如何理解規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)的問題

標(biāo)簽：并網(wǎng) 風(fēng)電 智能電網(wǎng) 風(fēng)電場(chǎng)

風(fēng)電場(chǎng)的輸出是由風(fēng)速?zèng)Q定的，由于風(fēng)速的不可控性，風(fēng)電具有不確定性和易變性的特點(diǎn)。另外，目前風(fēng)機(jī)的允許工作電壓多為0.9～1.1 P.u.，在此范圍之外時(shí)，風(fēng)機(jī)會(huì)因保護(hù)動(dòng)作而跳機(jī)，從而造成電網(wǎng)系統(tǒng)失去風(fēng)電。如果不采用合理的并網(wǎng)技術(shù)，當(dāng)風(fēng)電接人到弱電網(wǎng)時(shí)或電網(wǎng)接入較高比例的風(fēng)電時(shí)，會(huì)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的無(wú)功功率、有功功率、系統(tǒng)電壓的控制和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性產(chǎn)生不利的影響。

1 風(fēng)電并網(wǎng)需考慮的因素

風(fēng)電并網(wǎng)需考慮的因素有：① 風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功容量;② 風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)調(diào)節(jié)方式(功率因數(shù)調(diào)節(jié)或電壓調(diào)節(jié));③ 系統(tǒng)故障時(shí)風(fēng)電場(chǎng)保持并網(wǎng)的能力;④ 有功功率變化率和減出力。

從并網(wǎng)方面開展上述分析的目的在于：① 評(píng)估風(fēng)電場(chǎng)在不同的運(yùn)行條件、控制方式和故障方式下，風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電網(wǎng)的影響;② 識(shí)別風(fēng)電對(duì)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)引起的潛在問題;③ 識(shí)別可能引起風(fēng)電場(chǎng)可靠運(yùn)行的潛在問題;④ 使電網(wǎng)可有效地接納風(fēng)電，在滿足電網(wǎng)安全運(yùn)行要求下將風(fēng)電輸送到電網(wǎng)。

在風(fēng)資源豐富的地區(qū)，會(huì)有許多風(fēng)場(chǎng)接入同一輸電系統(tǒng)。而常見的電網(wǎng)故障會(huì)導(dǎo)致風(fēng)場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)的電壓跌落，從而導(dǎo)致常規(guī)的風(fēng)機(jī)跳機(jī)。當(dāng)風(fēng)電比例較高時(shí)或者某地區(qū)風(fēng)電特別集巾時(shí)，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)在故障(緊急)條件下失去大量有功功率和無(wú)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(wǎng)的調(diào)度和運(yùn)行帶來(lái)困難，極大地影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 風(fēng)電場(chǎng)電壓調(diào)節(jié)

雙饋感應(yīng)電機(jī)(DFIG)是目前廣泛應(yīng)用的風(fēng)電機(jī)組。由于有變頻器，這種風(fēng)電機(jī)組的特點(diǎn)是它本身具有發(fā)出和吸收無(wú)功功率的能力。在這種控制方式下，由于風(fēng)電場(chǎng)的有功功率是隨風(fēng)速而變化的，并網(wǎng)點(diǎn)的功率岡數(shù)和電壓都無(wú)法保持恒定，會(huì)隨著風(fēng)電場(chǎng)有功功率的變化而變化。因此需要配置相應(yīng)的無(wú)功設(shè)備才能將并網(wǎng)點(diǎn)的功率因數(shù)保持恒定或?qū)㈦妷赫{(diào)節(jié)到一定范圍內(nèi)。

