大型風電場并網運行的若干技術問題研究

包文鵬

（中國華電集團公司甘肅公司，甘肅 玉門 730300）

0 引 言

在全球各地的各類型可再生能源中，風能屬于熱點能源，全世界都積極展開風能的開發，也促進了風電技術不斷升級。一直以來，我國擁有著豐富的風能資源，這就為風電開發奠定了極為便利的基礎。對于風能利用，并網發電屬于目前大規模風電場在風能開發過程中的最重要形式，因此學術界對于并網運行存在的各類型問題極為關注。

1 發電機并網運行概述

發電機并網是指將發電機同步并入電網，以向電網輸出電能。發電機組并網運行簡單來說就是發電機和系統電網之間的一種運行連接模式，在這一種模式中，發電機的電壓、頻率與其他發電機組一致。發電機有兩類并網方法，準同期和自同期。準同期的意思為發電機的電壓、頻率、相序、相位與系統電網完全一致，而發電機的出口斷路器和電網系統并網的手段；自同期并列屬于發電機不加勵磁時，等到系統電網和發電機所共有的頻率一致時，合上發電機出口斷路器，與系統相連的基礎上，提高發電機勵磁電流升壓，并借助系統進一步促進發電機同步頻率的一類運行方式，不過實際情況中，自同期并網模式一般不被采用于風力發電機組。目前，大規模風力發電中，基本上采用自動準同期的并網模式，借助微機進一步針對是否達到同期條件做出判斷的基礎上，自動發信號斷路器合閘并網（見圖1）。

圖1 大型風電場并網方式示意圖

2 我國風電場并網運行特殊性

與世界其他地方不同，我國風電并網問題存在一定的特殊性，主要表現為如下兩方面。

一方面，眾所周知，風能資源的分布在我國相對集中，華北、西北、東部沿海等一些地區都是風能資源豐富的地區。地理位置的不均衡就造成了我國一些百千萬級別的大型風電場輸出風電時，輸出模式務必要接入超高壓系統。與我國相比，德國最大風電場為6×104kW，而丹麥風電場裝機容量大部分僅僅為2×104kW左右，歐洲國家風電的間歇性與沖擊對于其風電輸電系統并不會造成大規模影響，因此這一些地區風電場電網的調頻、穩定性等各類型問題都相對簡單。不過隨著大型風電場的不斷發展，風電系統附加于同步電網之上的影響力逐漸提升，這就造成了電力系統穩定機理會發生極為顯著的變化。實際調查可以得知，在我國，千萬千瓦級別的大型風電場目前僅僅可以對接輸電系統，這就導致大規模風電系統的隨機擾動很難獲得平抑及分散，這也一定會導致整個輸電系統的動態特性更為復雜化，并導致其對于輸電系統電能質量的控制難度進一步提升[1]。

另一方面，在我國，大型風電場在輸送風電時采取直流輸電系統，即借助“風火打捆”，利用一種超高壓直流輸電方式，使得西部地區大型風電場所生成的電能輸送到東部負荷中心。這一種電能輸送模式并沒有先例，故而運行時，會存在一定程度的技術障礙問題[2]。

