風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)影響淺析

風(fēng)電場(chǎng)出力的主要特點(diǎn)是隨機性、間歇性及不可控性，主要隨風(fēng)俗變化。因此，風(fēng)電并網(wǎng)運行給電網(wǎng)帶來(lái)諸多不利影響。隨著(zhù)風(fēng)電場(chǎng)的容量越來(lái)越大，對系統的影響也越來(lái)越明顯，研究風(fēng)電并網(wǎng)對系統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(wèn)題進(jìn)行淺述。

1、風(fēng)力發(fā)電機主要形式

分析風(fēng)電并網(wǎng)的影響，首先要考慮風(fēng)力發(fā)電機類(lèi)型的不同。不同風(fēng)電機組工作原理、數學(xué)模型都不相同，因此，分析方法也有差異。目前國內風(fēng)電場(chǎng)選用機組主要有3種：

1.1異步風(fēng)力發(fā)電機

目前是我國主力機型，國內已運行風(fēng)電場(chǎng)大部分機組是異步風(fēng)力發(fā)電機。主要特點(diǎn)是結構簡(jiǎn)單，運行可靠，此種發(fā)電機為定速恒頻機組，運行中轉速基本不變，風(fēng)力發(fā)電機組運行在風(fēng)能轉換最佳狀態(tài)下的機率比較小，因而，發(fā)電能力比新型機組低。同時(shí)，運行中需要從電力系統中吸收無(wú)功功率。為滿(mǎn)足電網(wǎng)對風(fēng)電場(chǎng)功率因素的要求，采用在機端并聯(lián)補償電容器的方法，其補償策略是異步發(fā)電機配有若干組固定容量電容器。由于風(fēng)速大小隨機變化，驅動(dòng)異步發(fā)電機的風(fēng)機不可能經(jīng)常在額定風(fēng)速下運轉。

1.2雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機

兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機普遍采用雙饋異步發(fā)電機形式，是目前世界主力機型，該機型稱(chēng)為變速恒頻發(fā)電系統。由于風(fēng)力機變速運行，其運行速度能在一個(gè)較寬的范圍內調節，使風(fēng)機風(fēng)能利用系數Cp得到優(yōu)化，獲得高的系統效率；可以實(shí)現發(fā)電機較平滑的電功率輸出；與電網(wǎng)連接簡(jiǎn)單，發(fā)電機本身不需要另外附加的無(wú)功補償設備，可實(shí)現功率因素一定范圍內的調節，例如從0.95領(lǐng)先到0.95滯后范圍內，因而具有調節無(wú)功功率出力的能力。

1.3直驅式交流永磁同步發(fā)電機

從大型風(fēng)電機組實(shí)際運行經(jīng)驗中，齒輪箱是故障率較高部件。采用無(wú)齒輪箱結構則避免了這種故障的出現，可以大大提高風(fēng)電機組的可利用率、可靠性，降低風(fēng)電機組載荷，提高風(fēng)力機組壽命。該機組采用直接驅動(dòng)永磁式同步發(fā)電機，全部功率經(jīng)A-D-A變換，接入電力系統并網(wǎng)運行。與其他機型比較，需考慮諧波治理問(wèn)題。

2、風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)影響分析方法

由于風(fēng)速變化是隨機的，因此風(fēng)電場(chǎng)出力也是隨機的，風(fēng)電本身這種特點(diǎn)使其容量可信度低，給電網(wǎng)有功、無(wú)功平衡調度帶來(lái)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(wèn)題，例如電壓波動(dòng)和閃變、頻率偏差，諧波問(wèn)題等。更重要的是，需分析穩定性問(wèn)題，系統靜態(tài)穩定、動(dòng)態(tài)穩定、暫態(tài)穩定、電壓穩定等。當然，相同裝機容量的風(fēng)電場(chǎng)在不同接入點(diǎn)對電網(wǎng)的影響是不同的，在短路容量大的接入點(diǎn)對系統影響小，反之，影響大。

定量分析風(fēng)電場(chǎng)對電網(wǎng)運行的影響，要從穩態(tài)和動(dòng)態(tài)兩方面進(jìn)行分析。

穩態(tài)分析，就是對含風(fēng)電場(chǎng)的電力系統進(jìn)行潮流計算。在穩態(tài)潮流分析中，風(fēng)電場(chǎng)高壓母線(xiàn)不能簡(jiǎn)單視為PQ節點(diǎn)或PU節點(diǎn)。