更為理想的調(diào)節(jié)方式是利用風(fēng)機(jī)的無(wú)功容量，根據(jù)風(fēng)場(chǎng)并網(wǎng)處的電壓調(diào)節(jié)目標(biāo)來(lái)確定當(dāng)前運(yùn)行工況下所需要的無(wú)功功率，相應(yīng)地控制風(fēng)場(chǎng)內(nèi)各臺(tái)風(fēng)電機(jī)組發(fā)出或吸收的無(wú)功功率，從而達(dá)到控制并網(wǎng)點(diǎn)電壓的目標(biāo)。雙饋感應(yīng)電機(jī)的變頻器無(wú)功功率調(diào)節(jié)響應(yīng)速度快，調(diào)節(jié)性能平滑。隨著風(fēng)速的變化，它可實(shí)時(shí)根據(jù)并網(wǎng)點(diǎn)無(wú)功或電壓的調(diào)節(jié)目標(biāo)來(lái)控制風(fēng)場(chǎng)內(nèi)各風(fēng)電機(jī)組發(fā)出或吸收的無(wú)功功率。此外這種方式對(duì)于系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性也有良好的支持作用。當(dāng)系統(tǒng)有故障時(shí)，它能夠在快速向系統(tǒng)注入無(wú)功功率(超過風(fēng)機(jī)無(wú)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(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。

3 風(fēng)電場(chǎng)有功功率的控制

風(fēng)電作為可再生能源，在保證系統(tǒng)安全運(yùn)行的條件下，電網(wǎng)應(yīng)優(yōu)先接受風(fēng)電場(chǎng)所能夠發(fā)出的電能。但是南于風(fēng)速的易變性和不確定性，在有些情況(陣風(fēng))下，風(fēng)速快速變化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致某一地區(qū)的風(fēng)電在短時(shí)產(chǎn)生很大的變化，這對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行和調(diào)度是非常不利的，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和電能質(zhì)量都會(huì)受到影響。因此有必要限制風(fēng)電場(chǎng)的有功功率變化率，以利于電網(wǎng)的調(diào)度和穩(wěn)定運(yùn)行。我國(guó)的并網(wǎng)規(guī)范也對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的有功功率變化率有一定的要求。

當(dāng)前先進(jìn)的風(fēng)電機(jī)組控制技術(shù)可快速精確地控制風(fēng)機(jī)槳距角，從而快速地控制風(fēng)電機(jī)組發(fā)出的有功功率。這就使得風(fēng)電場(chǎng)可以根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度和運(yùn)行的要求，設(shè)定其有功功率變化率的最大值，在風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行過程中控制各臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的槳距角(有功功率)，從而使得整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的有功功率變化率在規(guī)定的范圍內(nèi)。由于只是在短時(shí)間內(nèi)限制了風(fēng)場(chǎng)功率的最大變化率，這對(duì)于其發(fā)出的電量沒有明顯影響。圖3為某風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)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(shè)定的3 MW/min以內(nèi)。

此外，當(dāng)電網(wǎng)接入了大量風(fēng)電時(shí)，在系統(tǒng)的某些極端情況下，如果風(fēng)電能夠參與系統(tǒng)的調(diào)頻，會(huì)對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行有很好的作用。當(dāng)前，風(fēng)電機(jī)組槳距角快速控制技術(shù)使得風(fēng)電場(chǎng)參與系統(tǒng)的調(diào)頻成為可能。例如：在系統(tǒng)過頻時(shí)，可快速降低風(fēng)電的出力來(lái)參與系統(tǒng)的調(diào)頻。當(dāng)系統(tǒng)頻率恢復(fù)后，再將風(fēng)電恢復(fù)到正常運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)，某風(fēng)電場(chǎng)在系統(tǒng)頻率過高時(shí)的響應(yīng)如圖4所示。由于減出力的時(shí)間很短，風(fēng)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(shí)風(fēng)電機(jī)組保持與電網(wǎng)并網(wǎng)的能力。電網(wǎng)在運(yùn)行中的擾動(dòng)(雷擊，設(shè)備故障等)時(shí)有發(fā)生。此時(shí)，電源保持與電網(wǎng)的連接對(duì)于電網(wǎng)的穩(wěn)定性是至關(guān)重要的。英國(guó)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，大于50% 的地區(qū)電壓低于80% 額定電壓，這意味著風(fēng)電機(jī)組如果沒有低電壓穿越能力，這些地區(qū)接人的風(fēng)電場(chǎng)在系統(tǒng)故障時(shí)會(huì)與系統(tǒng)解列。我國(guó)當(dāng)前在運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組尚不具備低電壓穿越能力，在其電壓低于最低運(yùn)行電壓時(shí)會(huì)岡保護(hù)而切機(jī)。在風(fēng)電比例較高的地區(qū)，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，大量的風(fēng)電機(jī)組會(huì)因電壓跌落而跳機(jī)，引起系統(tǒng)所需的有功功率和無(wú)功功率不足，從而導(dǎo)致擾動(dòng)

