風(fēng)電接入電網(wǎng)的研究范文
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《電氣時代雜志》2014年第五期
一、風(fēng)電并網(wǎng)的主要研究問題
現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)在20世紀(jì)80年代初始發(fā)于美國加利福尼亞州。在此之后，由于風(fēng)力發(fā)電具有環(huán)境友好、技術(shù)成熟及全球可行的特點(diǎn)，并且具有超過20年良好運(yùn)行記錄，越來越被人們所認(rèn)可。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)開始迅速發(fā)展，并網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組逐步向大型化方向發(fā)展。隨著風(fēng)電場在電力系統(tǒng)電源所占比例不斷增加，風(fēng)電對電力系統(tǒng)的影響在不斷加深。為保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，國內(nèi)外均制定了風(fēng)電并入系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)要求，并對一些共性問題，如電能質(zhì)量、潮流計算、無功電壓和穩(wěn)定運(yùn)行等，進(jìn)行了大量研究，下面就風(fēng)電并入系統(tǒng)后的熱點(diǎn)問題及研究成果進(jìn)行綜述。
1.電能質(zhì)量風(fēng)速變化使風(fēng)電場的輸出功率波動，從而引起電網(wǎng)電壓波動。風(fēng)電機(jī)組本身固有的特性（風(fēng)剪切、塔影效應(yīng)、葉片重力偏差和偏航誤差等）也可能造成電網(wǎng)電壓波動，進(jìn)而使電網(wǎng)出現(xiàn)可察覺的閃變顯現(xiàn)。如果短周期內(nèi)變化較大，則引起的電壓波動、畸變率和電壓閃變可能會超出國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。某文獻(xiàn)結(jié)合并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組電能質(zhì)量的國際電工標(biāo)準(zhǔn)IEC61400—21，介紹了風(fēng)電機(jī)組在持續(xù)不間斷運(yùn)行與切換操作運(yùn)行期間引起的閃變值與相對電壓變動的計算公式，考慮有功電流和無功電流分別在線等效電阻和等效電抗上的壓降。某文獻(xiàn)根據(jù)IEC和其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)計算了新疆電網(wǎng)達(dá)坂城地區(qū)風(fēng)電場系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行情況下的電壓波動、閃變、諧波和傳遞至電網(wǎng)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)后的閃變值；并分析了風(fēng)電場因故切除后的系統(tǒng)頻率偏差，同時指出，為提高電能質(zhì)量，制定了風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃時需對電網(wǎng)傳輸能力、無功功率、電壓控制方式和機(jī)組組合方式等方面進(jìn)行分析的策略。某文獻(xiàn)提出了改善電網(wǎng)電壓波動和閃變的措施：①合適的線路電抗與電阻比可以使有功功率和無功功率引起的電壓波動相互抵消掉，風(fēng)電場接入系統(tǒng)的線路參數(shù)要經(jīng)過合理計算。②在風(fēng)電場并入電網(wǎng)時，選擇相適應(yīng)的短路容量并網(wǎng)點(diǎn)很重要，尤其是接入薄弱電網(wǎng)時。風(fēng)電給系統(tǒng)帶來諧波的途徑主要有兩種：一種是風(fēng)電機(jī)組的電力電子裝置。對于恒速恒頻的風(fēng)機(jī)軟并網(wǎng)裝置在并網(wǎng)過程中會產(chǎn)生一定的諧波，但由于時間很短，發(fā)生次數(shù)也不多，對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響不大。但是對于變速恒頻的風(fēng)機(jī)的變流器，在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過程中一直處于工作狀態(tài)，因此需要考慮諧波干擾問題，如果電力電子裝置的切換頻率剛好在產(chǎn)生諧波的范圍內(nèi)，則會產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波問題，隨著電力電子器件和技術(shù)的不斷進(jìn)步，這個問題也在逐步得到解決。另一種是風(fēng)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，曾出現(xiàn)過風(fēng)電場出口變壓器的低壓側(cè)產(chǎn)生大量諧波的現(xiàn)象。某文獻(xiàn)采用簡單的物理模型（變壓器用短路電抗表示，發(fā)電機(jī)和負(fù)荷用阻抗支路表示），就得到了和實測相當(dāng)接近的結(jié)果。與閃變問題相比，風(fēng)電并網(wǎng)帶來的諧波問題不是很嚴(yán)重，相關(guān)的研究文獻(xiàn)也不多。由于風(fēng)電場的接入對電能質(zhì)量有一定的影響，當(dāng)風(fēng)電場并入電網(wǎng)時有必要對風(fēng)電場接入電網(wǎng)后的電能質(zhì)量進(jìn)行評估，以保證其電能質(zhì)量符合IEC和國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
