風電經分頻輸電并網系統穿透能力計算方法研究

，，，小鵬

(1.國網四川省電力公司，四川 成都 610041； 2. 國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610041； 3. 國網成都供電公司，四川 成都 610041)

0 引 言

并網型風電場是大規模利用風能的有效方式之一[1]，因此并網運行的風力發電技術成為目前大規模發展風電需要研究的重點和難點，其聯網問題直接影響著風電產業的發展。目前風電聯網的瓶頸主要表現在兩個方面：一是效率和成本問題。降低成本、提高效率、增加壽命一直是風電機組發展所追求的目標，一塔一發電機一變壓器的結構以及多級行星齒輪變速箱的插入，不但使效率降低，而且增大了成本投入，機組可靠性降低，機組變得異常龐大笨重。二是風電機組并網以及風電機組與電網之間的相互影響問題。風電出力波動大，而且風電場離負荷中心較遠，給電網運行帶來不利影響[2-4]。毫無疑問，每千瓦成本高、系統抗風電擾動能力差是影響風電產業發展的關鍵性制約。所以，要想從根本上解決風電并網問題，則亟需探索新的技術道路和方案。

早在20世紀90年代，文獻[5]就提出了分頻輸電的設想。它是通過降低輸電系統頻率，減小輸電系統中的電抗，從而大幅度提高輸電系統輸送能力的一種新型輸電方式。它突破了傳統輸電方式主要依靠提高電壓等級來提高輸送容量的局限，為遠距離、大容量傳輸提供了一種有競爭力的輸電方案。而分頻輸電系統動模實驗則證明了將頻率降至工頻的1/3可以數倍地(2.6倍)提高輸電線路的傳輸容量[6-7]。近幾年來，部分學者也通過仿真的方式對分頻輸電的穩態特定及故障特性進行了詳細的研究[8-9]。研究表明，分頻輸電方式在新能源和可再生能源發電遠距離接入系統中也有著廣闊的應用前景[10-11]，同時也對其控制策略進行了初步的探索[12]。

然而，以上研究都沒有對風電經分頻輸電并網系統的技術經濟性能進行定量的分析。因此，下面對風電經分頻輸電并網系統的技術經濟性能進行了分析。利用基于靜態安全約束的風電經分頻輸電方式并網系統的穿越功率極限計算方法，在RTS24節點測試系統中對3種風電并網方案進行分析。經過比較得知與風電就近并入電網邊界相比，利用分頻或者工頻傳輸系統將風電傳輸至負荷中心可以數倍地提高風電地穿越功率極限。

1 風電經分頻輸電并網系統

1.1 系統示意圖

分頻輸電用于風電并網的結構如圖1所示。其基本思路為：在同一個風力場，通過控制系統使各發電機發出相同頻率，共同匯入交流匯流母線，經過升壓變壓器及輸電線路傳輸后，通過分頻輸電裝置-變頻器并入無窮大系統。

圖1 風電經分頻輸電并網的結構

風電經分頻輸電并入電網，可以預期存在著以下優勢：

1)采用較低頻率進行輸電，使齒輪箱的增速比隨之下降，提高了效率，降低了投入成本；同時，減少發電機的極對數，降低了發電機的制造難度。

2)由于分頻輸電是交流輸電系統，沒有直流輸電諸如極化、電場效應等一些固有問題。

3)由于輸電頻率降低，可能更有利于斷路器選相分閘技術的實現，減小斷路器體積和成本。雖然低頻變壓器成本會有所上升，但是仍可以控制。

4)降低輸電頻率可以減小輸電線路的等效距離，因此可以直接將風電送至承受沖擊能力強的負荷中心，提高風電的穿越功率極限，減小風電給配電網帶來問題，有利于風電的發展。

1.2 變頻器的選擇

分頻輸電系統中最關鍵的器件是實現不同頻率系統連接并進行能量交換的變頻裝置，現階段主要使用電力電子裝置實現兩側不同頻率系統的互聯。根據電力電子裝置原理，直接變頻的交交變頻器及間接變頻的交直交變頻器都可以實現這一功能。

從結構、成本、運行特點、控制策略、諧波含量和無功消耗幾個方面可以對交交變頻器和交直交變頻器進行初步比較。可以看出兩種變頻設備都可以應用于分頻風電系統，實現兩個不同頻率系統的連接，但各有利弊。