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(dǎo)致系統(tǒng)崩潰的風(fēng)險(xiǎn)。因而，在電網(wǎng)故障時(shí)保持風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)能力對(duì)于維持電網(wǎng)的穩(wěn)定性具有重要意義。這已經(jīng)被越來(lái)越普遍地認(rèn)識(shí)和接受。許多國(guó)家如德國(guó)，丹麥、英國(guó)、美國(guó)、加拿大等，已經(jīng)實(shí)施或正在修定的并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定了風(fēng)電場(chǎng)在電網(wǎng)故障時(shí)應(yīng)具備保持并網(wǎng)的能力。為了滿足系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定性的要求，美國(guó)聯(lián)邦能源監(jiān)管委員會(huì)對(duì)于風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越性能的最低要求是并網(wǎng)點(diǎn)電壓為15% 額定值時(shí)風(fēng)場(chǎng)至少維持并網(wǎng)625 ms(FERC ODER 66 1)?，F(xiàn)在正考慮提高標(biāo)準(zhǔn)，要求風(fēng)電機(jī)組在系統(tǒng)三相故障時(shí)在正常的故障清除時(shí)間內(nèi)(4～9周期)保持并網(wǎng)，在系統(tǒng)單相接地故障時(shí)在延時(shí)的故障清除時(shí)間也能保持并網(wǎng)。

風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力使得風(fēng)電廠具有更高的可用率和可靠性，使得電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性不會(huì)由于風(fēng)電的接人受到削弱，使得電網(wǎng)可接納更高比例的風(fēng)電，減少系統(tǒng)對(duì)接人風(fēng)電所需的旋轉(zhuǎn)備用容量。

5 風(fēng)電場(chǎng)整體的控制

在風(fēng)電發(fā)展的早期階段，應(yīng)用的多是定漿失速型風(fēng)機(jī)，運(yùn)行時(shí)為了風(fēng)機(jī)的安全，將其機(jī)端電壓控制在允許的范圍即可。但是隨著風(fēng)電場(chǎng)容量的增大，以及接人電網(wǎng)中的風(fēng)電比例的增高，尤其像我國(guó)會(huì)在某些地區(qū)接入幾十萬(wàn)千瓦甚至幾百萬(wàn)千瓦的風(fēng)電，這種方式無(wú)法滿足電網(wǎng)和風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的需求。并網(wǎng)技術(shù)是電網(wǎng)能否有效接納高比例風(fēng)電的關(guān)鍵之一。解決的辦法在于要轉(zhuǎn)變風(fēng)電等于風(fēng)機(jī)的觀念，應(yīng)將風(fēng)機(jī)和其他部分(風(fēng)機(jī)變壓器、集電系統(tǒng)，升壓變壓器等)組成的風(fēng)電場(chǎng)當(dāng)作整體(電廠)看待。對(duì)電網(wǎng)而言，風(fēng)電場(chǎng)也是電廠，雖然由于風(fēng)速的不可控性，風(fēng)電場(chǎng)的有功功率不可調(diào)度，但是為了電網(wǎng)和風(fēng)電場(chǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，風(fēng)電場(chǎng)也應(yīng)像其他常規(guī)電廠一樣，具備無(wú)功容量和調(diào)節(jié)、電壓調(diào)節(jié)、有功控制，以及在電網(wǎng)故障情況下保持并網(wǎng)等能力。否則，風(fēng)電會(huì)對(duì)局部或者區(qū)域電力系統(tǒng)的運(yùn)行和調(diào)度帶來(lái)困難，并危及系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。

