風(fēng)電并網(wǎng)相關(guān)問題的研究

②諧波污染

風(fēng)電給系統(tǒng)帶來諧波的途徑主要有兩種。一種是風(fēng)機(jī)本身配備的電力電子裝置, 可能帶來諧波問題。對(duì)于直接和電網(wǎng)相連的恒速風(fēng)機(jī), 軟啟動(dòng)階段要通過電力電子裝置與電網(wǎng)相連, 因此會(huì)產(chǎn)生一定的諧波, 不過因?yàn)檫^程很短, 發(fā)生的次數(shù)也不多,通常可以忽略。但是對(duì)于變速風(fēng)機(jī)則不然, 因?yàn)樽兯亠L(fēng)機(jī)通過整流和逆變裝置接入系統(tǒng), 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(nèi), 則會(huì)產(chǎn)生很嚴(yán)重的諧波問題, 不過隨著電力電子器件的不斷改進(jìn), 這個(gè)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(shí)際運(yùn)行中, 曾經(jīng)觀測(cè)到在風(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。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。

(3)穩(wěn)定性

①無功和電壓?jiǎn)栴}

大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)時(shí)風(fēng)電場(chǎng)對(duì)無功功率的消耗是導(dǎo)致電網(wǎng)產(chǎn)生電壓?jiǎn)栴}的主要原因。如果電網(wǎng)不能滿足風(fēng)電場(chǎng)的無功需求，就會(huì)產(chǎn)生電壓?jiǎn)栴}，這也是限制風(fēng)電場(chǎng)容量繼續(xù)增長(zhǎng)的一個(gè)重要因素。

風(fēng)電場(chǎng)所采用的風(fēng)機(jī)類型不同對(duì)于電壓穩(wěn)定性的影響有很大的區(qū)別。其中對(duì)電網(wǎng)電壓最為不利的是采用基于普通異步機(jī)的恒速風(fēng)電機(jī)組。這類機(jī)組不具有電壓控制能力，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行消耗大量無功功率，在系統(tǒng)發(fā)生故障后的電壓恢復(fù)期間消耗的無功功率更大，導(dǎo)致地區(qū)電網(wǎng)出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)電壓穩(wěn)定性問題。

對(duì)風(fēng)電來講，長(zhǎng)期電壓穩(wěn)定非常重要，因?yàn)橐话泔L(fēng)電接入弱系統(tǒng)，并且風(fēng)電場(chǎng)需要大量無功功率。風(fēng)電場(chǎng)無功電壓特性可以用P-V曲線和Q-V曲線進(jìn)行分析。一般在風(fēng)電場(chǎng)安裝可分組投切的電容器或電抗器來調(diào)節(jié)風(fēng)電場(chǎng)的無功功率，提高電壓穩(wěn)定性。在風(fēng)電比較集中的地區(qū)，為了提高風(fēng)電場(chǎng)電壓穩(wěn)定性，可以考慮安裝SVC或STATCOM。

②暫態(tài)穩(wěn)定性問題

電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的必要條件是所有發(fā)電機(jī)保持同步，電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析就是分析遭受大干擾后系統(tǒng)中各發(fā)電機(jī)維持同步運(yùn)行的能力。嚴(yán)格來講定速風(fēng)電機(jī)組和雙饋?zhàn)兯亠L(fēng)電機(jī)組本身不存在暫態(tài)穩(wěn)定性問題，但是對(duì)于有大量風(fēng)電的系統(tǒng)，因?yàn)榇罅啃T量的風(fēng)電機(jī)組代替了常規(guī)機(jī)組，系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性也發(fā)生了一些變化。有大量文獻(xiàn)對(duì)風(fēng)電機(jī)組的模型進(jìn)行了研究，表明定速風(fēng)電機(jī)組對(duì)系統(tǒng)的功率震蕩有一定的阻尼作用，而變速風(fēng)電機(jī)組因?yàn)樽兞髌鞯淖饔?，風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率解耦，阻尼作用被減弱了。另外，系統(tǒng)故障時(shí)，風(fēng)電機(jī)組可能因?yàn)殡妷涸较藁蜣D(zhuǎn)速越限導(dǎo)致保護(hù)動(dòng)作而跳閘，這就是說，系統(tǒng)可能遭受失去大量風(fēng)電功率的第二次沖擊。對(duì)此有人提到了用SVC和STATCOM來提高風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力(LVRT)，防止機(jī)組跳閘，還有用槳距角調(diào)節(jié)來提高風(fēng)電場(chǎng)的低電壓穿越能力，以及通過改變轉(zhuǎn)子回路勵(lì)磁方式來實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的功能。