2.潮流計算風(fēng)電并入系統(tǒng)后的潮流計算熱點(diǎn)問題是風(fēng)電場的模型。目前主要有兩種模型，一是P－Q模型，另一種是R－X模型。在精度要求不高的情況下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般等值為傳統(tǒng)的PQ節(jié)點(diǎn)。某文獻(xiàn)將風(fēng)電機(jī)組等效為PQ節(jié)點(diǎn)，根據(jù)給定的風(fēng)速和功率因數(shù)計算風(fēng)電機(jī)組的有功功率和無功功率。某文獻(xiàn)考慮了風(fēng)電場無功功率受節(jié)點(diǎn)電壓的影響，進(jìn)一步完善了P－Q模型。由于P－Q模型在反映風(fēng)力發(fā)電本質(zhì)上存在一定的局限性，某文獻(xiàn)提出了R－X模型，該模型充分考慮了異步發(fā)電機(jī)本身的特性，但在模型求解過程中需將迭代過程分兩步，求解效率有待提高。某文獻(xiàn)在傳統(tǒng)R－X模型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步簡化，避免了傳統(tǒng)R－X模型的兩步迭代，提高了迭代收斂速度。某文獻(xiàn)在簡化的異步發(fā)電機(jī)組穩(wěn)態(tài)等效電路的基礎(chǔ)上，得出異步發(fā)電機(jī)組無功功率與有功功率之間的關(guān)系，通過常規(guī)潮流迭代和風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓迭代兩個過程，完成含有風(fēng)電場的電力系統(tǒng)潮流計算。某文獻(xiàn)根據(jù)風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓、有功功率、無功功率以及滑差之間的耦合關(guān)系，通過修正雅克比矩陣，實現(xiàn)了含風(fēng)電場的電力系統(tǒng)潮流的聯(lián)合迭代方法。
3.無功補(bǔ)償與電壓穩(wěn)定電壓穩(wěn)定問題是風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行中普遍存在的問題。對含風(fēng)電場的電力系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的研究方法有P－V曲線法和V－Q曲線法兩種。對風(fēng)電并網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性分析主要采用時域仿真法。基于普通異步機(jī)的恒速風(fēng)電機(jī)組是目前世界上廣泛使用的風(fēng)電機(jī)組，該類型風(fēng)電機(jī)組并入電網(wǎng)后在發(fā)出有功的同時也吸收無功。隨著風(fēng)速的不斷變化，感應(yīng)電動機(jī)吸收或消耗的無功也會不斷變化。由于風(fēng)機(jī)對端電壓暫時性的降落很敏感，由電網(wǎng)電壓波動而引起的風(fēng)力發(fā)電機(jī)端電壓降落很容易導(dǎo)致切機(jī)，反復(fù)切機(jī)將會縮短風(fēng)機(jī)壽命。因此，合理配置風(fēng)電場的無功補(bǔ)償是解決風(fēng)電場并入電網(wǎng)電壓穩(wěn)定問題的關(guān)鍵。某文獻(xiàn)研究了基于普通異步發(fā)電機(jī)的恒速風(fēng)電機(jī)組接入電網(wǎng)電壓穩(wěn)定的影響，研究表明，恒速風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行中發(fā)出有功功率的同時需吸收無功功率，整個風(fēng)電場的無功需求較大，導(dǎo)致接入風(fēng)電的地區(qū)電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性降低；并指出電壓穩(wěn)定問題還與并網(wǎng)點(diǎn)的短路容量、送出線路的R/X，風(fēng)電場的無功補(bǔ)償措施有一定的關(guān)系。某文獻(xiàn)提出了涉及風(fēng)速和負(fù)荷變化對風(fēng)電場輸出有功功率和無功功率影響的電容器總?cè)萘坑嬎惴椒ǎ⑻岢鰬?yīng)用遺傳算法確定風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)處電容器的分組容量及其控制規(guī)則。某文獻(xiàn)提出基于隨機(jī)模擬技術(shù)和Beta分布的粒子群優(yōu)化解算方法，其計算方法具有較好的效果。然而，隨著風(fēng)電機(jī)組技術(shù)的發(fā)展及風(fēng)電在電網(wǎng)中比例的迅速提高，在電網(wǎng)發(fā)生故障期間，風(fēng)電場被要求在一定時間范圍內(nèi)能夠連續(xù)運(yùn)行而不脫離電網(wǎng)，甚至被要求風(fēng)電場在電網(wǎng)故障發(fā)生后發(fā)出無功功率參與電網(wǎng)控制。