風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)影響淺析

風(fēng)電場出力的主要特點是隨機(jī)性、間歇性及不可控性，主要隨風(fēng)俗變化。因此，風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行給電網(wǎng)帶來諸多不利影響。隨著風(fēng)電場的容量越來越大，對系統(tǒng)的影響也越來越明顯，研究風(fēng)電并網(wǎng)對系統(tǒng)的影響已成為重要課題，本文將就風(fēng)電并網(wǎng)研究中的一些問題進(jìn)行淺述。

1、風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要形式

分析風(fēng)電并網(wǎng)的影響，首先要考慮風(fēng)力發(fā)電機(jī)類型的不同。不同風(fēng)電機(jī)組工作原理、數(shù)學(xué)模型都不相同，因此，分析方法也有差異。目前國內(nèi)風(fēng)電場選用機(jī)組主要有3種：

1.1異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)

目前是我國主力機(jī)型，國內(nèi)已運(yùn)行風(fēng)電場大部分機(jī)組是異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)。主要特點是結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，此種發(fā)電機(jī)為定速恒頻機(jī)組，運(yùn)行中轉(zhuǎn)速基本不變，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行在風(fēng)能轉(zhuǎn)換最佳狀態(tài)下的機(jī)率比較小，因而，發(fā)電能力比新型機(jī)組低。同時，運(yùn)行中需要從電力系統(tǒng)中吸收無功功率。為滿足電網(wǎng)對風(fēng)電場功率因素的要求，采用在機(jī)端并聯(lián)補(bǔ)償電容器的方法，其補(bǔ)償策略是異步發(fā)電機(jī)配有若干組固定容量電容器。由于風(fēng)速大小隨機(jī)變化，驅(qū)動異步發(fā)電機(jī)的風(fēng)機(jī)不可能經(jīng)常在額定風(fēng)速下運(yùn)轉(zhuǎn)。

1.2雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)

兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)普遍采用雙饋異步發(fā)電機(jī)形式，是目前世界主力機(jī)型，該機(jī)型稱為變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)。由于風(fēng)力機(jī)變速運(yùn)行，其運(yùn)行速度能在一個較寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，使風(fēng)機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)Cp得到優(yōu)化，獲得高的系統(tǒng)效率；可以實現(xiàn)發(fā)電機(jī)較平滑的電功率輸出；與電網(wǎng)連接簡單，發(fā)電機(jī)本身不需要另外附加的無功補(bǔ)償設(shè)備，可實現(xiàn)功率因素一定范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)，例如從0.95領(lǐng)先到0.95滯后范圍內(nèi)，因而具有調(diào)節(jié)無功功率出力的能力。

1.3直驅(qū)式交流永磁同步發(fā)電機(jī)

從大型風(fēng)電機(jī)組實際運(yùn)行經(jīng)驗中，齒輪箱是故障率較高部件。采用無齒輪箱結(jié)構(gòu)則避免了這種故障的出現(xiàn)，可以大大提高風(fēng)電機(jī)組的可利用率、可靠性，降低風(fēng)電機(jī)組載荷，提高風(fēng)力機(jī)組壽命。該機(jī)組采用直接驅(qū)動永磁式同步發(fā)電機(jī)，全部功率經(jīng)A-D-A變換，接入電力系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行。與其他機(jī)型比較，需考慮諧波治理問題。

2、風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)影響分析方法

由于風(fēng)速變化是隨機(jī)的，因此風(fēng)電場出力也是隨機(jī)的，風(fēng)電本身這種特點使其容量可信度低，給電網(wǎng)有功、無功平衡調(diào)度帶來困難。

在風(fēng)電容量比較高的電網(wǎng)中，可能產(chǎn)生電能質(zhì)量問題，例如電壓波動和閃變、頻率偏差，諧波問題等。更重要的是，需分析穩(wěn)定性問題，系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定、動態(tài)穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定等。當(dāng)然，相同裝機(jī)容量的風(fēng)電場在不同接入點對電網(wǎng)的影響是不同的，在短路容量大的接入點對系統(tǒng)影響小，反之，影響大。

定量分析風(fēng)電場對電網(wǎng)運(yùn)行的影響，要從穩(wěn)態(tài)和動態(tài)兩方面進(jìn)行分析。

穩(wěn)態(tài)分析，就是對含風(fēng)電場的電力系統(tǒng)進(jìn)行潮流計算。在穩(wěn)態(tài)潮流分析中，風(fēng)電場高壓母線不能簡單視為PQ節(jié)點或PU節(jié)點。

