風電并網相關問題的研究

②諧波污染

風電給系統帶來諧波的途徑主要有兩種。一種是風機本身配備的電力電子裝置, 可能帶來諧波問題。對于直接和電網相連的恒速風機, 軟啟動階段要通過電力電子裝置與電網相連, 因此會產生一定的諧波, 不過因為過程很短, 發生的次數也不多,通常可以忽略。但是對于變速風機則不然, 因為變速風機通過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生諧波的范圍內, 則會產生很嚴重的諧波問題, 不過隨著電力電子器件的不斷改進, 這個問題也在逐步得到解決。另一種是風機的并聯補償電容器可能和線路電抗發生諧振, 在實際運行中, 曾經觀測到在風電場出口變壓器的低壓側產生大量諧波的現象。與閃變問題相比, 風電并網帶來的諧波問題不是很嚴重, 相關的研究文獻也不多。

(3)穩定性

①無功和電壓問題

大規模風電場接入電力系統時風電場對無功功率的消耗是導致電網產生電壓問題的主要原因。如果電網不能滿足風電場的無功需求，就會產生電壓問題，這也是限制風電場容量繼續增長的一個重要因素。

風電場所采用的風機類型不同對于電壓穩定性的影響有很大的區別。其中對電網電壓最為不利的是采用基于普通異步機的恒速風電機組。這類機組不具有電壓控制能力，穩態運行消耗大量無功功率，在系統發生故障后的電壓恢復期間消耗的無功功率更大，導致地區電網出現穩態、暫態電壓穩定性問題。

對風電來講，長期電壓穩定非常重要，因為一般風電接入弱系統，并且風電場需要大量無功功率。風電場無功電壓特性可以用P-V曲線和Q-V曲線進行分析。一般在風電場安裝可分組投切的電容器或電抗器來調節風電場的無功功率，提高電壓穩定性。在風電比較集中的地區，為了提高風電場電壓穩定性，可以考慮安裝SVC或STATCOM。

②暫態穩定性問題

電力系統正常運行的必要條件是所有發電機保持同步，電力系統暫態穩定性分析就是分析遭受大干擾后系統中各發電機維持同步運行的能力。嚴格來講定速風電機組和雙饋變速風電機組本身不存在暫態穩定性問題，但是對于有大量風電的系統，因為大量小慣量的風電機組代替了常規機組，系統的暫態穩定性也發生了一些變化。有大量文獻對風電機組的模型進行了研究，表明定速風電機組對系統的功率震蕩有一定的阻尼作用，而變速風電機組因為變流器的作用，風電機組轉速與電網頻率解耦，阻尼作用被減弱了。另外，系統故障時，風電機組可能因為電壓越限或轉速越限導致保護動作而跳閘，這就是說，系統可能遭受失去大量風電功率的第二次沖擊。對此有人提到了用SVC和STATCOM來提高風電機組的低電壓穿越能力(LVRT)，防止機組跳閘，還有用槳距角調節來提高風電場的低電壓穿越能力，以及通過改變轉子回路勵磁方式來實現風電機組的功能。

③頻率穩定問題

頻率穩定是指電力系統維持系統頻率于某一規定的運行極限內的能力。大量風電功率的波動增加了系統調頻的難度，而系統頻率的變化又會影響風電機組的運行狀態。各國風電接入系統導則都要求風電機組能夠在一定的頻率范圍內正常運行，頻率超過一定范圍后限制出力運行或延遲一定時間后退出運行，以維護系統的頻率穩定。愛爾蘭國家電網公司要求風電場通過控制輸出功率的3%~5%參與系統的頻率調整，其它并網導則也要求風電場參與系統的二次調頻。當系統頻率過高時，可以通過控制系統使部分風電機組停機或通過槳距角控制減少風電場的輸出功率。在正常情況下限制風電場的出力，可保證在系統頻率降低時調高風電場的出力，讓風電功率參與系統二次調頻。

(4) 發電計劃與調度

傳統的發電計劃基于電源的可靠性以及負荷的可預測性, 以這兩點為基礎, 發電計劃的制定和實施有了可靠的保證。但是, 如果系統內含有風電場, 因為風電場出力的預測水平還達不到工程實用的程度, 發電計劃的制定變得困難起來。如果把風電場看做負的負荷, 不具有可預測性;如果把它看做電源,可靠性沒有保證。

