風(fēng)電接入電網(wǎng)的研究范文

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《電氣時(shí)代雜志》2014年第五期

一、風(fēng)電并網(wǎng)的主要研究問(wèn)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(guó)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(guò)20年良好運(yùn)行記錄，越來(lái)越被人們所認(rèn)可。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)開(kāi)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(chǎng)在電力系統(tǒng)電源所占比例不斷增加，風(fēng)電對(duì)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(guó)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(duì)一些共性問(wèn)題，如電能質(zhì)量、潮流計(jì)算、無(wú)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(wèn)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(chǎng)的輸出功率波動(dòng)，從而引起電網(wǎng)電壓波動(dòng)。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(dòng)，進(jìn)而使電網(wǎng)出現(xiàn)可察覺(jué)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(dòng)、畸變率和電壓閃變可能會(huì)超出國(guó)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(guó)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(duì)電壓變動(dòng)的計(jì)算公式，考慮有功電流和無(wú)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(jì)算了新疆電網(wǎng)達(dá)坂城地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行情況下的電壓波動(dòng)、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(chǎng)因故切除后的系統(tǒng)頻率偏差，同時(shí)指出，為提高電能質(zhì)量，制定了風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃時(shí)需對(duì)電網(wǎng)傳輸能力、無(wú)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(dòng)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(wú)功功率引起的電壓波動(dòng)相互抵消掉，風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)的線路參數(shù)要經(jīng)過(guò)合理計(jì)算。②在風(fēng)電場(chǎng)并入電網(wǎng)時(shí)，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(shí)。風(fēng)電給系統(tǒng)帶來(lái)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(duì)于恒速恒頻的風(fēng)機(jī)軟并網(wǎng)裝置在并網(wǎng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的諧波，但由于時(shí)間很短，發(fā)生次數(shù)也不多，對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響不大。但是對(duì)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(guò)程中一直處于工作狀態(tài)，因此需要考慮諧波干擾問(wèn)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(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波問(wèn)題，隨著電力電子器件和技術(shù)的不斷進(jìn)步，這個(gè)問(wèn)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(shí)際運(yùn)行中，曾出現(xiàn)過(guò)風(fēng)電場(chǎng)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(jiǎn)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(shí)測(cè)相當(dāng)接近的結(jié)果。與閃變問(wèn)題相比，風(fēng)電并網(wǎng)帶來(lái)的諧波問(wèn)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(chǎng)的接入對(duì)電能質(zhì)量有一定的影響，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)并入電網(wǎng)時(shí)有必要對(duì)風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)后的電能質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，以保證其電能質(zhì)量符合IEC和國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

2.潮流計(jì)算風(fēng)電并入系統(tǒng)后的潮流計(jì)算熱點(diǎn)問(wèn)題是風(fēng)電場(chǎng)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(jì)算風(fēng)電機(jī)組的有功功率和無(wú)功功率。某文獻(xiàn)考慮了風(fēng)電場(chǎng)無(wú)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(guò)程中需將迭代過(guò)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(jiǎn)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(jiǎn)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(wú)功功率與有功功率之間的關(guān)系，通過(guò)常規(guī)潮流迭代和風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓迭代兩個(gè)過(guò)程，完成含有風(fēng)電場(chǎng)的電力系統(tǒng)潮流計(jì)算。某文獻(xiàn)根據(jù)風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓、有功功率、無(wú)功功率以及滑差之間的耦合關(guān)系，通過(guò)修正雅克比矩陣，實(shí)現(xiàn)了含風(fēng)電場(chǎng)的電力系統(tǒng)潮流的聯(lián)合迭代方法。

3.無(wú)功補(bǔ)償與電壓穩(wěn)定電壓穩(wěn)定問(wèn)題是風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行中普遍存在的問(wèn)題。對(duì)含風(fēng)電場(chǎng)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(duì)風(fēng)電并網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性分析主要采用時(shí)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(shí)也吸收無(wú)功。隨著風(fēng)速的不斷變化，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)吸收或消耗的無(wú)功也會(huì)不斷變化。由于風(fēng)機(jī)對(duì)端電壓暫時(shí)性的降落很敏感，由電網(wǎng)電壓波動(dòng)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(huì)縮短風(fēng)機(jī)壽命。因此，合理配置風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功補(bǔ)償是解決風(fēng)電場(chǎng)并入電網(wǎng)電壓穩(wěn)定問(wèn)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(shí)需吸收無(wú)功功率，整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)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(wèn)題還與并網(wǎng)點(diǎn)的短路容量、送出線路的R/X，風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)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(duì)風(fēng)電場(chǎng)輸出有功功率和無(wú)功功率影響的電容器總?cè)萘坑?jì)算方法，并提出應(yīng)用遺傳算法確定風(fēng)電場(chǎng)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(jì)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(chǎng)被要求在一定時(shí)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(chǎng)在電網(wǎng)故障發(fā)生后發(fā)出無(wú)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(chǎng)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(duì)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(lì)磁控制策略，以實(shí)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(wú)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(duì)阻止電壓惡性下降的能力有限，在風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)安裝低壓減載裝置將會(huì)是一種有效措施，如何針對(duì)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(gè)重要的研究問(wèn)題。

