風(fēng)電穿透功率及風(fēng)電最大可接入容量分析

雷 鈞

(山西省機(jī)電設(shè)計(jì)研究院有限公司,山西 太原 030009)

0 引言

近年來，化石能源將要面臨的短缺危機(jī)與其燃燒產(chǎn)生的溫室氣體造成的環(huán)境惡化不斷刺激著人們加大對(duì)可再生能源的開發(fā)與利用。風(fēng)電是一種清潔的可再生能源,隨著風(fēng)電技術(shù)的進(jìn)步與日益下降的建造成本，其獲得了非常快的發(fā)展。但是，風(fēng)電是不穩(wěn)定的，由于風(fēng)速時(shí)時(shí)刻刻都在變化，有的時(shí)候無法達(dá)到最低轉(zhuǎn)速條件而無法發(fā)電；而有的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)突然的風(fēng)速上升，觀察發(fā)現(xiàn)，雖然這種突然的迸發(fā)持續(xù)時(shí)間不超過20 s，但最高風(fēng)速最少能達(dá)到29.632 km/h，峰谷風(fēng)速差最少16.668 km/h[1]。風(fēng)速的不斷變化造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出有功功率不斷變化,目前風(fēng)電的裝機(jī)容量越來越大，如果將其并入電網(wǎng)，其出力的不斷變化可能會(huì)給電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性帶來巨大的挑戰(zhàn),并且接入的風(fēng)電容量越高，給系統(tǒng)造成的安全隱患就越大[2]。因此，我們需要對(duì)一個(gè)電力系統(tǒng)能夠承受的風(fēng)電容量進(jìn)行評(píng)估。

1 風(fēng)電穿透功率與風(fēng)電最大可接入容量

風(fēng)電穿透功率指電力系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱系統(tǒng))中的風(fēng)電裝機(jī)容量占系統(tǒng)總負(fù)荷的比例，學(xué)術(shù)界用風(fēng)電穿透功率來表示風(fēng)電接入容量與系統(tǒng)負(fù)荷之比，那么風(fēng)電穿透功率極限就是風(fēng)電最大裝機(jī)容量占系統(tǒng)總負(fù)荷的比例[3]，即：

(1)

因此分析系統(tǒng)的風(fēng)電穿透功率極限也就是分析風(fēng)電最大可接入容量。

2 風(fēng)電穿透功率對(duì)電力系統(tǒng)的影響

風(fēng)電對(duì)系統(tǒng)的影響可分為兩類：①對(duì)當(dāng)?shù)氐挠绊懀赴l(fā)生在風(fēng)電場(chǎng)附近的，比如風(fēng)電機(jī)所在支路的潮流、節(jié)點(diǎn)電壓、保護(hù)策略、故障電流和諧波等；②對(duì)于廣泛系統(tǒng)的影響，這種影響是大范圍的，由風(fēng)電接入電網(wǎng)造成的，也是與風(fēng)電穿透功率密切相關(guān)的，風(fēng)電穿透功率不同，風(fēng)電接入容量的大小不同，對(duì)電網(wǎng)的影響也不同，主要包括對(duì)動(dòng)態(tài)和穩(wěn)定性、無功功率發(fā)生、電壓控制、頻率控制、傳統(tǒng)發(fā)電方式的調(diào)度等的影響[4]，尤其是對(duì)頻率穩(wěn)定性和電壓穩(wěn)定性的影響。