因此，有必要進(jìn)一步研究改善并網(wǎng)風(fēng)電場暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的措施。某文獻(xiàn)提出了一種電網(wǎng)對稱故障下保持雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不脫網(wǎng)運(yùn)行的新型勵磁控制策略，以實現(xiàn)電網(wǎng)故障期間風(fēng)電機(jī)組的不間斷運(yùn)行。研究表明，提高無功控制能力并采用適當(dāng)?shù)目刂撇呗允翘岣唢L(fēng)電并網(wǎng)后電壓穩(wěn)定性的重要措施，但這種方法對阻止電壓惡性下降的能力有限，在風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)安裝低壓減載裝置將會是一種有效措施，如何針對異步風(fēng)機(jī)特點(diǎn)進(jìn)行低壓減載的配置和整定將是一個重要的研究問題。
4.暫態(tài)穩(wěn)定問題大量風(fēng)電容量并入電網(wǎng)原有的潮流分布、線路傳輸功率和系統(tǒng)慣量，電網(wǎng)故障期間或電網(wǎng)故障切除后風(fēng)電場的動態(tài)特性將會影響電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，不同風(fēng)電機(jī)組組成的風(fēng)電場對電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響也不同。某文獻(xiàn)給出了異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的動態(tài)仿真數(shù)學(xué)模型和含風(fēng)電場的電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析方法，分析了風(fēng)電場接入后電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，并使用控制負(fù)荷側(cè)功率因數(shù)，采用動態(tài)無功補(bǔ)償裝置等措施改善電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定水平。某文獻(xiàn)探討了大規(guī)模雙饋型風(fēng)電并網(wǎng)后對電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響。研究比較了在電網(wǎng)同一點(diǎn)接入雙饋型風(fēng)電場合同步發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定特性，在某些故障條件下，雙饋型風(fēng)電場并網(wǎng)后對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性會產(chǎn)生不好的影響。對于大規(guī)模雙饋風(fēng)電并網(wǎng)后對電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性還需要進(jìn)一步深入研究。某文獻(xiàn)對含風(fēng)電場的內(nèi)蒙古電網(wǎng)進(jìn)行了大擾動穩(wěn)定分析，分析了大量風(fēng)電集中接入后電力系統(tǒng)的功角穩(wěn)定，提出了利用風(fēng)電機(jī)組的低電壓保護(hù)和系統(tǒng)安全自動控制裝置互相配合提高系統(tǒng)大擾動穩(wěn)定水平的控制措施。
5.小干擾穩(wěn)定問題風(fēng)電并網(wǎng)初期，由于并網(wǎng)容量較小，沒有表現(xiàn)出對系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性的明顯負(fù)面作用。但是，隨著接入規(guī)模的增長，風(fēng)電機(jī)組出力的隨機(jī)性和間歇性是否會影響原有系統(tǒng)的阻尼情況已成為風(fēng)電研究中不可缺少的問題。大區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)已成當(dāng)今電力系統(tǒng)發(fā)展的趨勢，但大電網(wǎng)區(qū)域間和區(qū)域間弱阻尼或負(fù)阻尼問題也變得更加突出。風(fēng)電的接入，是否會加劇原本的動態(tài)穩(wěn)定問題也是個很值得研究的熱點(diǎn)問題。某文獻(xiàn)建立了可用于小干擾穩(wěn)定分析的異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組數(shù)學(xué)模型，并通過2個算例研究了影響包含風(fēng)電場的電力系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性因素，算例分析表明，與風(fēng)電機(jī)組強(qiáng)相關(guān)的振蕩模式有著很好的阻尼，對大系統(tǒng)中其他同步發(fā)電機(jī)強(qiáng)相關(guān)的振蕩模式影響很小。某文獻(xiàn)分析了大容量風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)后對電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性的影響，討論了不同運(yùn)行方式下風(fēng)電場對系統(tǒng)阻尼的影響。