含風(fēng)電場電力系統(tǒng)對平衡節(jié)點的有功、無功平衡能力提出更高要求，要分析含風(fēng)電場電網(wǎng)在電網(wǎng)大、小運(yùn)行方式下，是否滿足系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行的各種約束。

動態(tài)分析過程，一般采用仿真的方法，要考慮異步發(fā)動機(jī)、雙饋異步發(fā)動機(jī)等不同發(fā)電機(jī)的模型以及風(fēng)速、風(fēng)機(jī)、槳距調(diào)節(jié)等環(huán)節(jié)，用仿真程序PSS/E、PSCAD、PSASP等進(jìn)行分析，分析的關(guān)鍵是各種風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型的選用。

分析風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)影響，還需考慮風(fēng)電場無功問題。風(fēng)電場無功消耗包括：異步發(fā)動機(jī)消耗；風(fēng)機(jī)出口出口升壓變壓器；風(fēng)電場升壓站主變壓器消耗等，如有必要，可采用動態(tài)電壓控制設(shè)備。

目前風(fēng)電的容量可信度常用的有兩種評價方法：一種是計算含風(fēng)電系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)，在保證系統(tǒng)可靠性不變的前提下，風(fēng)電能夠替代的常規(guī)發(fā)電機(jī)組容量即為其容量可信度，這種方法適合于系統(tǒng)的規(guī)劃階段；一種方法是時間序列仿真，選擇合適的時間段作為研究對象，通過計算風(fēng)電場的容量系數(shù)(風(fēng)電場實際出力與理論發(fā)電量的比值)來估算容量可信度，在負(fù)荷高峰時段，可以認(rèn)為容量系數(shù)等于容量可信度，該方法適用于為系統(tǒng)的運(yùn)行提供決策支持。

3、風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)影響

通過上述分析方法，風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)影響主要表現(xiàn)為以下幾方面：

3.1電壓閃變

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大多采用軟并網(wǎng)方式，但是在啟動時仍然會產(chǎn)生較大的沖擊電流。當(dāng)風(fēng)速超過切出風(fēng)速時，風(fēng)機(jī)會從額定出力狀態(tài)自動退出運(yùn)行。如果整個風(fēng)電場所有風(fēng)機(jī)幾乎同時動作，這種沖擊對配電網(wǎng)的影響十分明顯。不但如此，風(fēng)速的變化和風(fēng)機(jī)的塔影效應(yīng)都會導(dǎo)致風(fēng)機(jī)出力的波動，而其波動正好處在能夠產(chǎn)生電壓閃變的頻率范圍之內(nèi)(低于25Hz)，因此，風(fēng)機(jī)在正常運(yùn)行時也會給電網(wǎng)帶來閃變問題，影響電能質(zhì)量。已有的研究成果表明，閃變對并網(wǎng)點的短路電流水平和電網(wǎng)的阻抗比(也有說是阻抗角)十分敏感。

3.2諧波污染

風(fēng)電給系統(tǒng)帶來諧波的途徑主要有兩種：一種是風(fēng)力發(fā)電機(jī)本身配備的電力電子裝置，可能帶來諧波問題。對于直接和電網(wǎng)相連的恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)，軟啟動階段要通過電力電子裝置與電網(wǎng)相連，因此會產(chǎn)生一定的諧波，不過因為過程很短，發(fā)生的次數(shù)也不多，通?？梢院雎?。但是對于變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)則不然，因為變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過整流和逆變裝置接入系統(tǒng)，如果電力電子裝置的切換頻率恰好在產(chǎn)生諧波的范圍內(nèi)，則會產(chǎn)生很嚴(yán)重的諧波問題，不過隨著電力電子器件的不斷改進(jìn)，這一問題也在逐步得到解決。另一種是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并聯(lián)補(bǔ)償電容器可能和線路電抗發(fā)生諧振，在實際運(yùn)行中，曾經(jīng)觀測到在風(fēng)電場出口變壓器的低壓側(cè)產(chǎn)生大量諧波的現(xiàn)象。與電壓閃變問題相比，風(fēng)電并網(wǎng)帶來的諧波問題不是很嚴(yán)重。

