風電接入電網的研究范文

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《電氣時代雜志》2014年第五期

一、風電并網的主要研究問題

現代風力發電產業在20世紀80年代初始發于美國加利福尼亞州。在此之后，由于風力發電具有環境友好、技術成熟及全球可行的特點，并且具有超過20年良好運行記錄，越來越被人們所認可。風力發電技術開始迅速發展，并網型風電機組逐步向大型化方向發展。隨著風電場在電力系統電源所占比例不斷增加，風電對電力系統的影響在不斷加深。為保證電力系統安全穩定運行，國內外均制定了風電并入系統的相關技術要求，并對一些共性問題，如電能質量、潮流計算、無功電壓和穩定運行等，進行了大量研究，下面就風電并入系統后的熱點問題及研究成果進行綜述。

1.電能質量風速變化使風電場的輸出功率波動，從而引起電網電壓波動。風電機組本身固有的特性（風剪切、塔影效應、葉片重力偏差和偏航誤差等）也可能造成電網電壓波動，進而使電網出現可察覺的閃變顯現。如果短周期內變化較大，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標準。某文獻結合并網風電機組電能質量的國際電工標準IEC61400—21，介紹了風電機組在持續不間斷運行與切換操作運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。某文獻根據IEC和其他相關標準計算了新疆電網達坂城地區風電場系統連續運行情況下的電壓波動、閃變、諧波和傳遞至電網負荷節點后的閃變值；并分析了風電場因故切除后的系統頻率偏差，同時指出，為提高電能質量，制定了風電發展規劃時需對電網傳輸能力、無功功率、電壓控制方式和機組組合方式等方面進行分析的策略。某文獻提出了改善電網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，風電場接入系統的線路參數要經過合理計算。②在風電場并入電網時，選擇相適應的短路容量并網點很重要，尤其是接入薄弱電網時。風電給系統帶來諧波的途徑主要有兩種：一種是風電機組的電力電子裝置。對于恒速恒頻的風機軟并網裝置在并網過程中會產生一定的諧波，但由于時間很短，發生次數也不多，對電網電能質量的影響不大。但是對于變速恒頻的風機的變流器，在風電機組運行過程中一直處于工作狀態，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生諧波的范圍內，則會產生嚴重的諧波問題，隨著電力電子器件和技術的不斷進步，這個問題也在逐步得到解決。另一種是風機的并聯補償電容器可能和線路電抗發生諧振，在實際運行中，曾出現過風電場出口變壓器的低壓側產生大量諧波的現象。某文獻采用簡單的物理模型（變壓器用短路電抗表示，發電機和負荷用阻抗支路表示），就得到了和實測相當接近的結果。與閃變問題相比，風電并網帶來的諧波問題不是很嚴重，相關的研究文獻也不多。由于風電場的接入對電能質量有一定的影響，當風電場并入電網時有必要對風電場接入電網后的電能質量進行評估，以保證其電能質量符合IEC和國家有關標準。

2.潮流計算風電并入系統后的潮流計算熱點問題是風電場的模型。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，風力發電機一般等值為傳統的PQ節點。某文獻將風電機組等效為PQ節點，根據給定的風速和功率因數計算風電機組的有功功率和無功功率。某文獻考慮了風電場無功功率受節點電壓的影響，進一步完善了P－Q模型。由于P－Q模型在反映風力發電本質上存在一定的局限性，某文獻提出了R－X模型，該模型充分考慮了異步發電機本身的特性，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。某文獻在傳統R－X模型的基礎上進一步簡化，避免了傳統R－X模型的兩步迭代，提高了迭代收斂速度。某文獻在簡化的異步發電機組穩態等效電路的基礎上，得出異步發電機組無功功率與有功功率之間的關系，通過常規潮流迭代和風電機組機端電壓迭代兩個過程，完成含有風電場的電力系統潮流計算。某文獻根據風電機組機端電壓、有功功率、無功功率以及滑差之間的耦合關系，通過修正雅克比矩陣，實現了含風電場的電力系統潮流的聯合迭代方法。