③頻率穩(wěn)定問題

頻率穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)維持系統(tǒng)頻率于某一規(guī)定的運(yùn)行極限內(nèi)的能力。大量風(fēng)電功率的波動(dòng)增加了系統(tǒng)調(diào)頻的難度，而系統(tǒng)頻率的變化又會(huì)影響風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。各國(guó)風(fēng)電接入系統(tǒng)導(dǎo)則都要求風(fēng)電機(jī)組能夠在一定的頻率范圍內(nèi)正常運(yùn)行，頻率超過一定范圍后限制出力運(yùn)行或延遲一定時(shí)間后退出運(yùn)行，以維護(hù)系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定。愛爾蘭國(guó)家電網(wǎng)公司要求風(fēng)電場(chǎng)通過控制輸出功率的3%~5%參與系統(tǒng)的頻率調(diào)整，其它并網(wǎng)導(dǎo)則也要求風(fēng)電場(chǎng)參與系統(tǒng)的二次調(diào)頻。當(dāng)系統(tǒng)頻率過高時(shí)，可以通過控制系統(tǒng)使部分風(fēng)電機(jī)組停機(jī)或通過槳距角控制減少風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率。在正常情況下限制風(fēng)電場(chǎng)的出力，可保證在系統(tǒng)頻率降低時(shí)調(diào)高風(fēng)電場(chǎng)的出力，讓風(fēng)電功率參與系統(tǒng)二次調(diào)頻。

(4) 發(fā)電計(jì)劃與調(diào)度

傳統(tǒng)的發(fā)電計(jì)劃基于電源的可靠性以及負(fù)荷的可預(yù)測(cè)性, 以這兩點(diǎn)為基礎(chǔ), 發(fā)電計(jì)劃的制定和實(shí)施有了可靠的保證。但是, 如果系統(tǒng)內(nèi)含有風(fēng)電場(chǎng), 因?yàn)轱L(fēng)電場(chǎng)出力的預(yù)測(cè)水平還達(dá)不到工程實(shí)用的程度, 發(fā)電計(jì)劃的制定變得困難起來。如果把風(fēng)電場(chǎng)看做負(fù)的負(fù)荷, 不具有可預(yù)測(cè)性;如果把它看做電源,可靠性沒有保證。

風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)以后, 如果電力系統(tǒng)的運(yùn)行方式不相應(yīng)地做出調(diào)整和優(yōu)化, 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力將不足以跟蹤風(fēng)電功率的大幅度、高頻率的波動(dòng), 系統(tǒng)的電能質(zhì)量和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性將受到顯著影響, 這些因素反過來會(huì)限制系統(tǒng)準(zhǔn)入的風(fēng)電功率水平, 因此有必要對(duì)電力系統(tǒng)傳統(tǒng)的運(yùn)行方式和控制手段做出適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)和調(diào)整, 研究隨機(jī)的發(fā)電計(jì)劃算法和AGC算法, 以便正確考慮風(fēng)電的隨機(jī)性和間歇性特性。有文獻(xiàn)的研究表明, 旋轉(zhuǎn)備用的容量和類型對(duì)系統(tǒng)的可靠性、安全性指標(biāo)的影響都是至關(guān)重要的。燃?xì)廨啓C(jī)組和柴油機(jī)組反應(yīng)速度快, 很適合作為旋轉(zhuǎn)備用機(jī)組配合風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行, 但是其燃料費(fèi)用昂貴, 這種方案明顯提高了系統(tǒng)正常的運(yùn)行成本, 風(fēng)電的價(jià)值也因此大打折扣。有人研究了較高水平的風(fēng)電穿透功率對(duì)系統(tǒng)的發(fā)電計(jì)劃、經(jīng)濟(jì)調(diào)度、調(diào)頻和調(diào)峰等控制手段的影響, 討論了修改發(fā)電計(jì)劃的方法、成本及修改發(fā)電計(jì)劃可能帶來的收益。提出一種梯度穿透功率約束的概念,其實(shí)質(zhì)是限制風(fēng)電功率的變化率, 防止水火電機(jī)組頻繁調(diào)整出力, 增加運(yùn)行及維護(hù)成本。還有文獻(xiàn)提出對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)以后的系統(tǒng)發(fā)電計(jì)劃進(jìn)行優(yōu)化的算法,該算法基于對(duì)風(fēng)速和負(fù)荷的預(yù)測(cè)。實(shí)踐表明: 對(duì)風(fēng)柴混合電力系統(tǒng)的運(yùn)行計(jì)劃進(jìn)行優(yōu)化以后, 能夠避免頻繁啟動(dòng)和調(diào)整柴油機(jī)組, 有效防止柴油機(jī)組過度疲勞, 減少了維護(hù)成本和運(yùn)行成本。