經過比較，可以得出以下結論：

1)交交變頻器結構較為復雜，由72個橋臂和一個與工頻側聯結的換流變壓器構成。而交直交變頻器僅由24個橋臂、兩個分別與兩側系統相連的換流變壓器以及一個平波電抗器構成。但是交交變頻器效率略高于后者；同時由于省去了低頻側換流變壓器，因此其成本較低于后者，大約為交直交變頻器的80%。

2)交交變頻器屬于直接環流裝置，因此其控制方式及諧波含量都比交直交變頻器復雜。

3)交交變頻器僅從工頻側吸收無功，而交直交變頻器需要從工頻與低頻兩側同時吸收無功。

4)在電力系統中，交直交變頻器使用經驗多于交交變頻器。

由此可見，在進行分頻輸電的實際工程中，需要根據當時的科研、工藝及經費情況合理地在交交變頻器與交直交變頻器中進行選擇。但是從經濟性與效率角度考慮，交交變頻器占有一定得優勢。

2 風電并網系統穿越功率極限計算

并網系統對穿越功率極限的影響是并網系統技術評估的重要部分。基于靜態安全約束計算風力發電穿越極限功率。當風電接入系統時，首先需要考慮的是風電的接入是否會引起系統靜態安全性能的下降。

風電穿越功率極限的本質就是系統保持其靜態安全性能的基礎上所接受的最大風能。這些靜態安全性能包括：節點電壓不越限、線路功率在允許范圍內、各個發電機和無功補償裝置的出力不超過額定值。因此，風力發電穿越功率極限計算的問題可以等效為一個優化問題：

maxPwinds.t.h(x)=0g(x)≤0

(1)

式中，等式約束條件h(x)=0主要指系統要滿足潮流約束。特別的，當風能利用分頻輸電并入系統時，需要滿足以下幾組功率方程：

1)工頻側節點功率方程

工頻側節點功率方程與傳統的交流系統潮流計算節電功率方程具有相同的形式，即

(2)

(3)

(4)

(5)

式(4)、式(5)表明，與變頻變壓器直接相連的工頻側節點，其注入功率還需考慮低頻側通過變頻器向工頻側注入的有功、無功功率。

2)低頻側節點功率方程

低頻側節點功率方程在形式上與工頻側節電功率方程類似，但是由于頻率不同，一些物理量需要進行處理。其方程如式(6)、式(7)所示。

(6)

(7)

(8)

(9)

同時，由于低頻側頻率不同，還需對導納陣進行修正，因此式(6)、式(7)中

(10)

式中：Bij為工頻條件下計算出的電納值；fIn為工頻系統頻率；fL為低頻系統頻率。

3)變頻器方程

根據變頻器模型[13]，忽略換流變壓器有功損耗時，可以得到修正方程為

(11)

Δd2=PLt-PtI=0

(12)

Δd3=QtI-f(PLt,QLt,kv,Ccom)=0

(13)

式中：nL與nI分別為低頻系統和工頻系統中直接與變頻器單元相連的節點編號；kv為變頻器電壓調制系數；VnI、VnL分別為節點nI和nL的電壓；kT1為換流變壓器變比；PLt為低頻系統nL節點向變頻器注入的有功功率；PtI為變頻器向工頻系統nI節點注入的有功功率；QLt為低頻系統nL節點向變頻器注入的無功功率；QtI為變頻器向工頻系統nI節點注入的無功功率；Qcom為工頻系統補償的無功容量。

而不等式約束g(x)≤0則包括：

1)節點電壓約束：每個節點的電壓必須在規定范圍內，即

Vmin≤V≤Vmax

(14)

式中：V為節點電壓向量；Vmin、Vmax為節點電壓上、下限向量。

2)線路功率約束：每條線路傳輸的功率必須小于規定值，即

Pl≤Plmax

(15)

式中：Pl為線路傳輸功率向量；Plmax為線路傳輸功率上限向量。

3)發電機有功出力約束：發電機有功出力必須在其規定范圍內，即

Pgmin≤Pg≤Pgmax

(16)

式中：Pg為發電機有功出力向量；Pgmin、Pgmax為發電機有功出力上、下限向量。

4)無功電源出力約束：系統發電機等無功電源的無功出力必須小于其額定值，即

Qgmin≤Qg≤Qgmax

(17)