3.無功補償與電壓穩定電壓穩定問題是風電并網運行中普遍存在的問題。對含風電場的電力系統的靜態電壓穩定性的研究方法有P－V曲線法和V－Q曲線法兩種。對風電并網暫態電壓穩定性分析主要采用時域仿真法。基于普通異步機的恒速風電機組是目前世界上廣泛使用的風電機組，該類型風電機組并入電網后在發出有功的同時也吸收無功。隨著風速的不斷變化，感應電動機吸收或消耗的無功也會不斷變化。由于風機對端電壓暫時性的降落很敏感，由電網電壓波動而引起的風力發電機端電壓降落很容易導致切機，反復切機將會縮短風機壽命。因此，合理配置風電場的無功補償是解決風電場并入電網電壓穩定問題的關鍵。某文獻研究了基于普通異步發電機的恒速風電機組接入電網電壓穩定的影響，研究表明，恒速風電機組在運行中發出有功功率的同時需吸收無功功率，整個風電場的無功需求較大，導致接入風電的地區電網電壓穩定性降低；并指出電壓穩定問題還與并網點的短路容量、送出線路的R/X，風電場的無功補償措施有一定的關系。某文獻提出了涉及風速和負荷變化對風電場輸出有功功率和無功功率影響的電容器總容量計算方法，并提出應用遺傳算法確定風電場并網點處電容器的分組容量及其控制規則。某文獻提出基于隨機模擬技術和Beta分布的粒子群優化解算方法，其計算方法具有較好的效果。然而，隨著風電機組技術的發展及風電在電網中比例的迅速提高，在電網發生故障期間，風電場被要求在一定時間范圍內能夠連續運行而不脫離電網，甚至被要求風電場在電網故障發生后發出無功功率參與電網控制。因此，有必要進一步研究改善并網風電場暫態電壓穩定性的措施。某文獻提出了一種電網對稱故障下保持雙饋感應風力發電機組不脫網運行的新型勵磁控制策略，以實現電網故障期間風電機組的不間斷運行。研究表明，提高無功控制能力并采用適當的控制策略是提高風電并網后電壓穩定性的重要措施，但這種方法對阻止電壓惡性下降的能力有限，在風電場并網點安裝低壓減載裝置將會是一種有效措施，如何針對異步風機特點進行低壓減載的配置和整定將是一個重要的研究問題。

4.暫態穩定問題大量風電容量并入電網原有的潮流分布、線路傳輸功率和系統慣量，電網故障期間或電網故障切除后風電場的動態特性將會影響電網的暫態穩定性，不同風電機組組成的風電場對電網暫態穩定性的影響也不同。某文獻給出了異步風力發電機組的動態仿真數學模型和含風電場的電力系統暫態穩定分析方法，分析了風電場接入后電網的暫態穩定性，并使用控制負荷側功率因數，采用動態無功補償裝置等措施改善電網暫態穩定水平。某文獻探討了大規模雙饋型風電并網后對電力系統暫態穩定性的影響。研究比較了在電網同一點接入雙饋型風電場合同步發電機的系統暫態穩定特性，在某些故障條件下，雙饋型風電場并網后對系統暫態穩定性會產生不好的影響。對于大規模雙饋風電并網后對電網暫態穩定性還需要進一步深入研究。某文獻對含風電場的內蒙古電網進行了大擾動穩定分析，分析了大量風電集中接入后電力系統的功角穩定，提出了利用風電機組的低電壓保護和系統安全自動控制裝置互相配合提高系統大擾動穩定水平的控制措施。