4.暫態(tài)穩(wěn)定問(wèn)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(chǎng)的動(dòng)態(tài)特性將會(huì)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(chǎng)對(duì)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(dòng)態(tài)仿真數(shù)學(xué)模型和含風(fēng)電場(chǎng)的電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析方法，分析了風(fēng)電場(chǎng)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(dòng)態(tài)無(wú)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(duì)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(chǎng)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(chǎng)并網(wǎng)后對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生不好的影響。對(duì)于大規(guī)模雙饋風(fēng)電并網(wǎng)后對(duì)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(duì)含風(fēng)電場(chǎng)的內(nèi)蒙古電網(wǎng)進(jìn)行了大擾動(dòng)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(dòng)控制裝置互相配合提高系統(tǒng)大擾動(dòng)穩(wěn)定水平的控制措施。

5.小干擾穩(wěn)定問(wèn)題風(fēng)電并網(wǎng)初期，由于并網(wǎng)容量較小，沒(méi)有表現(xiàn)出對(duì)系統(tǒng)動(dòng)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(zhǎng)，風(fēng)電機(jī)組出力的隨機(jī)性和間歇性是否會(huì)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(wèn)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(shì)，但大電網(wǎng)區(qū)域間和區(qū)域間弱阻尼或負(fù)阻尼問(wèn)題也變得更加突出。風(fēng)電的接入，是否會(huì)加劇原本的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定問(wèn)題也是個(gè)很值得研究的熱點(diǎn)問(wèn)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(guò)2個(gè)算例研究了影響包含風(fēng)電場(chǎng)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(duì)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(chǎng)接入電力系統(tǒng)后對(duì)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(chǎng)對(duì)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(duì)電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性的影響，通過(guò)控制系統(tǒng)改善系統(tǒng)阻尼特性，提高系統(tǒng)動(dòng)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(duì)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(duì)通遼實(shí)際電網(wǎng)大規(guī)模風(fēng)電接入，分析了風(fēng)電接入后對(duì)系統(tǒng)振蕩模式及阻尼特性對(duì)比等，系統(tǒng)研究了大規(guī)模風(fēng)電外送對(duì)電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定的影響。研究表明了風(fēng)電場(chǎng)的不同運(yùn)行狀態(tài)及出力水平會(huì)對(duì)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(chǎng)并入不同性質(zhì)電網(wǎng)后需根據(jù)實(shí)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(wèn)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(duì)風(fēng)電的研究應(yīng)重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)方面。（1）風(fēng)電并網(wǎng)后動(dòng)態(tài)穩(wěn)定分析云南西北地區(qū)水電資源豐富，但是因?yàn)榇罅啃∷娋嚯x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(gè)云南電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定水平，而且一些線路的送電能力也因?yàn)閯?dòng)態(tài)穩(wěn)定問(wèn)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(dòng)態(tài)阻尼特性。因此，風(fēng)電并網(wǎng)后有必要對(duì)云南電網(wǎng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定問(wèn)題進(jìn)行研究，以幫助提高云南電網(wǎng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。（2）風(fēng)電并網(wǎng)后的局部電壓?jiǎn)栴}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^(guò)高，過(guò)電壓的情況時(shí)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(duì)電網(wǎng)的電力送出波動(dòng)較大時(shí)，會(huì)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(dòng)。（3）風(fēng)電調(diào)度運(yùn)營(yíng)管理風(fēng)速隨機(jī)性的特點(diǎn)導(dǎo)致控制風(fēng)電場(chǎng)的出力具有較大的困難，不同的風(fēng)電場(chǎng)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(duì)已投運(yùn)的風(fēng)電基本沒(méi)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(yíng)管理將是電網(wǎng)運(yùn)行不可忽視的問(wèn)題，加強(qiáng)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速預(yù)測(cè)及風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)影響的研究對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行具有重要意義。

三、結(jié)束語(yǔ)

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(shì)必會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)造成負(fù)面的影響，大規(guī)模的風(fēng)電場(chǎng)并入系統(tǒng)將對(duì)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(duì)較小，但由于云南電網(wǎng)具有動(dòng)態(tài)穩(wěn)定、電壓?jiǎn)栴}突出等特點(diǎn)，因此有必要對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)后的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定問(wèn)題、局部電壓?jiǎn)栴}和風(fēng)電調(diào)度運(yùn)營(yíng)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