全球能源互聯網中風力發電面臨的問題及對策

袁 飛

（中國電力技術裝備有限公司，中國北京100052）

1 引言

風能是全球能源互聯網構建過程中重要的能源形式，風力發電因其低污染高回報的特點越來越受發電行業的青睞。但是當前風力發電還尚不成熟，還存在著一些問題，本文將就其中三個問題展開論述：第一是低電壓穿越功能在風電中的應用；第二是風功率預測在風電行業中的應用；第三是風力發電的經濟性，這些問題將依賴于對風力發電研究的深入而得到改善。

2 低壓穿越

2.1 風機的大規模脫網

電力系統的故障發生時間極短，如果沒有及時地調整或切除，故障將會在短時間內影響整個系統。電力系統發生故障時系統電壓降低會導致電網設備脫網，嚴重影響系統的電能質量（電壓、頻率）。風機的大規模脫網主要來自兩方面。首先是來自電網，因為電網在運行過程中難免會出現一些故障，故障發生后會切除整個故障網絡，同時切除連接到此網絡上的所有設備，包括部分風電設備。其次來自風機，因為電網擾動或瞬時性故障切除時，電網電壓偏低，如果風電機組不具備低壓穿越功能，就會造成風機脫網。如果風電裝機比例較小時，立即切斷風機組調整產生的影響還可以接受，但是當風機組裝及比例較大時，切斷它們將會對電網不論是電壓還是頻率方面的穩定都造成較大的影響。而解決風機大規模脫網的最直接最現實的方法就是為風機配置低壓穿越功能。

2.2 低壓穿越

2.2.1 低壓穿越的定義

低壓穿越是指在電網出現故障而使電壓降低時，風機組能夠保持不脫網運行，甚至能夠對電網提供無功補償，使其能夠“穿越”電網產生故障的這一段時間。

2.2.2 低壓穿越的實現方法

實現低壓穿越的方法一般有三種。一種是采用了轉子短路保護技術，二種是引入新型拓撲結構，三是采用合理的勵磁控制算法。

轉子短路保護技術是指在發電機的轉子側提供crowbar電路作為旁路，當檢測到電壓降低過大時，閉鎖雙饋感應電機的勵磁變流器，同時開啟旁路，這樣就限制了通過勵磁變流器的電流和轉子繞組的過電壓，使機組能夠不脫網運行。

利用新型拓撲結構也能實現風機的不脫網運行，是指通過電力電子器件對風機進行改造，而使其具有低壓穿越能力。實際上在此過程中風機與電網有短暫的脫離，但是在電網電壓恢復時能夠迅速恢復與電網的聯通，而此脫離并非普通發電機由繼電保護裝置切斷而產生的脫離，而是因電網電壓恢復時產生的高反向電流使定子與電網間串聯的晶閘管電路關斷而導致，當電壓恢復正常時電路可以重新被觸發進而導通，并且電網電壓恢復時，發電機能立刻通過可控硅電路的觸發導通與電網連接。

采用合理的勵磁控制算法，也能控制實現低壓穿越，通過PID算法或基于DSP的控制算法來控制發電機勵磁來實現發電機與電網間的聯系，以使風機組能夠成功穿越過電網電壓降低到恢復這一階段。

2.2.3 低壓穿越的要求

目前各大主要風力發電國家已相繼制定風機組低壓穿越能力的標準，中國也制定了低壓穿越的標準，目前中國對于風機組低壓穿越能力有大致的要求，即：

（1）風電場必須能在電壓跌至20%額定電壓時維持并網運行620ms；

（2）如果機組電壓在發生跌落后3s內能夠恢復到額定電壓的90%，機組要保持并網運行；

（3）當風電場變壓器高壓側電壓不低于額定電壓的90%時，風電場須不間斷并網運行。

3 風電場功率變化對電力系統平衡的影響及風電功率的預測

3.1 風電場對電力系統平衡的影響

3.1.1 風電場對電網電壓穩定性的影響

基于異步感應發電機的風電機組和基于雙饋感應電機的發電機組因其獨有的優點在風電場中應用最廣泛，而這兩類風電機組對電網的電壓都會產生影響，造成電網電壓的不穩定。

對于使用異步感應發電機的恒速風電機組，應從兩方面考慮其對電網電壓的影響。首先，投切時，感應發電機在運行時需要吸收無功，所以其與普通的發電機有所區別，表現在當其接入電網時，電網需要提供一部分無功功率，當其切出電網時，電網能產生一部分無功富余。其次，當風電機組發出的有功功率增長時，其吸收的無功功率也相應地增加，由于發出的有功功率的增加，也必定導致線路上的無功損耗增加，此時機組端會并聯電容進行補償，當并聯補償的無功功率與線路充電功率之和大于機組吸收的無功與線路消耗的無功時，尚能較好地調整電壓使其穩定；當機組端的并聯補償和線路充電功率小于機組吸收的無功與線路消耗的無功時，機端電壓水平降低，電壓穩定性也隨之降低。