3 大型風電場并網技術存在問題研究

3.1 大型風電場引起輸電系統功率諧振的機理、監測方法和抑制的問題

由于容量有限，當小規模風電場接入配電網之后，電場與發電機之間的距離較大，因此基本不會發生功率諧振。但是對于那些直接聯入輸電網絡之中的大型風電場，共振型低頻振蕩的風險極其容易發生，主要原因有如下4點。第一，由于自然風速的不穩定與隨機性，使得導入每一組風力機的風能都成為一種激勵源。第二，和普通型的常規發電機組的整體結構動力學性質比較，風電機組的柔性更高，這就使得機械振動成為一種無法避免的存在，從而造成風電機組有一部分旋轉部分的機械振動與輸出功率振蕩之間存在直接性的因果聯系。第三，與傳統發電機的平均轉矩相比，風電機組的轉矩振蕩要超出其20%左右。對于大型風力發電場，風電機組的轉矩振蕩會引發幾十萬千瓦級別的功率波動，這對于輸電系統的安全造成嚴重威脅。第四，當風電場功率所形成的波動頻率和電力系統低頻振蕩固有頻率逐漸一致時，造成共振的風險概率就會進一步提升。例如，三葉片風電機組，當其功率輸出波動頻率大小處于1～3 Hz，就與低頻振蕩頻率極為接近，從而導致大型風電場存在較高的共振型低頻振蕩風險[3]。

3.2 大型風電場抗擾能力的在線評價及預警問題

目前，我國風電機組及風電場入網與監測兩個標準完善程度不高，大部分風電機組的電能質量、功率曲線、低電壓穿越能力、有功調節性能及無功調節性能等并沒有采取較為系統性的科學監測。通過分析一系列風電事故可以得知，與常規電場抗擾能力相比，風電場的抗擾能力相對較低，這就使得風電場的持續性發電受到影響。更嚴重的是，由于相對較差的抗擾能力，會導致未來一些大型風電場存在極為頻繁的脫網問題，從而使得輸電系統的安全性大打折扣。此外，和常規電站不同之處在于，風電場匯集大量機組，并且目前大部分大型風電場離線穩定計算的等效數學模型的可靠程度相對較低，隨著機組運行時間不斷增加，就會進一步造成機組動態存在一種常態化的變動趨勢。對于大規模風電機組，即使在并網之前展開了較為嚴格的測試，不過并網之后，也要針對大型風電場抗擾能力展開實時性、常態性的及時評價，以基本上保障在線安全分析的基礎性需求。故而從風電場的安全視角上分析，一定要針對并網運行之后的風電場抗擾能力展開在線評價，對于難以滿足正常需求范圍內的，要及時給予警報，以便于大型風電場的電網運行人員做好較為科學、安全的應急準備[4]。

3.3 風電機組與常規同步機組的交互作用與協調控制問題

目前，針對并網風力發電穩定性的大量學術型研究中，大部分主要針對大型風電場運行環節的大電網整體穩定性予以常態性研究。主要原因在于大電網穩定一旦遭到破壞，勢必會造成整個大型風電場的任何接入元件運作存在一定的故障。故而大電網接入大型風電場系統之后，其穩定性到底會發生什么樣的演變，是趨向于變好，還是趨向于變差，都難以得到一種較為系統性、固定性的結論。在平常研究中，不論是趨向于變好，還是趨向于變差都曾經有專家給予系統性的研究，而且研究過程、結果都相對較為公正。不過也存在一定的問題，主要為當電網大規模接受異步電機所導出的功率時，該怎么樣才可以做到“趨利避害”，從而使得電網接入之后，整個大型風電機組的系統整體穩定性可以獲得很大程度的提升。通過研究可知，風電機組與常規同步機組之間的交互作用與協調控制問題的解決突破口在于，研究大型風電場風電機組對于同步機組的影響，以及風電機組與常規同步機組兩者之間所存在的交互作用與協調控制[5]。

4 結 論

作為世界首創，我國的大型風電場大規模并網屬于一項極為宏偉的世紀工程。為了保障大規模并網工程進展順利，針對目前大規模電場并網運行技術要不斷改進創新。本文基于發電機并網運行概述，分析我國大型風電場并網運行與世界其他國家風電場并網運行之間存在的特殊性及不同之處，并提出3點目前大型風電場并網運行急需要解決的關鍵性技術問題。大型風電場并網運行技術依舊需要不斷地累積經驗，對于各種極有可能存在的問題，在理論及實踐上，都需要一種超前意識，做夠充足的準備，以便于大型風電場并網運行能夠更好地為我國社會現代化做出貢獻。