風力發電并網以后, 如果電力系統的運行方式不相應地做出調整和優化, 系統的動態響應能力將不足以跟蹤風電功率的大幅度、高頻率的波動, 系統的電能質量和動態穩定性將受到顯著影響, 這些因素反過來會限制系統準入的風電功率水平, 因此有必要對電力系統傳統的運行方式和控制手段做出適當的改進和調整, 研究隨機的發電計劃算法和AGC算法, 以便正確考慮風電的隨機性和間歇性特性。有文獻的研究表明, 旋轉備用的容量和類型對系統的可靠性、安全性指標的影響都是至關重要的。燃氣輪機組和柴油機組反應速度快, 很適合作為旋轉備用機組配合風電場的運行, 但是其燃料費用昂貴, 這種方案明顯提高了系統正常的運行成本, 風電的價值也因此大打折扣。有人研究了較高水平的風電穿透功率對系統的發電計劃、經濟調度、調頻和調峰等控制手段的影響, 討論了修改發電計劃的方法、成本及修改發電計劃可能帶來的收益。提出一種梯度穿透功率約束的概念,其實質是限制風電功率的變化率, 防止水火電機組頻繁調整出力, 增加運行及維護成本。還有文獻提出對風電并網以后的系統發電計劃進行優化的算法,該算法基于對風速和負荷的預測。實踐表明: 對風柴混合電力系統的運行計劃進行優化以后, 能夠避免頻繁啟動和調整柴油機組, 有效防止柴油機組過度疲勞, 減少了維護成本和運行成本。

(5) 容量可信度

發電容量的價值往往體現在負荷高峰期, 由于風電場無法保證可靠的出力, 一度被認為只能提供能源, 不能提供有效的發電容量。風電的容量可信度有兩種評價方法: 一種是計算含風電系統的可靠性指標, 在保證系統可靠性不變的前提下, 風電能夠替代的常規發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;另一種方法是時間序列仿真, 選擇合適的時間段作為研究對象, 通過計算風電場的容量系數(風電場實際出力與理論發電量的比值)來估算容量可信度, 在負荷高峰時段, 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。要評價風電對系統的可靠性指標的影響, 首先要知道風電場所在地的氣象信息, 獲得風資源數據;了解風機的技術參數, 根據風速計算風電場出力;最后根據風電場出力與負荷的相關性, 計算供電可靠性等指標, 也可以計算節省的發電成本等。蒙特卡洛仿真技術是可靠性分析中常用的計算方法。

三:風電并網問題的新動態

目前變速風機將逐漸取代恒速風機, 以達到最大限度地提高風能的利用效率。而使用變速風機有幾種方案可供選擇: 采用通過電力電子裝置與電網相連的同步電機, 如果進一步采用多極同步電機, 甚至有可能取消風機上常用的變速齒輪箱, 減少風機的故障率;或者采用雙饋感應電機, 實現風機以最佳葉尖比運行, 比變槳距控制的實現更簡單、更經濟。

由于電力電子元件的性能價格比不斷提高, 以IGBT為代表的新型電力電子器件的最大功率已經達到MVA級, 開關頻率達到10kHz, 脈寬調制技術(PWM)的采用有效地抑制了電力電子器件容易帶來的諧波。如果把這些技術用于同步電機與電網的接口, 可以屏蔽掉風機固有的隨機特性對電網的影響, 提高捕獲風能的效率, 較少對槳葉和驅動軸的應力損傷, 降低空氣動力噪聲水平, 改進風機運行的靈活性。同樣, 電力電子器件性能價格比的不斷提高為雙饋電機在風電領域的應用提供了可能。普通的感應電機轉子回路是短路的, 轉子電壓為0, 雙饋電機是在感應電機的轉子回路中加入一個可控電壓源, 通過改變其電壓幅值或相角, 實現對風機速度和功率因數的控制。在風速變化及風機端電壓變化的情況下, 保證風機的穩定高效運行。當然, 這種控制策略并不局限于感應電機和采用電壓源, 在同步電機上也可以實現這種控制, 根據控制算法的不同, 也可以采用電流源。仿真表明, 只要對風力發電機組進行適當的改進, 它同樣可以承擔有功及無功電壓調節的任務, 在系統中起到常規發電機組的作用, 這也是風電發展到一定規模以后的必然要求。

四：結論

以前風電場的主要特點是采用感應發電機, 裝機規模較小, 與配電網直接相連, 對系統的影響主要表現為電能質量。現在隨著電力電子技術的發展, 大量新型風力發電機組開始投入運行, 風電場裝機達到可以和常規機組相比的規模, 直接接入輸電網, 與風電場并網有關的電壓及無功控制、有功調度及穩定性的問題越來越受到人們的關注。而對于風電并網的很多問題還沒有好的解決方法，這些問題的解決將是風力發電未來發展的關鍵。