风电并网问题探究

摘要：随着风电场的容量越来越大，对系统的影响也越来越明显，研究风电并网对系统的影响已成为重要课题，本文将就风电并网研究中的一些问题进行浅述。

关键词：智能电网； 风力发电

中图分类号：U665文献标识码： A 文章编号：

1、国内外风电发展

作为一种新型的可再生能源, 现代风力发电产业在20世纪80年代初始发于美国加利福尼亚州。风力发电具有环境友好、技术成熟、全球可行的特点, 并且具有超过20年的良好运行记录, 越来越被人们所认可。随着全球气候持续变暖, 无论是在发展中国家还是发达国家都开始大力发展风电。

1.1国外发展

20世纪初，法国出现了第一台用现代快速风轮驱动的发电机。到了20世纪30年代，各国已开始研制中型、大型风力发电机。1973年由于受到“石油危机11的冲击，许多发达国家都在探索能源多样化的途径，以解决石油资源日益枯竭的问题。

能源危机的出现使得人们对新能源技术越来越感兴趣。许多的个人和政府机构都参与到了新能源事业中。当时的美国能源部(Department of Energy)资助了许多风能项目，并向企业提供试验设备。19世纪80年代，美国联邦政府和州政府出台了关于风力发电机设备减免税的政策，刺激了美国本士风力发电事业的发展。

全球共有40多个国家使用风力发电,其中2008年各国在新增装机容量中的占有率如图1所示。

图12008年各国在风电新增装机容量中的占有率

1.2风力发电发展现状

我国幅员辽阔，海岸线长，风能资源比较丰富。根据全国900多个气象站陆地上离地10m高度资料进行估算，全国平均风功率密度为100W/m2，风能资源总储量约32.26亿kW，可开发和利用的陆地上风能储量有2.53亿kW，近海可开发和利用的风能储量有7.5亿kW，共计约10亿kW。如果陆上风电年上网电量按等效满负荷2000小时计，每年可提供5000亿千瓦时电量，海上风电年上网电量按等效满负荷2500小时计，每年可提供1.8万亿千瓦时电量，合计2.3万亿千瓦时电量。

2020年规划目标是2000～3000万千瓦，风电在电源结构中将有一定的比例，届时约占全国总发电装机10亿千瓦容量的2～3%，总电量的1～1.5%。

2020年以后随着化石燃料资源减少，成本增加，风电则具备市场竞争能力，会发展得更快。2030年以后水能资源大部分也将开发完，近海风电市场进入大规模开发时期。

2、风电并网的问题

2.1主要问题

风能由于其自身特性使得它未被人们充分利用。风能资源通常远离负荷中心，风电场的输出随着风速风向的变化而变化，风力发电的特性目前尚未完全明确，所以制约了风力发电的发展。

2.2研究

2.2.1潮流与网损

在电力系统中, 发电厂一般都接在输电网上, 负荷则直接和配电网相连, 电能是从输电网流向配电网的。输电网一般呈环状结构, 电压等级高, 网络损耗小;配电网则呈树状, 结构松散, 电压低, 网损较大。风电场接入配电网以后, 减少了输电网向该地区输送的电力, 既缓解了电网的输电压力, 一般也会降低系统的网损。

在潮流问题上, 主要的研究热点在于风电场的模型。最简单的是P-Q模型, 根据风电场的有功功率和给定的功率因数, 估算风电场吸收的无功功率,然后作为一个普通的负荷节点加入潮流程序。如果考虑感应电机的稳态等值电路, 那么可以把无功功率写成有功功率以及电机阻抗的函数, 甚至可以引入风速作为输入量, 把有功功率表示成风速的函数。还有人建立了所谓的R-X模型, 把感应电机的滑差表示成端电压、有功功率和等值支路阻抗的函数,给定初始滑差和风速, 计算风机的电功率和机械功率, 根据两者的差值修正滑差, 反复迭代, 直至收敛。P-Q模型不需要额外的迭代步骤, 也可以得到相当满意的结果, 而R-X模型的计算量较大。

2.2.2电能质量

风力发电机组大多采用软并网方式, 但是在启动时仍然会产生较大的冲击电流。当风速超过切出风速时, 风机会从额定出力状态自动退出运行。如果整个风电场所有风机几乎同时动作, 这种冲击对配电网的影响十分明显。不但如此, 风速的变化和风机的塔影效应都会导致风机出力的波动, 而其波动正好处在能够产生电压闪变的频率范围之内(低于25 Hz) , 因此, 风机在正常运行时也会给电网带来闪变问题。