2.1 風(fēng)電穿透功率對(duì)頻率穩(wěn)定性的影響

風(fēng)力發(fā)電由兩個(gè)基本過程組成,首先由轉(zhuǎn)子吸取風(fēng)中的動(dòng)能，將其轉(zhuǎn)變成機(jī)械轉(zhuǎn)矩;然后由發(fā)電系統(tǒng)將機(jī)械轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)變成電能,風(fēng)力發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)連接，從而將發(fā)出的能量傳遞給電網(wǎng)中的負(fù)載。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)本身與傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)不同，它與電網(wǎng)不同步，與系統(tǒng)的頻率是不耦合的[5]。但是，為了讓風(fēng)力發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)同步，會(huì)使用鎖相環(huán)。如果電網(wǎng)中出現(xiàn)擾動(dòng)，鎖相環(huán)能夠不受電網(wǎng)中擾動(dòng)的影響，快速地度過暫態(tài)過程，讓風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行。但是，這也會(huì)給發(fā)電機(jī)本身帶來弊端。對(duì)于由普通的同步發(fā)電機(jī)和負(fù)荷組成的系統(tǒng)來說，如果負(fù)荷增加，或發(fā)電量減少，系統(tǒng)的頻率將會(huì)降低。同時(shí)，由于普通的同步發(fā)電機(jī)的頻率與電網(wǎng)存在耦合關(guān)系，電網(wǎng)頻率由于發(fā)電量小于需求而會(huì)降低，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也會(huì)降低。因此發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)能減小，減小的這部分動(dòng)能將轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茌斔偷诫娋W(wǎng)中，幫助電網(wǎng)恢復(fù)頻率的穩(wěn)定,這個(gè)過程被稱為慣性響應(yīng)。但是，使用鎖相環(huán)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)完全沒有這個(gè)過程，當(dāng)電力系統(tǒng)中接入的風(fēng)電機(jī)越來越多時(shí)，系統(tǒng)的慣性響應(yīng)能力越來越弱，遇到擾動(dòng)造成頻率的變化時(shí)，將很難恢復(fù)。因此，有風(fēng)力發(fā)電機(jī)接入的電力系統(tǒng)允許工作的頻率范圍比傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的頻率范圍要小。

暫態(tài)頻率的不穩(wěn)定可能在幾秒鐘內(nèi)造成系統(tǒng)斷電、低頻工作還有機(jī)械共振的危險(xiǎn)。為了防止系統(tǒng)損壞，系統(tǒng)還配備有低頻繼電器，如果風(fēng)力發(fā)電機(jī)頻率跳出了所規(guī)定的閾值范圍，就會(huì)被低頻繼電器切除，從而系統(tǒng)發(fā)出的有功功率減少，頻率進(jìn)一步下降，引發(fā)更多的設(shè)備被切除，惡性循環(huán)可能讓系統(tǒng)崩潰。也就是說，設(shè)備的切除造成了暫態(tài)頻率不穩(wěn)定。隨著風(fēng)電穿透功率的不斷提高，慣性響應(yīng)能力變?nèi)酰试S工作的頻率范圍變小。一旦頻率降低，風(fēng)力發(fā)電機(jī)會(huì)比傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)更早地被切除。如果風(fēng)力發(fā)電機(jī)的切除造成的有功功率減少、頻率下降等惡果，導(dǎo)致更多的風(fēng)力發(fā)電機(jī)或者傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)被切除、暫態(tài)頻率不穩(wěn)定，系統(tǒng)斷電就很有可能發(fā)生了。

為了改善頻率響應(yīng)特性，可以安裝額外的儲(chǔ)能裝置，或者使用專門的閉環(huán)控制策略,這樣能夠快速改變有功功率的注入來減小頻率的改變。這種快速頻率響應(yīng)措施又被稱為慣性仿真(IE),IE使用的能源通常來自于風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的儲(chǔ)能裝置，再通過閉環(huán)控制回路讓風(fēng)力發(fā)電機(jī)在頻率發(fā)生變化的10 s內(nèi)釋放能量，使頻率迅速恢復(fù)。

2.2 風(fēng)電穿透功率對(duì)電壓穩(wěn)定性的影響

當(dāng)電力系統(tǒng)中負(fù)荷增大時(shí)，也有可能出現(xiàn)電壓降低的現(xiàn)象。電壓失穩(wěn)與無功是密切相關(guān)的,風(fēng)力發(fā)電機(jī)在發(fā)出有功功率的同時(shí)，也是個(gè)無功負(fù)荷，吸收無功功率。風(fēng)電加入電網(wǎng)后，系統(tǒng)本身的擾動(dòng)比起風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于風(fēng)速的變化造成的出力變化來說已經(jīng)很小，因此，風(fēng)電的大規(guī)模并網(wǎng)，主要應(yīng)該考慮的擾動(dòng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)本身的出力擾動(dòng)。