對于使用雙饋感應電機機組的風電場，能夠實現有功功率與無功功率的解耦控制，使有功功率增多時對于無功功率影響較小，其無功僅取決于對風電機組的控制，不存在與電網的無功交換，因此相比于基于異步感應發電機的風電機組，其穩定性好得多。

3.1.2 風電場對電網頻率穩定性的影響

風機組接入電網，必定將與電網同頻率運行。電能的產生，配送與消耗所用的時間是非常短暫的，這就要求一個時間點所產生的電能與所消耗的電能相一致，否則就會使頻率發生變化。風電場對電網頻率的影響取決于多方面，主要包括系統的開機方式，系統的一次調頻作用，故障點距離風電場的遠近，電網故障的嚴重級別（如發生故障），風電機組是否配置頻率保護以及風電機組是否具備低壓穿越能力等。

如果風電機組配置了頻率保護，當風電機組出力突然變化時，可以使系統的頻率變化在可承受范圍內；當風電機組未配備頻率保護時，機組出力的突然變化會導致系統頻率的變化較大，從而影響系統頻率的穩定性。

對于不具備低壓穿越能力的機組，當機端電壓過低時，風電機組將被切除，當風電機組被大規模切除時，會使電網頻率嚴重降低，電網的低壓保護裝置便會切除其它負荷，從而對供電產生影響。所以當前的風電機組，大多配置了低壓穿越功能。

3.2 風電功率預測

3.2.1 風電功率預測的重要性

功率預測對于電力系統的預測十分重要。利用有功功率日負荷曲線可以制定年發電計劃，利用有功功率年負荷曲線可以制定檢修計劃，是非常有必要的，這也是緩解電力系統的調峰，調頻能力和調壓能力以及調節風電的接納能力的重要手段。

3.2.2 風電功率預測的要求

全世界的電網調度部門對于功率預測的要求有所不同，中國電網調度部門對風電功率預測的要求主要有兩個，第一是短期預測，即當天預測次日00：00點起72小時內的功率，時間分辨率是15分鐘，主要用于系統發電計劃安排；二是超短期預測，即在0～4小時前進行預測，用于電網的實時調度。

3.2.3 風電功率預測的方法

當前風電功率預的測主要有兩種方法：一是統計方法，二是物理方法。統計方法是指不考慮風電機運行時的物理過程，利用以往運行記錄所得的歷史數據進行分析，找出天氣狀況與風電場之間的近似關系，然后根據天氣預報所得的未來一段時間天氣狀況的數值對功率進行預測。物理方法是指根據天氣預報得出的風速，風向，氣壓等以及風場周圍等高線，粗糙度，障礙物等信息，利用物理公式計算風機輪轂周圍的風向，風速，氣壓，氣溫等數據，再利用已知的功率曲線，進行功率預測。兩種方法各有優缺點，但都可以相對準確地預測出風電機組的功率。

4 風力發電的經濟性

4.1 風力發電的成本

風能屬于間歇性能源，具有波動性，隨機性，間歇性和不可調度性等特點。風力發電的成本有初始投資成本（包括并網成本）、運行和維護成本，另外一大成本就是需要為其設置旋轉備用，以應對風電機組功率不確定的變化，保持系統的穩定。例如互補運行發電系統，這種組合方式使系統可靠性高，配置靈活，但不可避免地增加了成本。由此可見，雖然風力發電與火力發電相比在燃料方面非常節約，但是旋轉備用的設置使其成本增加。

4.2 風力發電的經濟性

目前全球大力推進風力發電的發展，使得風力發電的規模越來越大，風力發電所占比例也越來越大，這樣可以使風力發電的利潤加大，成本相對變小。而風機生產商近年來也一直致力于生產工藝的優化，大大提高了風機的質量，減小了故障率，也減小了風力發電的運行成本。另外，對于風力資源勘探技術和風電場選址方法的進步，使得風電場的選址更加科學，進一步加大了風力發電的利潤。而對于全球各地風力資源特點的進一步了解，使發電企業得以根據不同地區風力資源的特點使用合適的發電機組，這也提高了風力發電的經濟性。因此，目前全球風力發電技術雖然不是很成熟，但是風力發電在全球仍能具有良好的經濟效益。

5 結束語

風力發電以其經濟性和低污染性使其在全球能源互聯網中越來越重要。而上述制約風力發電發展的問題和困難，甚至有時是引起事故的罪魁禍首。隨著對風力發電研究的深入，這些問題都將得到解決。在未來幾年中風力發電將會更加快速地發展，所占比重必然進一步擴大，必將為全球經濟的發展做出長足的貢獻。