2.2.3发电计划与调度

传统的发电计划基于电源的可靠性以及负荷的可预测性, 以这两点为基础, 发电计划的制定和实施有了可靠的保证。但是, 如果系统内含有风电场, 因为风电场出力的预测水平还达不到工程实用的程度, 发电计划的制定变得困难起来。如果把风电场看做负的负荷, 不具有可预测性;如果把它看做电源,可靠性没有保证。

风力发电并网以后, 如果电力系统的运行方式不相应地做出调整和优化, 系统的动态响应能力将不足以跟踪风电功率的大幅度、高频率的波动, 系统的电能质量和动态稳定性将受到显著影响, 这些因素反过来会限制系统准入的风电功率水平, 因此有必要对电力系统传统的运行方式和控制手段做出适当的改进和调整, 研究随机的发电计划算法和AGC算法, 以便正确考虑风电的随机性和间歇性特性。有文献的研究表明, 旋转备用的容量和类型对系统的可靠性、安全性指标的影响都是至关重要的。燃气轮机组和柴油机组反应速度快, 很适合作为旋转备用机组配合风电场的运行, 但是其燃料费用昂贵, 这种方案明显提高了系统正常的运行成本, 风电的价值也因此大打折扣。有人研究了较高水平的风电穿透功率对系统的发电计划、经济调度、调频和调峰等控制手段的影响, 讨论了修改发电计划的方法、成本及修改发电计划可能带来的收益。提出一种梯度穿透功率约束的概念,其实质是限制风电功率的变化率, 防止水火电机组频繁调整出力, 增加运行及维护成本。还有文献提出对风电并网以后的系统发电计划进行优化的算法,该算法基于对风速和负荷的预测。实践表明: 对风柴混合电力系统的运行计划进行优化以后, 能够避免频繁启动和调整柴油机组, 有效防止柴油机组过度疲劳, 减少了维护成本和运行成本。

3、风电并网问题的动态

目前变速风机将逐渐取代恒速风机, 以达到最大限度地提高风能的利用效率。而使用变速风机有几种方案可供选择: 采用通过电力电子装置与电网相连的同步电机, 如果进一步采用多极同步电机, 甚至有可能取消风机上常用的变速齿轮箱, 减少风机的故障率;或者采用双馈感应电机, 实现风机以最佳叶尖比运行, 比变桨距控制的实现更简单、更经济。

由于电力电子元件的性能价格比不断提高, 以IGBT为代表的新型电力电子器件的最大功率已经达到MVA级, 开关频率达到10kHz, 脉宽调制技术(PWM)的采用有效地抑制了电力电子器件容易带来的谐波。如果把这些技术用于同步电机与电网的接口, 可以屏蔽掉风机固有的随机特性对电网的影响, 提高捕获风能的效率, 较少对桨叶和驱动轴的应力损伤, 降低空气动力噪声水平, 改进风机运行的灵活性。同样, 电力电子器件性能价格比的不断提高为双馈电机在风电领域的应用提供了可能。普通的感应电机转子回路是短路的, 转子电压为0, 双馈电机是在感应电机的转子回路中加入一个可控电压源, 通过改变其电压幅值或相角, 实现对风机速度和功率因数的控制。在风速变化及风机端电压变化的情况下, 保证风机的稳定高效运行。当然, 这种控制策略并不局限于感应电机和采用电压源, 在同步电机上也可以实现这种控制, 根据控制算法的不同, 也可以采用电流源。仿真表明, 只要对风力发电机组进行适当的改进, 它同样可以承担有功及无功电压调节的任务, 在系统中起到常规发电机组的作用, 这也是风电发展到一定规模以后的必然要求。

4、结束语

随着风电的高速发展，对风电并网的研究会越来越重要。建议通过硬件建设，改进电网负荷平衡能力；通过软件建设，提高电网的调度能力和水平；制订严格的风电入网标准，促进风机制造技术的进步；提高风电短期预测技术能力和水平。

参考文献:

与风电并网相关的研究课题雷亚洲电力系统自动化2003 年4月