目前大量應(yīng)用的雙饋?zhàn)儤L(fēng)電機(jī)組，它本身具備無(wú)功功率的能力，而且可快速平滑地調(diào)節(jié);此外它的有功功率(槳距角)也可快速控制。因而由雙饋?zhàn)儤L(fēng)電機(jī)組組成的風(fēng)電場(chǎng)，從技術(shù)上有可能像常規(guī)發(fā)電廠一樣，控制整個(gè)風(fēng)場(chǎng)的無(wú)功功率和調(diào)節(jié)并網(wǎng)點(diǎn)的電壓，并控制風(fēng)電場(chǎng)的有功功率。

像GE的WindCONTROL 控制管理系統(tǒng) ，通過控制風(fēng)場(chǎng)內(nèi)各臺(tái)風(fēng)機(jī)的無(wú)功功率并協(xié)調(diào)其他可能的無(wú)功設(shè)備，能夠有效地調(diào)節(jié)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)或更遠(yuǎn)處的電壓和無(wú)功功率。甚至當(dāng)風(fēng)機(jī)不轉(zhuǎn)的時(shí)候，也能夠使風(fēng)場(chǎng)具備調(diào)節(jié)無(wú)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(diào)節(jié)能力。在有功功率輸出為0的條件下，這種無(wú)功和電壓的調(diào)節(jié)能力對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性是有益的。

風(fēng)電的變化性使得風(fēng)電難以控制和調(diào)度，其有功功率的快速和大幅變化需要電網(wǎng)的其他電源來(lái)補(bǔ)償。WindCONTROL 還具備調(diào)節(jié)風(fēng)場(chǎng)有功功率的能力，通過控制各風(fēng)機(jī)的槳距角，可控制由于風(fēng)速快速變化時(shí)有功功率的快速變化，使電網(wǎng)的調(diào)度和運(yùn)行更加穩(wěn)定，從而也使得風(fēng)電成為一種對(duì)電網(wǎng)更加友好的電源。此外，在電網(wǎng)頻率過高時(shí)，它可快速調(diào)節(jié)風(fēng)電場(chǎng)有功功率，參與系統(tǒng)調(diào)頻，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。大型風(fēng)電場(chǎng)或當(dāng)高比例的風(fēng)電接入電網(wǎng)時(shí)，電網(wǎng)故障時(shí)風(fēng)電維持并網(wǎng)，對(duì)于故障后電網(wǎng)的恢復(fù)和系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定性有重要意義，這對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行也是非常有益的。GE的WindRIDETHRU 通過改變風(fēng)機(jī)和變頻器的控制和保護(hù)功能，使得風(fēng)電機(jī)組具備在電網(wǎng)故障導(dǎo)致并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)維持并網(wǎng)而不跳機(jī)的能力(LVRT)，甚至在并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落為零時(shí)也能保持并網(wǎng)(ZVRT)，風(fēng)電場(chǎng)這樣的特性在系統(tǒng)故障時(shí)會(huì)明顯增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。

6 結(jié)語(yǔ)

許多國(guó)家的風(fēng)電規(guī)模和接入電網(wǎng)的風(fēng)電比例在快速增加，為了使電網(wǎng)有效地接納風(fēng)電，理解風(fēng)電與電網(wǎng)之間的相互影響非常重要。電網(wǎng)需要風(fēng)電場(chǎng)像常規(guī)電廠(除了有功功率增加受風(fēng)速限制外)一樣，具備整體的電壓調(diào)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(shí)，風(fēng)電機(jī)組和控制技術(shù)的最新發(fā)展也使得風(fēng)電場(chǎng)可以像其他常規(guī)電廠一樣，具備無(wú)功容量和調(diào)節(jié)、電壓調(diào)節(jié)、有功控制以及在電網(wǎng)故障情況下保持并網(wǎng)等能力，以有利于風(fēng)電場(chǎng)和電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，使風(fēng)電成為一種對(duì)電網(wǎng)友好的電源，并使電網(wǎng)可接納高比例的風(fēng)電。此外，各國(guó)的風(fēng)電并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)也在發(fā)展，許多國(guó)家已經(jīng)應(yīng)用的或正在修定的并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)都包括了本文所論述的風(fēng)電場(chǎng)具有的性能。