3.3電壓穩(wěn)定性

大型風(fēng)電場及其周圍地區(qū)，常常會有電壓波動大的情況。主要是因為以下三種情況。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組啟動時仍然會產(chǎn)生較大的沖擊電流。單臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)對電網(wǎng)電壓的沖擊相對較小，但并網(wǎng)過程至少持續(xù)一段時間后（約為幾十秒）才基本消失，多臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組同時直接并網(wǎng)會造成電網(wǎng)電壓驟降。因此多臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)需分組進(jìn)行，且要有一定的間隔時間。當(dāng)風(fēng)速超過切出風(fēng)速或發(fā)生故障時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)會從額定出力狀態(tài)自動退出并網(wǎng)狀態(tài)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的脫網(wǎng)會產(chǎn)生電網(wǎng)電壓的突降，而機(jī)端較多的電容補(bǔ)償由于抬高了脫網(wǎng)前風(fēng)電場的運(yùn)行電壓，從而引起了更大的電網(wǎng)電壓的下降。

風(fēng)電場風(fēng)速條件變化也將引起風(fēng)電場及其附近的電壓波動。比如當(dāng)風(fēng)場平均風(fēng)速加大，輸入系統(tǒng)的有功功率增加，風(fēng)電場母線電壓開始有所降低，然后升高。這是因為當(dāng)風(fēng)場輸入功率較小時，輸入有功功率引起的電壓升數(shù)值小，而吸收無功功率引起的電壓降大；當(dāng)風(fēng)場輸入功率增大時，輸入有功引起的電壓升數(shù)值增加較大，而吸收無功功率引起的電壓降增加較小。如果考慮機(jī)端電容補(bǔ)償，則風(fēng)電場的電壓增加。特別的，當(dāng)風(fēng)電場與系統(tǒng)間等值阻抗較大時，由于風(fēng)速變動引起的電壓波動現(xiàn)象更為明顯。研究發(fā)現(xiàn)，使用電力電子轉(zhuǎn)換裝置的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，能夠減少電壓波動，比如并網(wǎng)時風(fēng)電場機(jī)端若能提供瞬時無功，則啟動電流也大大減小，對地方電網(wǎng)的沖擊將大大減輕。值得一提的是，如果采用異步發(fā)電機(jī)作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)，除非采取必要的預(yù)防措施，如動態(tài)無功補(bǔ)償、加固網(wǎng)絡(luò)或者采用HVDC連接，否則當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中某處發(fā)生三相接地故障時，將有可能導(dǎo)致全網(wǎng)的電壓崩潰。

3.4無功控制、有功調(diào)度

大型風(fēng)電場的風(fēng)力發(fā)電機(jī)幾乎都是異步發(fā)電機(jī)，在其并網(wǎng)運(yùn)行時需從電力系統(tǒng)中吸收大量無功功率，增加電網(wǎng)的無功負(fù)擔(dān)，有可能導(dǎo)致小型電網(wǎng)的電壓失穩(wěn)。因此風(fēng)力發(fā)電機(jī)端往往配備有電容器組，進(jìn)行無功補(bǔ)償，從而提高電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量及降低成本。雙饋型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)對這一系列問題有很好地解決作用，由于添加了控制環(huán)節(jié)，它具有了以下優(yōu)良特性：

1）可以實現(xiàn)對無功功率的控制--雙饋發(fā)電機(jī)在實現(xiàn)電壓控制的同時還可以從電網(wǎng)中吸收無功功率或是為電網(wǎng)提供無功補(bǔ)償。

2）可以通過對轉(zhuǎn)子勵磁電流的獨(dú)立控制實現(xiàn)了有功和無功功率的解耦控制。具體原理是，雙饋發(fā)電機(jī)在轉(zhuǎn)子側(cè)的變頻器通過轉(zhuǎn)子電流d軸分量實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和力矩的控制，無功和勵磁則是通過轉(zhuǎn)子電流的q軸分量來控制的。同時，電網(wǎng)側(cè)的變頻器也以類似的方式工作，d軸分量通過直流電壓媒介電路控制有功功率，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子側(cè)與電網(wǎng)側(cè)變頻器之間的有功交換。

3、結(jié)語

隨著風(fēng)電的高速發(fā)展，對風(fēng)電并網(wǎng)的研究會越來越重要。影響風(fēng)電并網(wǎng)的技術(shù)障礙包括缺少風(fēng)電場規(guī)劃、風(fēng)力發(fā)電機(jī)和風(fēng)電場模型的模擬軟件、風(fēng)電場輸出預(yù)測等。

建議通過硬件建設(shè)，改進(jìn)電網(wǎng)負(fù)荷平衡能力；通過軟件建設(shè)，提高電網(wǎng)的調(diào)度能力和水平；制訂嚴(yán)格的風(fēng)電入網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)風(fēng)機(jī)制造技術(shù)的進(jìn)步；提高風(fēng)電短期預(yù)測技術(shù)能力和水平。