如何理解規(guī)模風電并網的問題

標簽：并網 風電 智能電網 風電場

風電場的輸出是由風速決定的，由于風速的不可控性，風電具有不確定性和易變性的特點。另外，目前風機的允許工作電壓多為0.9～1.1 P.u.，在此范圍之外時，風機會因保護動作而跳機，從而造成電網系統(tǒng)失去風電。如果不采用合理的并網技術，當風電接人到弱電網時或電網接入較高比例的風電時，會對電網穩(wěn)態(tài)運行時的無功功率、有功功率、系統(tǒng)電壓的控制和動態(tài)穩(wěn)定性產生不利的影響。

1 風電并網需考慮的因素

風電并網需考慮的因素有：① 風電場無功容量;② 風電場并網點調節(jié)方式(功率因數(shù)調節(jié)或電壓調節(jié));③ 系統(tǒng)故障時風電場保持并網的能力;④ 有功功率變化率和減出力。

從并網方面開展上述分析的目的在于：① 評估風電場在不同的運行條件、控制方式和故障方式下，風電場對電網的影響;② 識別風電對當?shù)仉娋W引起的潛在問題;③ 識別可能引起風電場可靠運行的潛在問題;④ 使電網可有效地接納風電，在滿足電網安全運行要求下將風電輸送到電網。

在風資源豐富的地區(qū)，會有許多風場接入同一輸電系統(tǒng)。而常見的電網故障會導致風場并網點的電壓跌落，從而導致常規(guī)的風機跳機。當風電比例較高時或者某地區(qū)風電特別集巾時，會導致系統(tǒng)在故障(緊急)條件下失去大量有功功率和無功功率，由單一故障發(fā)展為多重故障(線路跳閘，電廠跳閘)，給電網的調度和運行帶來困難，極大地影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 風電場電壓調節(jié)

雙饋感應電機(DFIG)是目前廣泛應用的風電機組。由于有變頻器，這種風電機組的特點是它本身具有發(fā)出和吸收無功功率的能力。在這種控制方式下，由于風電場的有功功率是隨風速而變化的，并網點的功率岡數(shù)和電壓都無法保持恒定，會隨著風電場有功功率的變化而變化。因此需要配置相應的無功設備才能將并網點的功率因數(shù)保持恒定或將電壓調節(jié)到一定范圍內。

更為理想的調節(jié)方式是利用風機的無功容量，根據(jù)風場并網處的電壓調節(jié)目標來確定當前運行工況下所需要的無功功率，相應地控制風場內各臺風電機組發(fā)出或吸收的無功功率，從而達到控制并網點電壓的目標。雙饋感應電機的變頻器無功功率調節(jié)響應速度快，調節(jié)性能平滑。隨著風速的變化，它可實時根據(jù)并網點無功或電壓的調節(jié)目標來控制風場內各風電機組發(fā)出或吸收的無功功率。此外這種方式對于系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性也有良好的支持作用。當系統(tǒng)有故障時，它能夠在快速向系統(tǒng)注入無功功率(超過風機無功功率的穩(wěn)態(tài)額定值)以支持系統(tǒng)電壓，從而提高系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性。

3 風電場有功功率的控制

風電作為可再生能源，在保證系統(tǒng)安全運行的條件下，電網應優(yōu)先接受風電場所能夠發(fā)出的電能。但是南于風速的易變性和不確定性，在有些情況(陣風)下，風速快速變化時，會導致某一地區(qū)的風電在短時產生很大的變化，這對電網的穩(wěn)定運行和調度是非常不利的，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和電能質量都會受到影響。因此有必要限制風電場的有功功率變化率，以利于電網的調度和穩(wěn)定運行。我國的并網規(guī)范也對風電場的有功功率變化率有一定的要求。

當前先進的風電機組控制技術可快速精確地控制風機槳距角，從而快速地控制風電機組發(fā)出的有功功率。這就使得風電場可以根據(jù)電網調度和運行的要求，設定其有功功率變化率的最大值，在風電場運行過程中控制各臺風電機組的槳距角(有功功率)，從而使得整個風電場的有功功率變化率在規(guī)定的范圍內。由于只是在短時間內限制了風場功率的最大變化率，這對于其發(fā)出的電量沒有明顯影響。圖3為某風電場運行中的有功功率和有功變化率曲線，可見有功功率變化率被限制在設定的3 MW/min以內。

此外，當電網接入了大量風電時，在系統(tǒng)的某些極端情況下，如果風電能夠參與系統(tǒng)的調頻，會對電網的穩(wěn)定運行有很好的作用。當前，風電機組槳距角快速控制技術使得風電場參與系統(tǒng)的調頻成為可能。例如：在系統(tǒng)過頻時，可快速降低風電的出力來參與系統(tǒng)的調頻。當系統(tǒng)頻率恢復后，再將風電恢復到正常運行時的狀態(tài)，某風電場在系統(tǒng)頻率過高時的響應如圖4所示。由于減出力的時間很短，風電的電量損失是很小的。

4 低電壓穿越

低電壓穿越是指在系統(tǒng)電壓跌落時風電機組保持與電網并網的能力。電網在運行中的擾動(雷擊，設備故障等)時有發(fā)生。此時，電源保持與電網的連接對于電網的穩(wěn)定性是至關重要的。英國電網發(fā)生故障時，大于50% 的地區(qū)電壓低于80% 額定電壓，這意味著風電機組如果沒有低電壓穿越能力，這些地區(qū)接人的風電場在系統(tǒng)故障時會與系統(tǒng)解列。我國當前在運行的風電機組尚不具備低電壓穿越能力，在其電壓低于最低運行電壓時會岡保護而切機。在風電比例較高的地區(qū)，當電網發(fā)生故障時，大量的風電機組會因電壓跌落而跳機，引起系統(tǒng)所需的有功功率和無功功率不足，從而導致擾動