當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)輸出的有功功率上升時(shí)，它消耗的無功功率也增大,同時(shí)，線路消耗的無功也會(huì)增加。為了對(duì)無功進(jìn)行補(bǔ)償，需要在發(fā)電機(jī)端并聯(lián)電容器。正常工作時(shí)，并聯(lián)電容器和線路發(fā)出的無功大于風(fēng)電場(chǎng)和線路消耗的無功，風(fēng)電場(chǎng)的電壓能夠保持穩(wěn)定。如果風(fēng)電場(chǎng)的出力上升，比如說出現(xiàn)如上文所說的風(fēng)速迸發(fā)，風(fēng)電場(chǎng)這些無功負(fù)荷增大，而大于并聯(lián)電容器所能提供的無功，因此風(fēng)電場(chǎng)機(jī)端電壓降低。同時(shí)，機(jī)端并聯(lián)的電容器由于其兩端電壓降低，所發(fā)出的無功更加減少，造成更壞的結(jié)果。

由于雙饋感應(yīng)電機(jī)效率高，因此是目前使用最廣泛的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，它能夠?qū)崿F(xiàn)有功和無功的解耦控制，即可以讓風(fēng)力發(fā)電機(jī)在發(fā)出有功功率的同時(shí)通過特定控制手段不消耗無功，這無疑是好的，有益于整個(gè)系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定。但是風(fēng)電場(chǎng)出力大時(shí)，線路消耗的無功增大，也會(huì)引起風(fēng)電場(chǎng)電壓的降低，造成電壓的不穩(wěn)定,可以嘗試讓風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出一定量的無功對(duì)線路消耗的無功進(jìn)行補(bǔ)償[6]。

3 風(fēng)電穿透功率極限的評(píng)估

考慮到電網(wǎng)能夠承受的風(fēng)電接入容量有限，需要對(duì)風(fēng)電穿透功率極限進(jìn)行評(píng)估。至今，學(xué)者們已經(jīng)提出了很多計(jì)算穿透功率極限的方法。文獻(xiàn)[7]中提出，由于節(jié)點(diǎn)輸出的有功功率上升時(shí)電壓會(huì)下降，可以使用PV(P為風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電功率，V為母線電壓)曲線確定風(fēng)電最大可接入容量。當(dāng)風(fēng)電輸出有功功率較低時(shí)，部分負(fù)荷需求被滿足，電壓將上升,但當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)出力繼續(xù)增大，全部的負(fù)荷需求被滿足后，還有多余的有功功率將會(huì)導(dǎo)致電壓降低，吸收的無功功率也會(huì)增加,當(dāng)電壓降低到崩潰電壓時(shí)，會(huì)造成電壓的不穩(wěn)定。實(shí)際上，不可以把崩潰電壓作為臨界值，為了維持電壓穩(wěn)定應(yīng)該留有一部分預(yù)留電壓，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)將其規(guī)定為額定電壓的10%～15%。根據(jù)最低的電壓值找到PV曲線中對(duì)應(yīng)的風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電功率，即可確定風(fēng)電最大可接入容量。

在文獻(xiàn)[8]中提出，自然界的風(fēng)速是不斷變化的，因此，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率也在不斷發(fā)生變化，可以將風(fēng)速視為隨機(jī)變量來考慮，根據(jù)風(fēng)速與輸出功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系得到表示輸出功率的隨機(jī)變量。假設(shè)風(fēng)速服從Weibull分布，而負(fù)荷服從正態(tài)分布，求出表示風(fēng)速、風(fēng)電裝機(jī)容量、傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量、負(fù)荷功率的表達(dá)式，用蒙特卡洛方法得到滿足約束條件的概率，根據(jù)所要求的置信程度確定風(fēng)電裝機(jī)容量。

在文獻(xiàn)[9]中提出，為了保持頻率穩(wěn)定對(duì)風(fēng)電穿透功率的限制，需要研究單位有功出力的變化是如何影響頻率變化的。風(fēng)電場(chǎng)發(fā)出的功率并不是全部都有用，有些要被濾掉，因此產(chǎn)生了濾波效率μW。功率變化引起的頻率波動(dòng)應(yīng)該有閾值，設(shè)頻率在這個(gè)閾值內(nèi)變化所對(duì)應(yīng)的功率的變化量為Pfreq_lim。風(fēng)電穿透功率又可近似表示為風(fēng)力接入容量與所有發(fā)電容量的比值，用μfreq_lim來表示Pfreq_lim與除了風(fēng)電外其他發(fā)電方式容量之比，其物理意義是表示其他發(fā)電方式承受的功率波動(dòng)。經(jīng)過推導(dǎo)，可以得到風(fēng)電穿透功率的表達(dá)式：

(2)

文獻(xiàn)[10]給出了同時(shí)考慮電壓和頻率約束的風(fēng)電穿透功率極限計(jì)算方法，即在電壓和頻率變化范圍的兩個(gè)約束條件下，優(yōu)化搜尋風(fēng)電功率的最大值，其數(shù)學(xué)模型為：

maxF(p)=p.

