等，所以建模方法可以是隨機和時間序列的。“灰箱”建模主要是將測試法建模融入到機理建模當(dāng)中，使用這種建模方法的主要原因是隨機和時間序列的建模方法在物理本質(zhì)的實驗中無法將其動態(tài)過程反映出來。

2 風(fēng)電并網(wǎng)

2.1 計算含風(fēng)電場的電力系統(tǒng)潮流

對電力系統(tǒng)的規(guī)劃、運行和繼電保護等方面的影響主要是由接入電力系統(tǒng)中大容量的風(fēng)電場造成的，而對這種問題進行量化分析的基本方法是潮流計算[5]。在將風(fēng)力發(fā)電組加大以后，主要的是研究電力系統(tǒng)潮流和網(wǎng)損，造成這種現(xiàn)象的主要原因是在配電網(wǎng)中將小容量的風(fēng)電機組直接接入，會使傳統(tǒng)電源功率單項流動的特點發(fā)生重大改變。

當(dāng)前，只有很少的研究是關(guān)于含風(fēng)電電力系統(tǒng)潮流計算的。異步機是風(fēng)力發(fā)電機組主要使用的，其電流具有很大的輸出波動性，一般在計算潮流時的PQ節(jié)點主要是風(fēng)力發(fā)電機組，變量主要是有功功率和無功功率作為主要的處理方法。在這種處理方法中，各變量之間的關(guān)系是用異步機的模型來處理的，在對風(fēng)電的PQ模型進行建立時，風(fēng)速的函數(shù)主要是風(fēng)電的有功功率，其表達(dá)式如下：

P=？籽cpAV3/2

其中cp、A和V分別是風(fēng)能利用系數(shù)、風(fēng)輪掃過的面積和風(fēng)速。

變化性是風(fēng)速的特點，所以其中的變量是P。發(fā)電機穩(wěn)態(tài)模型的參數(shù)是無功功率主要的基礎(chǔ)，而且機端電壓、轉(zhuǎn)差和吸收的有功功率等因素會對其造成一定的影響，同時由于發(fā)電機組的不同以及其具有不同的精度要求，所以其表達(dá)形式也是不同的。endprint

2.2 風(fēng)電接入對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

風(fēng)電機場的規(guī)模和復(fù)雜性是隨著風(fēng)電的進一步發(fā)展而逐漸增加的。由于經(jīng)濟和環(huán)境的影響，一般在比較偏遠(yuǎn)的地方建立風(fēng)電場，而且由于異步發(fā)電機是風(fēng)電場主要使用的，其無功功率主要是從電網(wǎng)中吸收的，而風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)表現(xiàn)出來的特點與傳統(tǒng)發(fā)電機不同主要是由這些因素造成的，所以如果當(dāng)具有較高的風(fēng)電滲透率或者將較弱的電網(wǎng)接入時，同時系統(tǒng)出現(xiàn)擾動或故障的情況下，這時最重要的一個課題主要是風(fēng)電場的反應(yīng)及其對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

對風(fēng)電機組的風(fēng)電機場進行可靠性的建模是分析含風(fēng)電電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的首要問題。從風(fēng)電場本身方面來說，最重要的就是對風(fēng)電場內(nèi)各個機組間的相互影響及其電壓控制和無功補償特性進行研究，所以將詳細(xì)的風(fēng)電場暫態(tài)模型建立起來是非常有必要的[6]。在這樣的狀況下，處理方式主要是降階，至少需要7個變量才能描述一臺感應(yīng)機電，如果再對風(fēng)力機、傳動機構(gòu)的特性和多個風(fēng)機的組合特性進行考慮，這時就會加大了風(fēng)電場的建模難度。所以在研究風(fēng)電穩(wěn)定性的過程中，一般將整個風(fēng)電場的特性用單機模型來代替，但是如果只是研究單機模型，又會過于簡化風(fēng)電場的穩(wěn)定性，因此需要將一種綜合模型建立起來，這種模型不但能夠?qū)L(fēng)電場內(nèi)部機組之間的相關(guān)聯(lián)系反應(yīng)出來，同時可以將其復(fù)雜性大大降低，而且能夠有效性的分析風(fēng)電模擬提供保障。

3 結(jié)束語

由此可見，相關(guān)專家和學(xué)者們長期重視的重要問題就是風(fēng)電場模型及其對系統(tǒng)影響的分析方法。而且含風(fēng)電電力系統(tǒng)的規(guī)劃和優(yōu)化控制的重要基礎(chǔ)是可靠、有效的分析方法。但是由于風(fēng)電本身具有的缺點，對其開發(fā)也造成了不利影響，所以要不斷拓展風(fēng)電的研究領(lǐng)域，同時要將其開發(fā)技術(shù)水平不斷提高。

參考文獻(xiàn)：

[1]夏安俊，喬穎，魯宗相，等.直驅(qū)型風(fēng)電場聚合模型誤差對電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析的影響[J].電網(wǎng)技術(shù)，2016（02）：341-347.

[2]柳杰.含風(fēng)電場電力系統(tǒng)概率潮流模型研究及其在無功優(yōu)化中的應(yīng)用[D].西南交通大學(xué)，2012（02）.

[3]婁素華，李志恒，高蘇杰，等.風(fēng)電場模型及其對電力系統(tǒng)的影響[A].中國電力企業(yè)聯(lián)合會科技服務(wù)中心、全國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)協(xié)作網(wǎng)、中國電力科學(xué)研究院新能源研究所.2009年風(fēng)電場接入電網(wǎng)技術(shù)專題研討會論文集[C].中國電力企業(yè)聯(lián)合會科技服務(wù)中心、全國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)協(xié)作網(wǎng)、中國電力科學(xué)研究院新能源研究所，2009（03）：10.

[4]王敏.分布式電源的概率建模及其對電力系統(tǒng)的影響[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2010（04）.

[5]龐金華.風(fēng)電場并網(wǎng)穿透功率極限及其對電力系統(tǒng)的影響[A].中國工程院能源與礦業(yè)工程學(xué)部、上海市中國工程院院士咨詢與學(xué)術(shù)活動中心、上海市能源研究會.推進霧霾源頭治理與潔凈能源技術(shù)創(chuàng)新——第十一屆長三角能源論壇論文集[C].中國工程院能源與礦業(yè)工程學(xué)部、上海市中國工程院院士咨詢與學(xué)術(shù)活動中心、上海市能源研究會，2014（06）：8.

[6]陳長云.市場條件下含風(fēng)電場的電力系統(tǒng)優(yōu)化運行研究[D].北京交通大學(xué)，2008（10）.endprint