后系統(tǒng)的穩(wěn)定性更差，可能使單一故障發(fā)展為多重故障，并有導致系統(tǒng)崩潰的風險。因而，在電網故障時保持風電場的并網能力對于維持電網的穩(wěn)定性具有重要意義。這已經被越來越普遍地認識和接受。許多國家如德國，丹麥、英國、美國、加拿大等，已經實施或正在修定的并網標準都規(guī)定了風電場在電網故障時應具備保持并網的能力。為了滿足系統(tǒng)對穩(wěn)定性的要求，美國聯(lián)邦能源監(jiān)管委員會對于風電機組低電壓穿越性能的最低要求是并網點電壓為15% 額定值時風場至少維持并網625 ms(FERC ODER 66 1)?，F(xiàn)在正考慮提高標準，要求風電機組在系統(tǒng)三相故障時在正常的故障清除時間內(4～9周期)保持并網，在系統(tǒng)單相接地故障時在延時的故障清除時間也能保持并網。

風電機組的低電壓穿越能力使得風電廠具有更高的可用率和可靠性，使得電網的動態(tài)穩(wěn)定性不會由于風電的接人受到削弱，使得電網可接納更高比例的風電，減少系統(tǒng)對接人風電所需的旋轉備用容量。

5 風電場整體的控制

在風電發(fā)展的早期階段，應用的多是定漿失速型風機，運行時為了風機的安全，將其機端電壓控制在允許的范圍即可。但是隨著風電場容量的增大，以及接人電網中的風電比例的增高，尤其像我國會在某些地區(qū)接入幾十萬千瓦甚至幾百萬千瓦的風電，這種方式無法滿足電網和風電場穩(wěn)定運行的需求。并網技術是電網能否有效接納高比例風電的關鍵之一。解決的辦法在于要轉變風電等于風機的觀念，應將風機和其他部分(風機變壓器、集電系統(tǒng)，升壓變壓器等)組成的風電場當作整體(電廠)看待。對電網而言，風電場也是電廠，雖然由于風速的不可控性，風電場的有功功率不可調度，但是為了電網和風電場的安全穩(wěn)定運行，風電場也應像其他常規(guī)電廠一樣，具備無功容量和調節(jié)、電壓調節(jié)、有功控制，以及在電網故障情況下保持并網等能力。否則，風電會對局部或者區(qū)域電力系統(tǒng)的運行和調度帶來困難，并危及系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。

目前大量應用的雙饋變槳風電機組，它本身具備無功功率的能力，而且可快速平滑地調節(jié);此外它的有功功率(槳距角)也可快速控制。因而由雙饋變槳風電機組組成的風電場，從技術上有可能像常規(guī)發(fā)電廠一樣，控制整個風場的無功功率和調節(jié)并網點的電壓，并控制風電場的有功功率。

像GE的WindCONTROL 控制管理系統(tǒng) ，通過控制風場內各臺風機的無功功率并協(xié)調其他可能的無功設備，能夠有效地調節(jié)風電場并網點或更遠處的電壓和無功功率。甚至當風機不轉的時候，也能夠使風場具備調節(jié)無功功率和電壓的能力。這甚至超過了常規(guī)的火電廠和水電廠的調節(jié)能力。在有功功率輸出為0的條件下，這種無功和電壓的調節(jié)能力對電網的穩(wěn)定性是有益的。

風電的變化性使得風電難以控制和調度，其有功功率的快速和大幅變化需要電網的其他電源來補償。WindCONTROL 還具備調節(jié)風場有功功率的能力，通過控制各風機的槳距角，可控制由于風速快速變化時有功功率的快速變化，使電網的調度和運行更加穩(wěn)定，從而也使得風電成為一種對電網更加友好的電源。此外，在電網頻率過高時，它可快速調節(jié)風電場有功功率，參與系統(tǒng)調頻，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。大型風電場或當高比例的風電接入電網時，電網故障時風電維持并網，對于故障后電網的恢復和系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定性有重要意義，這對風電場的運行也是非常有益的。GE的WindRIDETHRU 通過改變風機和變頻器的控制和保護功能，使得風電機組具備在電網故障導致并網點電壓跌落時維持并網而不跳機的能力(LVRT)，甚至在并網點電壓跌落為零時也能保持并網(ZVRT)，風電場這樣的特性在系統(tǒng)故障時會明顯增強系統(tǒng)穩(wěn)定性。

6 結語

許多國家的風電規(guī)模和接入電網的風電比例在快速增加，為了使電網有效地接納風電，理解風電與電網之間的相互影響非常重要。電網需要風電場像常規(guī)電廠(除了有功功率增加受風速限制外)一樣，具備整體的電壓調節(jié)方式、低電壓穿越、減出力和有功功率變化率等能力。同時，風電機組和控制技術的最新發(fā)展也使得風電場可以像其他常規(guī)電廠一樣，具備無功容量和調節(jié)、電壓調節(jié)、有功控制以及在電網故障情況下保持并網等能力，以有利于風電場和電網的穩(wěn)定運行，使風電成為一種對電網友好的電源，并使電網可接納高比例的風電。此外，各國的風電并網標準也在發(fā)展，許多國家已經應用的或正在修定的并網標準都包括了本文所論述的風電場具有的性能。