(3)

(4)

其中：p為風(fēng)電場(chǎng)容量；u(p)為系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓標(biāo)幺值；f(p)為系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)頻率標(biāo)幺值；umin、umax分別為系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓標(biāo)幺值的上、下限；fmin、fmax分別為系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)頻率標(biāo)幺值的上、下限。

這個(gè)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型涉及沒有風(fēng)電場(chǎng)時(shí)和加入風(fēng)電場(chǎng)后的變化，因此進(jìn)行變換后為：

maxg(p)=xu(p)+xf(p).

(5)

(6)

其中：xu(p)、xf(p)分別為系統(tǒng)電壓、頻率可能越限的程度，當(dāng)其值為1時(shí)相應(yīng)的電壓或頻率達(dá)到約束條件的邊界值；um(p)為系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓所能達(dá)到的最值；u0為系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓的邊界值；um(0)為系統(tǒng)沒有接入風(fēng)電場(chǎng)時(shí)電壓能達(dá)到的最值；fm(p)為系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)頻率所能達(dá)到的最值;fm(0)為系統(tǒng)沒有接入風(fēng)電場(chǎng)時(shí)頻率能達(dá)到的最值；f0為系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)頻率的邊界值。

公式(6)的求解方法是在將約束條件展開近似成泰勒二次展開式后，先對(duì)沒有接入風(fēng)電場(chǎng)的系統(tǒng)進(jìn)行仿真，然后對(duì)于某次迭代的接入功率進(jìn)行仿真，直到滿足收斂條件，得到近似的系統(tǒng)所能承受的風(fēng)電功率最大值。

4 結(jié)語(yǔ)

風(fēng)電出力的不穩(wěn)定性會(huì)給電力系統(tǒng)造成巨大的挑戰(zhàn)，因此風(fēng)電并網(wǎng)的容量有一個(gè)限度，不能超出電力系統(tǒng)的承受范圍。本文分析了風(fēng)電對(duì)系統(tǒng)的影響，將影響分為兩大類，一是對(duì)風(fēng)電機(jī)及其附近設(shè)備的影響，二是對(duì)廣泛系統(tǒng)的影響；指出風(fēng)電對(duì)廣泛系統(tǒng)的影響與本文研究的風(fēng)電穿透功率十分密切，并在頻率和電壓穩(wěn)定性上分析了風(fēng)電穿透功率是如何影響廣泛系統(tǒng)的。在頻率穩(wěn)定性方面，如果用風(fēng)電機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)發(fā)電機(jī)，會(huì)大大削弱系統(tǒng)的慣性響應(yīng)能力，從而使得系統(tǒng)發(fā)生功率的變化而導(dǎo)致頻率變化時(shí)難以復(fù)原。由于風(fēng)電的加入，系統(tǒng)的工作頻率范圍變小，更容易出現(xiàn)超出頻率范圍閾值而切除發(fā)電機(jī)的情況，易引發(fā)惡性循環(huán)造成系統(tǒng)崩潰。可在風(fēng)電機(jī)安裝儲(chǔ)能裝置和閉環(huán)控制單元來對(duì)發(fā)生波動(dòng)的功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，以改善功率波動(dòng)的問題。在電壓穩(wěn)定性方面，主要分析了風(fēng)電機(jī)出力的增大造成風(fēng)電機(jī)本身及等效線路消耗的無功功率增大，從而產(chǎn)生較大壓降。提出控制DFIG發(fā)出一定量無功，進(jìn)行無功補(bǔ)償，以改善無功消耗增大的問題。最后總結(jié)了風(fēng)電穿透功率極限評(píng)估的方法，從電壓和頻率的變化范圍兩個(gè)限制方面來考慮，在這兩種約束條件下，迭代找出風(fēng)電并網(wǎng)功率最大值。