試論風(fēng)力發(fā)電新技術(shù)及并網(wǎng)穩(wěn)定問題

杜春寶，成明明

（國家電投集團(tuán)河北電力有限公司張家口分公司，河北 張家口 075000）

風(fēng)力發(fā)電是近年發(fā)展非常迅速的清潔能源，有著比太陽能高50%效率的優(yōu)勢(shì)。風(fēng)力發(fā)電開始于20世紀(jì)70年代的丹麥，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)從丹麥逐漸地發(fā)展到了整個(gè)歐盟同時(shí)也成為了重要的清潔能源。因?yàn)槲覈哪茉唇Y(jié)構(gòu)特征方面的原因?qū)е嘛L(fēng)力發(fā)電在我國起步比較晚的同時(shí)，還扮演著調(diào)節(jié)者的角色，還無法將其視作主要能源。因此，為了強(qiáng)化風(fēng)電在我國的應(yīng)用，增加其在我國能源供給中的占比，對(duì)其涉及到的新技術(shù)以及并網(wǎng)后對(duì)我國電網(wǎng)的影響進(jìn)行研究是非常必要的。

1 風(fēng)力發(fā)電新技術(shù)

1.1 氣動(dòng)風(fēng)輪建模

氣動(dòng)風(fēng)輪的機(jī)械功率共有葉片元素動(dòng)量算法和功率系數(shù)算法兩種計(jì)算方式，使用葉片元素動(dòng)量算法需要掌握氣動(dòng)風(fēng)輪葉片上的空氣動(dòng)力數(shù)據(jù)，使用功率系數(shù)算法需要掌握氣動(dòng)風(fēng)輪的功率系數(shù)曲線，功率系數(shù)曲線通常都由生產(chǎn)廠商提供。該曲線的表現(xiàn)形式通常為Cp（λ,β），λ和β分別代表葉尖速比以及槳距角。另外通過葉片元素動(dòng)量也能夠得到功率系數(shù)曲線。葉片元素動(dòng)量算法以及功率系數(shù)算法都屬于靜態(tài)算法，在氣動(dòng)風(fēng)輪高速變槳時(shí)的計(jì)算精度會(huì)有所下降，因此為了提高這兩種算法的精度需采用相應(yīng)的動(dòng)態(tài)模型。另外，如果風(fēng)電機(jī)組使用的是變速風(fēng)輪，還應(yīng)考慮風(fēng)速的影響并用區(qū)間法建立氣動(dòng)風(fēng)輪模型。

1.2 軸系建模技術(shù)

軸系將風(fēng)電機(jī)組的各個(gè)部分連接，其中風(fēng)輪側(cè)的軸系轉(zhuǎn)矩為Tm，在發(fā)電機(jī)側(cè)的軸系轉(zhuǎn)距為Te，因軸系關(guān)系到風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是否能夠穩(wěn)定運(yùn)行，因此在研究整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)之前，必須對(duì)軸系進(jìn)行明確。軸系可依據(jù)剛度進(jìn)行分類，共有兩質(zhì)量塊模型和集總質(zhì)量模型，其中兩質(zhì)量塊模型在風(fēng)電機(jī)組的研究中使用較多，這種模型精度比較高但是特別復(fù)雜，而且數(shù)量也特別多，因此如果軸系剛度足夠也可以使用集中質(zhì)量模型。軸系感應(yīng)電機(jī)模型共有三種，分別為8階、5階和3階。其中8階最為精確，但是計(jì)算的難度非常高，5階的計(jì)算難度適中，雖然精度不如8階但是應(yīng)用較為廣泛，3階使用的是接近值算法，在對(duì)精度要求不是非常嚴(yán)格的時(shí)候會(huì)使用。

1.3 大型風(fēng)電場(chǎng)建模

在大型風(fēng)電場(chǎng)的建模中通常會(huì)使用詳細(xì)模型或者是綜合模型，使用哪個(gè)模型要以具體研究的焦點(diǎn)為準(zhǔn)，如果對(duì)大型風(fēng)電場(chǎng)和電網(wǎng)故障的關(guān)系進(jìn)行研究可以使用綜合模型，它的好處就是模型簡(jiǎn)單，相應(yīng)的計(jì)算過程并不復(fù)雜，不需要投入過多的時(shí)間，缺點(diǎn)是計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確程度可能會(huì)有所降低，因此如果使用綜合模型，必須盡量提升計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