5.小干擾穩定問題風電并網初期，由于并網容量較小，沒有表現出對系統動態穩定性的明顯負面作用。但是，隨著接入規模的增長，風電機組出力的隨機性和間歇性是否會影響原有系統的阻尼情況已成為風電研究中不可缺少的問題。大區域電網互聯已成當今電力系統發展的趨勢，但大電網區域間和區域間弱阻尼或負阻尼問題也變得更加突出。風電的接入，是否會加劇原本的動態穩定問題也是個很值得研究的熱點問題。某文獻建立了可用于小干擾穩定分析的異步風力發電機組數學模型，并通過2個算例研究了影響包含風電場的電力系統的小干擾穩定性因素，算例分析表明，與風電機組強相關的振蕩模式有著很好的阻尼，對大系統中其他同步發電機強相關的振蕩模式影響很小。某文獻分析了大容量風電場接入電力系統后對電力系統小干擾穩定性的影響，討論了不同運行方式下風電場對系統阻尼的影響。某文獻建立了雙饋變速風電機組的小干擾穩定模型，分析了雙饋變速風電機組對電力系統小干擾穩定性的影響，通過控制系統改善系統阻尼特性，提高系統動態穩定性。某文獻提出了一種改進的槳距角控制方案，對改善系統阻尼具有較好的效果。某文獻推導了雙饋機組用于小干擾穩定分析的數學模型，針對通遼實際電網大規模風電接入，分析了風電接入后對系統振蕩模式及阻尼特性對比等，系統研究了大規模風電外送對電力系統小干擾穩定的影響。研究表明了風電場的不同運行狀態及出力水平會對系統的振蕩及阻尼特性產生影響。然而，大電網區域間或區域內部的振蕩特性和阻尼情況與電網結構、電網特性等因素有關。因此，風電場并入不同性質電網后需根據實際電網進行小干擾穩定分析。

二、云南電網需要重點研究的風電問題

目前，云南已投運了部分風力發電，根據云南電網結構特點，云南電網對風電的研究應重點考慮以下幾個方面。（1）風電并網后動態穩定分析云南西北地區水電資源豐富，但是因為大量小水電距離主網電氣距離較遠（水電匯集的終端220kV變電站距離大理500kV變電站距離很遠），有250～360km左右，容易出現弱阻尼振蕩，已經影響到整個云南電網的動態穩定水平，而且一些線路的送電能力也因為動態穩定問題而形成限制。風電并入西北電網后，將可能影響地區間的動態阻尼特性。因此，風電并網后有必要對云南電網動態穩定問題進行研究，以幫助提高云南電網動態穩定性。（2）風電并網后的局部電壓問題云南西北地區當地負荷較少，地區電網外送電力占本地負荷比例偏高，當地消納能力不強。富裕電力受到外送通道限制，造成大量中小水電送出受限，導致當地電壓過高，過電壓的情況時有發生。風電接入后，由于風電具有間歇性和隨機性，使得風電接入電網后電壓調整變得更加困難，當風能基地對電網的電力送出波動較大時，會引起全網特別是送電通道的相關節點電壓大幅度波動。（3）風電調度運營管理風速隨機性的特點導致控制風電場的出力具有較大的困難，不同的風電場其規模、風機類型和并入電網性質等均不同。目前，云南電網對已投運的風電基本沒有統一管理和控制方法，如何進行風電調度及運營管理將是電網運行不可忽視的問題，加強風電場風速預測及風電場并網對電力系統影響的研究對電網運行具有重要意義。

三、結束語

風力發電與常規能源發電具有不同的特點，這勢必會對電力系統造成負面的影響，大規模的風電場并入系統將對電網電能質量、電網穩定等方面造成影響。雖然云南電網的風電建設規模相對較小，但由于云南電網具有動態穩定、電壓問題突出等特點，因此有必要對風電并網后的動態穩定問題、局部電壓問題和風電調度運營管理等方面進行研究。

作者：程俊王艾萌胡雪峰楊強朱濤 單位：華北電力大學云南電力調度控制中心