含風(fēng)電場(chǎng)電力系統對平衡節點(diǎn)的有功、無(wú)功平衡能力提出更高要求，要分析含風(fēng)電場(chǎng)電網(wǎng)在電網(wǎng)大、小運行方式下，是否滿(mǎn)足系統的安全穩定運行的各種約束。

動(dòng)態(tài)分析過(guò)程，一般采用仿真的方法，要考慮異步發(fā)動(dòng)機、雙饋異步發(fā)動(dòng)機等不同發(fā)電機的模型以及風(fēng)速、風(fēng)機、槳距調節等環(huán)節，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(chǎng)無(wú)功問(wèn)題。風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功消耗包括：異步發(fā)動(dòng)機消耗；風(fēng)機出口出口升壓變壓器；風(fēng)電場(chǎng)升壓站主變壓器消耗等，如有必要，可采用動(dòng)態(tài)電壓控制設備。

目前風(fēng)電的容量可信度常用的有兩種評價(jià)方法：一種是計算含風(fēng)電系統的可靠性指標，在保證系統可靠性不變的前提下，風(fēng)電能夠替代的常規發(fā)電機組容量即為其容量可信度，這種方法適合于系統的規劃階段；一種方法是時(shí)間序列仿真，選擇合適的時(shí)間段作為研究對象，通過(guò)計算風(fēng)電場(chǎng)的容量系數(風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際出力與理論發(fā)電量的比值)來(lái)估算容量可信度，在負荷高峰時(shí)段，可以認為容量系數等于容量可信度，該方法適用于為系統的運行提供決策支持。

3、風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)影響

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

3.1電壓閃變

風(fēng)力發(fā)電機組大多采用軟并網(wǎng)方式，但是在啟動(dòng)時(shí)仍然會(huì )產(chǎn)生較大的沖擊電流。當風(fēng)速超過(guò)切出風(fēng)速時(shí)，風(fēng)機會(huì )從額定出力狀態(tài)自動(dòng)退出運行。如果整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)所有風(fēng)機幾乎同時(shí)動(dòng)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)機的塔影效應都會(huì )導致風(fēng)機出力的波動(dòng)，而其波動(dòng)正好處在能夠產(chǎn)生電壓閃變的頻率范圍之內(低于25Hz)，因此，風(fēng)機在正常運行時(shí)也會(huì )給電網(wǎng)帶來(lái)閃變問(wèn)題，影響電能質(zhì)量。已有的研究成果表明，閃變對并網(wǎng)點(diǎn)的短路電流水平和電網(wǎng)的阻抗比(也有說(shuō)是阻抗角)十分敏感。

3.2諧波污染

風(fēng)電給系統帶來(lái)諧波的途徑主要有兩種：一種是風(fēng)力發(fā)電機本身配備的電力電子裝置，可能帶來(lái)諧波問(wèn)題。對于直接和電網(wǎng)相連的恒速風(fēng)力發(fā)電機，軟啟動(dòng)階段要通過(guò)電力電子裝置與電網(wǎng)相連，因此會(huì )產(chǎn)生一定的諧波，不過(guò)因為過(guò)程很短，發(fā)生的次數也不多，通?？梢院雎?。但是對于變速風(fēng)力發(fā)電機則不然，因為變速風(fēng)力發(fā)電機通過(guò)整流和逆變裝置接入系統，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，則會(huì )產(chǎn)生很?chē)乐氐闹C波問(wèn)題，不過(guò)隨著(zhù)電力電子器件的不斷改進(jìn)，這一問(wèn)題也在逐步得到解決。另一種是風(fēng)力發(fā)電機的并聯(lián)補償電容器可能和線(xiàn)路電抗發(fā)生諧振，在實(shí)際運行中，曾經(jīng)觀(guān)測到在風(fēng)電場(chǎng)出口變壓器的低壓側產(chǎn)生大量諧波的現象。與電壓閃變問(wèn)題相比，風(fēng)電并網(wǎng)帶來(lái)的諧波問(wèn)題不是很?chē)乐亍?/p>