式中，Qg為無功電源無功出力向量；Qgmin、Qgmax為無功電源無功出力上、下限向量。

由于風電具有很強的隨機性，可能在很短時間內發生較大的變化。因此，為了防止系統失去穩定，系統必須留出充足的備用約束，同時，還必須滿足足夠的爬坡速度。因此，式(16)的約束中還需要增加旋轉備用約束和爬坡速率約束。

5)系統旋轉備用約束：

(18)

6)系統爬坡速度約束：

∑Pi_Ramp≥ηPwind

(19)

式中：Pi_Ramp為第i臺發電機的爬坡速度；η為風電最快變化率。

同理可以看出，若式(16)中的等式約束為工頻系統的潮流約束，該方法依然可以用于傳統的風電并網系統穿透率的計算。

3 風電經分頻輸電并網系統穿越極限功率算例分析

3.1 測試系統

測試系統如圖2所示。

該測試系統基于RTS-24系統[14]，并將系統外建設一風電場的風能并入系統。設距該風電場最近的節點為節點7，其距離為50 km，而該風電場距離節點9這一負荷中心350 km。

3.2 并網方案及穿透率比較

為了分析風電經分頻輸電系統并入電網的性能，設計了3種并網方案。

方案1：利用工頻輸電系統將風能傳輸50 km，并入7號節點。

方案2：利用工頻輸電系統將風能傳輸350 km，并將風能并入9號節點。

方案3：利用中心頻率16.67 Hz的分頻輸電系統將風能傳輸350 km并入9號節點。該方案中，為了補償換流站向工頻系統吸收的無功，特安裝無功補償裝置，并將功率因素補償到0.95。

在以上3種方案中，η取0.7，即認為1 min內風電波動的幅度小于風電裝機的70%。節點電壓限制在0.95～1.1 p.u.之內。線路的傳輸功率極限參見文獻[15]。發電機的出力范圍如表1所示。

圖2 測試系統網絡結構

發電機節點號最大輸出有功/(p.u.)最小輸出有功/(p.u.)最大輸出無功/(p.u.)最小輸出無功/(p.u.)爬坡速度/(p.u.)11.920.5760.80-0.500.1021.920.5760.80-0.500.1073.000.901.800.000.21135.911.7732.400.000.09140.000.002.500.000.00152.150.6451.10-0.500.08161.550.4650.80-0.500.03184.001.202.00-0.500.20214.001.202.00-0.500.20223.000.000.96-0.50N/A236.601.983.60-1.250.10

由表1可知，22號節點所接的發電機為水輪機，因此具有很快的爬坡速度，同時沒有最小輸出功率的限制。而其他節點上所接的發電機為火力或者核能發電機，因此爬坡速度較慢，同時有嚴格的最小出力約束。

利用內點法對式(16)所示的優化問題進行求解，得到3種方案下系統的穿越功率極限如表2所示。

由表2可知，利用方案1可以將風電就近并入了系統的邊緣，雖然傳輸距離較短，成本較低。但是，由于7號節點處系統較弱，導致風電的穿越功率極限受到了極大地限制，僅為并入負荷中心(節點9)的32.70%，這使得風電的利用能力受到了限制。方案2與方案3由于都將風電傳送至負荷中心，并入節點周圍電網結構堅強，因此穿越率有較大的提高。

表2 3種方案下穿越極限功率

4 結 語

提出了一種風電經分頻輸電方式并網系統風電穿透率計算方法，并針對算例進行了計算，得到了以下結論：

1)從結構、成本、運行特點、控制策略、諧波含量和無功消耗幾個方面對交交變頻器和交直交變頻器進行初步比較。可以看出兩種變頻設備都可以應用于分頻風電系統，實現兩個不同頻率系統的連接，但各有利弊。從經濟性與效率角度考慮，交交變頻器占有一定得優勢。

2)利用基于靜態安全約束的穿越極限功率計算方法，在RTS-24測試系統中對3種風電并網方式進行算例分析。分析認為與將風能就近并入電網邊緣相比，利用分頻輸電或工頻輸電方式將風能傳輸至負荷中心，風能的穿越極限功率將提高數倍。

理論與算例分析表明，分頻輸電系統為風電并網提供了一種全新的方案，具有經濟與技術優勢，在大型風電場中有著很好的應用前景。