某文獻(xiàn)建立了雙饋?zhàn)兯亠L(fēng)電機(jī)組的小干擾穩(wěn)定模型，分析了雙饋?zhàn)兯亠L(fēng)電機(jī)組對電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性的影響，通過控制系統(tǒng)改善系統(tǒng)阻尼特性，提高系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性。某文獻(xiàn)提出了一種改進(jìn)的槳距角控制方案，對改善系統(tǒng)阻尼具有較好的效果。某文獻(xiàn)推導(dǎo)了雙饋機(jī)組用于小干擾穩(wěn)定分析的數(shù)學(xué)模型，針對通遼實際電網(wǎng)大規(guī)模風(fēng)電接入，分析了風(fēng)電接入后對系統(tǒng)振蕩模式及阻尼特性對比等，系統(tǒng)研究了大規(guī)模風(fēng)電外送對電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定的影響。研究表明了風(fēng)電場的不同運(yùn)行狀態(tài)及出力水平會對系統(tǒng)的振蕩及阻尼特性產(chǎn)生影響。然而，大電網(wǎng)區(qū)域間或區(qū)域內(nèi)部的振蕩特性和阻尼情況與電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、電網(wǎng)特性等因素有關(guān)。因此，風(fēng)電場并入不同性質(zhì)電網(wǎng)后需根據(jù)實際電網(wǎng)進(jìn)行小干擾穩(wěn)定分析。
二、云南電網(wǎng)需要重點(diǎn)研究的風(fēng)電問題
目前，云南已投運(yùn)了部分風(fēng)力發(fā)電，根據(jù)云南電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，云南電網(wǎng)對風(fēng)電的研究應(yīng)重點(diǎn)考慮以下幾個方面。（1）風(fēng)電并網(wǎng)后動態(tài)穩(wěn)定分析云南西北地區(qū)水電資源豐富，但是因為大量小水電距離主網(wǎng)電氣距離較遠(yuǎn)（水電匯集的終端220kV變電站距離大理500kV變電站距離很遠(yuǎn)），有250～360km左右，容易出現(xiàn)弱阻尼振蕩，已經(jīng)影響到整個云南電網(wǎng)的動態(tài)穩(wěn)定水平，而且一些線路的送電能力也因為動態(tài)穩(wěn)定問題而形成限制。風(fēng)電并入西北電網(wǎng)后，將可能影響地區(qū)間的動態(tài)阻尼特性。因此，風(fēng)電并網(wǎng)后有必要對云南電網(wǎng)動態(tài)穩(wěn)定問題進(jìn)行研究，以幫助提高云南電網(wǎng)動態(tài)穩(wěn)定性。（2）風(fēng)電并網(wǎng)后的局部電壓問題云南西北地區(qū)當(dāng)?shù)刎?fù)荷較少，地區(qū)電網(wǎng)外送電力占本地負(fù)荷比例偏高，當(dāng)?shù)叵{能力不強(qiáng)。富裕電力受到外送通道限制，造成大量中小水電送出受限，導(dǎo)致當(dāng)?shù)仉妷哼^高，過電壓的情況時有發(fā)生。風(fēng)電接入后，由于風(fēng)電具有間歇性和隨機(jī)性，使得風(fēng)電接入電網(wǎng)后電壓調(diào)整變得更加困難，當(dāng)風(fēng)能基地對電網(wǎng)的電力送出波動較大時，會引起全網(wǎng)特別是送電通道的相關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓大幅度波動。（3）風(fēng)電調(diào)度運(yùn)營管理風(fēng)速隨機(jī)性的特點(diǎn)導(dǎo)致控制風(fēng)電場的出力具有較大的困難，不同的風(fēng)電場其規(guī)模、風(fēng)機(jī)類型和并入電網(wǎng)性質(zhì)等均不同。目前，云南電網(wǎng)對已投運(yùn)的風(fēng)電基本沒有統(tǒng)一管理和控制方法，如何進(jìn)行風(fēng)電調(diào)度及運(yùn)營管理將是電網(wǎng)運(yùn)行不可忽視的問題，加強(qiáng)風(fēng)電場風(fēng)速預(yù)測及風(fēng)電場并網(wǎng)對電力系統(tǒng)影響的研究對電網(wǎng)運(yùn)行具有重要意義。
三、結(jié)束語
風(fēng)力發(fā)電與常規(guī)能源發(fā)電具有不同的特點(diǎn)，這勢必會對電力系統(tǒng)造成負(fù)面的影響，大規(guī)模的風(fēng)電場并入系統(tǒng)將對電網(wǎng)電能質(zhì)量、電網(wǎng)穩(wěn)定等方面造成影響。雖然云南電網(wǎng)的風(fēng)電建設(shè)規(guī)模相對較小，但由于云南電網(wǎng)具有動態(tài)穩(wěn)定、電壓問題突出等特點(diǎn)，因此有必要對風(fēng)電并網(wǎng)后的動態(tài)穩(wěn)定問題、局部電壓問題和風(fēng)電調(diào)度運(yùn)營管理等方面進(jìn)行研究。
作者：程俊王艾萌胡雪峰楊強(qiáng)朱濤 單位：華北電力大學(xué)云南電力調(diào)度控制中心