3.3電壓穩定性

大型風(fēng)電場(chǎng)及其周?chē)貐^，常常會(huì )有電壓波動(dòng)大的情況。主要是因為以下三種情況。風(fēng)力發(fā)電機組啟動(dòng)時(shí)仍然會(huì )產(chǎn)生較大的沖擊電流。單臺風(fēng)力發(fā)電機組并網(wǎng)對電網(wǎng)電壓的沖擊相對較小，但并網(wǎng)過(guò)程至少持續一段時(shí)間后（約為幾十秒）才基本消失，多臺風(fēng)力發(fā)電機組同時(shí)直接并網(wǎng)會(huì )造成電網(wǎng)電壓驟降。因此多臺風(fēng)力發(fā)電機組的并網(wǎng)需分組進(jìn)行，且要有一定的間隔時(shí)間。當風(fēng)速超過(guò)切出風(fēng)速或發(fā)生故障時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機會(huì )從額定出力狀態(tài)自動(dòng)退出并網(wǎng)狀態(tài)，風(fēng)力發(fā)電機組的脫網(wǎng)會(huì )產(chǎn)生電網(wǎng)電壓的突降，而機端較多的電容補償由于抬高了脫網(wǎng)前風(fēng)電場(chǎng)的運行電壓，從而引起了更大的電網(wǎng)電壓的下降。

風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速條件變化也將引起風(fēng)電場(chǎng)及其附近的電壓波動(dòng)。比如當風(fēng)場(chǎng)平均風(fēng)速加大，輸入系統的有功功率增加，風(fēng)電場(chǎng)母線(xiàn)電壓開(kāi)始有所降低，然后升高。這是因為當風(fēng)場(chǎng)輸入功率較小時(shí)，輸入有功功率引起的電壓升數值小，而吸收無(wú)功功率引起的電壓降大；當風(fēng)場(chǎng)輸入功率增大時(shí)，輸入有功引起的電壓升數值增加較大，而吸收無(wú)功功率引起的電壓降增加較小。如果考慮機端電容補償，則風(fēng)電場(chǎng)的電壓增加。特別的，當風(fēng)電場(chǎng)與系統間等值阻抗較大時(shí)，由于風(fēng)速變動(dòng)引起的電壓波動(dòng)現象更為明顯。研究發(fā)現，使用電力電子轉換裝置的風(fēng)力發(fā)電機，能夠減少電壓波動(dòng)，比如并網(wǎng)時(shí)風(fēng)電場(chǎng)機端若能提供瞬時(shí)無(wú)功，則啟動(dòng)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)電機作為風(fēng)力發(fā)電機，除非采取必要的預防措施，如動(dòng)態(tài)無(wú)功補償、加固網(wǎng)絡(luò )或者采用HVDC連接，否則當網(wǎng)絡(luò )中某處發(fā)生三相接地故障時(shí)，將有可能導致全網(wǎng)的電壓崩潰。

3.4無(wú)功控制、有功調度

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

1）可以實(shí)現對無(wú)功功率的控制--雙饋發(fā)電機在實(shí)現電壓控制的同時(shí)還可以從電網(wǎng)中吸收無(wú)功功率或是為電網(wǎng)提供無(wú)功補償。

2）可以通過(guò)對轉子勵磁電流的獨立控制實(shí)現了有功和無(wú)功功率的解耦控制。具體原理是，雙饋發(fā)電機在轉子側的變頻器通過(guò)轉子電流d軸分量實(shí)現對轉子轉速和力矩的控制，無(wú)功和勵磁則是通過(guò)轉子電流的q軸分量來(lái)控制的。同時(shí)，電網(wǎng)側的變頻器也以類(lèi)似的方式工作，d軸分量通過(guò)直流電壓媒介電路控制有功功率，實(shí)現轉子側與電網(wǎng)側變頻器之間的有功交換。

3、結語(yǔ)

隨著(zhù)風(fēng)電的高速發(fā)展，對風(fēng)電并網(wǎng)的研究會(huì )越來(lái)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(chǎng)規劃、風(fēng)力發(fā)電機和風(fēng)電場(chǎng)模型的模擬軟件、風(fēng)電場(chǎng)輸出預測等。

建議通過(guò)硬件建設，改進(jìn)電網(wǎng)負荷平衡能力；通過(guò)軟件建設，提高電網(wǎng)的調度能力和水平；制訂嚴格的風(fēng)電入網(wǎng)標準，促進(jìn)風(fēng)機制造技術(shù)的進(jìn)步；提高風(fēng)電短期預測技術(shù)能力和水平。