為了更好地分析大型風(fēng)電場(chǎng)介入電網(wǎng)時(shí)的穩(wěn)定性，還可以使用等值建模，使用的方式有一臺(tái)風(fēng)機(jī)和一臺(tái)發(fā)電機(jī)與多臺(tái)風(fēng)機(jī)和一臺(tái)發(fā)電機(jī)以及多臺(tái)風(fēng)機(jī)和多臺(tái)發(fā)電機(jī)之間的關(guān)系，等值的具體過程如下：首先，構(gòu)建兩臺(tái)風(fēng)機(jī)間的出力關(guān)系，并分析兩臺(tái)風(fēng)機(jī)在一起的時(shí)候具體的出力效果，進(jìn)而分析風(fēng)機(jī)出力和電機(jī)間的具體聯(lián)系。其次，如果確定了風(fēng)機(jī)對(duì)發(fā)電機(jī)的影響，就可以通過一對(duì)一、多對(duì)一以及多對(duì)多的方式進(jìn)行等值建模，接下來就可以對(duì)風(fēng)電場(chǎng)結(jié)網(wǎng)點(diǎn)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

1.4 風(fēng)電接入電網(wǎng)

風(fēng)電接入電網(wǎng)的方式特別重要，如果選擇的方式有誤，那么將會(huì)對(duì)穩(wěn)定性造成嚴(yán)重的影響，而選擇接入電網(wǎng)的方法都要從容量、輸電距離、電壓、成本等方面做綜合考慮。一般大型風(fēng)電場(chǎng)和風(fēng)電站之間的距離都在100km以上，因此從風(fēng)電場(chǎng)傳輸出來的電力會(huì)有很大損耗，所以風(fēng)電場(chǎng)中同行都會(huì)使用高壓供電的方式來減少傳輸過程中產(chǎn)生的損耗。風(fēng)電場(chǎng)使用的高壓供電共有兩種，分別為高壓直流電和高壓交流電，其中高壓直流電分為了電流源型和電壓源型兩種。

高壓直流電的缺點(diǎn)是控制系統(tǒng)太過復(fù)雜，因此穩(wěn)定性會(huì)有所降低；功率變換器會(huì)受距離影響且成本較高。高壓交流電的優(yōu)點(diǎn)是投資成本低，雖然其輸電成本要高于高壓直流電，但是從整體的效率來看，高壓交流電要比高壓直流電更有優(yōu)勢(shì)。例如有一座風(fēng)電場(chǎng)其容量為500MW，輸電距離為100km，其高壓直流電的換流器損耗在6%到10%之間，真實(shí)效率在90%以下，高壓交流電的效率為92%。但是高壓交流電受距離的影響較為明顯，隨著輸電線路的增加，其產(chǎn)生的無用功率也更多，這樣在長(zhǎng)距離輸電以后真實(shí)功率會(huì)降低很多。

另外，高壓交流電會(huì)在電纜上出現(xiàn)過電壓，這樣當(dāng)給電和斷電時(shí)，電纜面臨的風(fēng)險(xiǎn)比較大，特別是當(dāng)電纜比價(jià)弱的時(shí)候風(fēng)險(xiǎn)更大，因此如果輸電距離大于200km，通常都會(huì)使用高壓直流電。傳統(tǒng)的風(fēng)電場(chǎng)高壓直流電使用的是晶管相控?fù)Q流技術(shù)，通常情況下這種技術(shù)會(huì)在1000MW以上的遠(yuǎn)距離輸電中使用，在接入電網(wǎng)的時(shí)候要通過換流變壓器進(jìn)行連接，為了減少無功損耗，通常都會(huì)選擇使用電容器或者是調(diào)相機(jī)。

電壓源型的高壓直流電以絕緣柵雙極型晶體管為基礎(chǔ)，使用的是脈沖寬度調(diào)制，這種類型的高壓直流電不僅可以控制高壓電壓，還可以控制有功和無管控，其連接電網(wǎng)的時(shí)候使用小型電抗器，其中小容量在供電時(shí)會(huì)經(jīng)常被使用。但是電壓源型高壓直流電存在高頻開關(guān)損耗、高頻震蕩等方面的缺陷，因此對(duì)高壓直流和高壓交流進(jìn)行綜合考慮，可使用低頻交流輸電技術(shù)，這種輸電技術(shù)不僅具備高壓直流和高壓交流的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也完美地避免了二者的缺陷。