(5) 容量可信度

發(fā)電容量的價(jià)值往往體現(xiàn)在負(fù)荷高峰期, 由于風(fēng)電場(chǎng)無法保證可靠的出力, 一度被認(rèn)為只能提供能源, 不能提供有效的發(fā)電容量。風(fēng)電的容量可信度有兩種評(píng)價(jià)方法: 一種是計(jì)算含風(fēng)電系統(tǒng)的可靠性指標(biāo), 在保證系統(tǒng)可靠性不變的前提下, 風(fēng)電能夠替代的常規(guī)發(fā)電機(jī)組容量即為其容量可信度, 這種方法適合于系統(tǒng)的規(guī)劃階段;另一種方法是時(shí)間序列仿真, 選擇合適的時(shí)間段作為研究對(duì)象, 通過計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)的容量系數(shù)(風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際出力與理論發(fā)電量的比值)來估算容量可信度, 在負(fù)荷高峰時(shí)段, 可以認(rèn)為容量系數(shù)等于容量可信度, 該方法適用于為系統(tǒng)的運(yùn)行提供決策支持。要評(píng)價(jià)風(fēng)電對(duì)系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)的影響, 首先要知道風(fēng)電場(chǎng)所在地的氣象信息, 獲得風(fēng)資源數(shù)據(jù);了解風(fēng)機(jī)的技術(shù)參數(shù), 根據(jù)風(fēng)速計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)出力;最后根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)出力與負(fù)荷的相關(guān)性, 計(jì)算供電可靠性等指標(biāo), 也可以計(jì)算節(jié)省的發(fā)電成本等。蒙特卡洛仿真技術(shù)是可靠性分析中常用的計(jì)算方法。

三:風(fēng)電并網(wǎng)問題的新動(dòng)態(tài)

目前變速風(fēng)機(jī)將逐漸取代恒速風(fēng)機(jī), 以達(dá)到最大限度地提高風(fēng)能的利用效率。而使用變速風(fēng)機(jī)有幾種方案可供選擇: 采用通過電力電子裝置與電網(wǎng)相連的同步電機(jī), 如果進(jìn)一步采用多極同步電機(jī), 甚至有可能取消風(fēng)機(jī)上常用的變速齒輪箱, 減少風(fēng)機(jī)的故障率;或者采用雙饋感應(yīng)電機(jī), 實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)以最佳葉尖比運(yùn)行, 比變槳距控制的實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單、更經(jīng)濟(jì)。

由于電力電子元件的性能價(jià)格比不斷提高, 以IGBT為代表的新型電力電子器件的最大功率已經(jīng)達(dá)到MVA級(jí), 開關(guān)頻率達(dá)到10kHz, 脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)的采用有效地抑制了電力電子器件容易帶來的諧波。如果把這些技術(shù)用于同步電機(jī)與電網(wǎng)的接口, 可以屏蔽掉風(fēng)機(jī)固有的隨機(jī)特性對(duì)電網(wǎng)的影響, 提高捕獲風(fēng)能的效率, 較少對(duì)槳葉和驅(qū)動(dòng)軸的應(yīng)力損傷, 降低空氣動(dòng)力噪聲水平, 改進(jìn)風(fēng)機(jī)運(yùn)行的靈活性。同樣, 電力電子器件性能價(jià)格比的不斷提高為雙饋電機(jī)在風(fēng)電領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可能。普通的感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路是短路的, 轉(zhuǎn)子電壓為0, 雙饋電機(jī)是在感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子回路中加入一個(gè)可控電壓源, 通過改變其電壓幅值或相角, 實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)速度和功率因數(shù)的控制。在風(fēng)速變化及風(fēng)機(jī)端電壓變化的情況下, 保證風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定高效運(yùn)行。當(dāng)然, 這種控制策略并不局限于感應(yīng)電機(jī)和采用電壓源, 在同步電機(jī)上也可以實(shí)現(xiàn)這種控制, 根據(jù)控制算法的不同, 也可以采用電流源。仿真表明, 只要對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn), 它同樣可以承擔(dān)有功及無功電壓調(diào)節(jié)的任務(wù), 在系統(tǒng)中起到常規(guī)發(fā)電機(jī)組的作用, 這也是風(fēng)電發(fā)展到一定規(guī)模以后的必然要求。

四：結(jié)論

以前風(fēng)電場(chǎng)的主要特點(diǎn)是采用感應(yīng)發(fā)電機(jī), 裝機(jī)規(guī)模較小, 與配電網(wǎng)直接相連, 對(duì)系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)為電能質(zhì)量。現(xiàn)在隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展, 大量新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開始投入運(yùn)行, 風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)達(dá)到可以和常規(guī)機(jī)組相比的規(guī)模, 直接接入輸電網(wǎng), 與風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)有關(guān)的電壓及無功控制、有功調(diào)度及穩(wěn)定性的問題越來越受到人們的關(guān)注。而對(duì)于風(fēng)電并網(wǎng)的很多問題還沒有好的解決方法，這些問題的解決將是風(fēng)力發(fā)電未來發(fā)展的關(guān)鍵。