2 風(fēng)電對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響

2.1 功角

對(duì)功角進(jìn)行觀察，是判斷風(fēng)電接入電網(wǎng)之后對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性造成影響的重要標(biāo)志。因風(fēng)電的感應(yīng)發(fā)電機(jī)存在功率變化，并且其和電網(wǎng)頻率會(huì)彼此聯(lián)合在一起，因此功角的變化并不是非常明顯。通常情況下，對(duì)功角造成影響的有風(fēng)電機(jī)組的類型及其所介入電網(wǎng)類型，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，如果電網(wǎng)承受的發(fā)電壓力比較高，且有很多的發(fā)電機(jī)組，那么風(fēng)電接入時(shí)基本不會(huì)對(duì)其造成影響；如果接入電網(wǎng)比較分散、每個(gè)位置接入的風(fēng)電容量也不是很高也不會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成影響，如果風(fēng)電接入電網(wǎng)的位置處于最大負(fù)荷點(diǎn)，那么此時(shí)電網(wǎng)的穩(wěn)定性最高。

2.2 頻率

頻率指的是風(fēng)電在接入電網(wǎng)后對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性造成影響時(shí)的系統(tǒng)頻率，此時(shí)將頻率鎖定在一定的范圍內(nèi)非常重要，并且系統(tǒng)頻率會(huì)因?yàn)轱L(fēng)電機(jī)組的變化而變化。如果風(fēng)電機(jī)組發(fā)生了故障，同時(shí)因?yàn)楣收系脑蚨鵁o法停止其功能，此時(shí)，系統(tǒng)的有功缺額就會(huì)出現(xiàn)，如果此時(shí)系統(tǒng)無法再繼續(xù)聽有功支持，頻率就會(huì)出現(xiàn)一定變化。

從另一方面看，由于風(fēng)電是無序變化的，那么保持運(yùn)行的穩(wěn)定也相對(duì)比較困難，此時(shí)，風(fēng)能預(yù)測(cè)就顯得尤為重要，同時(shí)利用加熱泵對(duì)風(fēng)電的不確定性進(jìn)行調(diào)節(jié)，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。另外有研究也發(fā)現(xiàn)，風(fēng)電的電壓發(fā)生變化也會(huì)對(duì)接入點(diǎn)的頻率產(chǎn)生較大影響，但這個(gè)影響是局部的。

2.3 電壓

當(dāng)大型風(fēng)電接入電網(wǎng)時(shí)，電壓對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性造成的影響也比較明顯，其中電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定器以及自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)的作用非常重要。通過靜態(tài)穩(wěn)定器以及自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)并使用高壓直流或者高壓交流的方式接入電網(wǎng)，可以使雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組向電網(wǎng)發(fā)出一定的無功，這樣風(fēng)電機(jī)組和電網(wǎng)發(fā)電機(jī)組就具備了同樣的特性，也就能將電壓控制在一定范圍內(nèi)，如果同時(shí)結(jié)合動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償，對(duì)電壓的控制將更為理想。

另外，高壓交流電在接入電網(wǎng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)電壓方面問題，此時(shí)對(duì)電壓穩(wěn)定性將造成非常嚴(yán)重的影響，因此我國也對(duì)電網(wǎng)規(guī)范做了更改，這樣風(fēng)電機(jī)組就可以幫助因?yàn)橐馔舛霈F(xiàn)電壓跌落的電網(wǎng)恢復(fù)正常。通常情況下，導(dǎo)致電壓波動(dòng)的主要原因都為風(fēng)速，而且這個(gè)波動(dòng)的大小和風(fēng)電的容量關(guān)系密切，如果風(fēng)電的容量很大，那么風(fēng)速變化對(duì)電壓造成的影響就很小，反之則會(huì)對(duì)電壓造成比較大的影響。

3 結(jié)語

綜上所述，風(fēng)能是非常優(yōu)秀的可再生能源，風(fēng)力發(fā)電在全世界都受到了非常廣泛的關(guān)注，但是利用風(fēng)力發(fā)電也有比較多的技術(shù)難題。本文對(duì)風(fēng)力發(fā)電新技術(shù)以及并網(wǎng)時(shí)風(fēng)電對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響，旨在通過本次分析強(qiáng)化對(duì)風(fēng)電的利用，進(jìn)而使我國在發(fā)展的同時(shí)減輕對(duì)環(huán)境造成破壞，從而真正實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性的發(fā)展。