风电并网相关问题的研究

②谐波污染

风电给系统带来谐波的途径主要有两种。一种是风机本身配备的电力电子装置, 可能带来谐波问题。对于直接和电网相连的恒速风机, 软启动阶段要通过电力电子装置与电网相连, 因此会产生一定的谐波, 不过因为过程很短, 发生的次数也不多,通常可以忽略。但是对于变速风机则不然, 因为变速风机通过整流和逆变装置接入系统, 如果电力电子装置的切换频率恰好在产生谐波的范围内, 则会产生很严重的谐波问题, 不过随着电力电子器件的不断改进, 这个问题也在逐步得到解决。另一种是风机的并联补偿电容器可能和线路电抗发生谐振, 在实际运行中, 曾经观测到在风电场出口变压器的低压侧产生大量谐波的现象。与闪变问题相比, 风电并网带来的谐波问题不是很严重, 相关的研究文献也不多。

(3)稳定性

①无功和电压问题

大规模风电场接入电力系统时风电场对无功功率的消耗是导致电网产生电压问题的主要原因。如果电网不能满足风电场的无功需求，就会产生电压问题，这也是限制风电场容量继续增长的一个重要因素。

风电场所采用的风机类型不同对于电压稳定性的影响有很大的区别。其中对电网电压最为不利的是采用基于普通异步机的恒速风电机组。这类机组不具有电压控制能力，稳态运行消耗大量无功功率，在系统发生故障后的电压恢复期间消耗的无功功率更大，导致地区电网出现稳态、暂态电压稳定性问题。

对风电来讲，长期电压稳定非常重要，因为一般风电接入弱系统，并且风电场需要大量无功功率。风电场无功电压特性可以用P-V曲线和Q-V曲线进行分析。一般在风电场安装可分组投切的电容器或电抗器来调节风电场的无功功率，提高电压稳定性。在风电比较集中的地区，为了提高风电场电压稳定性，可以考虑安装SVC或STATCOM。

②暂态稳定性问题

电力系统正常运行的必要条件是所有发电机保持同步，电力系统暂态稳定性分析就是分析遭受大干扰后系统中各发电机维持同步运行的能力。严格来讲定速风电机组和双馈变速风电机组本身不存在暂态稳定性问题，但是对于有大量风电的系统，因为大量小惯量的风电机组代替了常规机组，系统的暂态稳定性也发生了一些变化。有大量文献对风电机组的模型进行了研究，表明定速风电机组对系统的功率震荡有一定的阻尼作用，而变速风电机组因为变流器的作用，风电机组转速与电网频率解耦，阻尼作用被减弱了。另外，系统故障时，风电机组可能因为电压越限或转速越限导致保护动作而跳闸，这就是说，系统可能遭受失去大量风电功率的第二次冲击。对此有人提到了用SVC和STATCOM来提高风电机组的低电压穿越能力(LVRT)，防止机组跳闸，还有用桨距角调节来提高风电场的低电压穿越能力，以及通过改变转子回路励磁方式来实现风电机组的功能。

③频率稳定问题

频率稳定是指电力系统维持系统频率于某一规定的运行极限内的能力。大量风电功率的波动增加了系统调频的难度，而系统频率的变化又会影响风电机组的运行状态。各国风电接入系统导则都要求风电机组能够在一定的频率范围内正常运行，频率超过一定范围后限制出力运行或延迟一定时间后退出运行，以维护系统的频率稳定。爱尔兰国家电网公司要求风电场通过控制输出功率的3%~5%参与系统的频率调整，其它并网导则也要求风电场参与系统的二次调频。当系统频率过高时，可以通过控制系统使部分风电机组停机或通过桨距角控制减少风电场的输出功率。在正常情况下限制风电场的出力，可保证在系统频率降低时调高风电场的出力，让风电功率参与系统二次调频。

(4) 发电计划与调度

传统的发电计划基于电源的可靠性以及负荷的可预测性, 以这两点为基础, 发电计划的制定和实施有了可靠的保证。但是, 如果系统内含有风电场, 因为风电场出力的预测水平还达不到工程实用的程度, 发电计划的制定变得困难起来。如果把风电场看做负的负荷, 不具有可预测性;如果把它看做电源,可靠性没有保证。

风力发电并网以后, 如果电力系统的运行方式不相应地做出调整和优化, 系统的动态响应能力将不足以跟踪风电功率的大幅度、高频率的波动, 系统的电能质量和动态稳定性将受到显著影响, 这些因素反过来会限制系统准入的风电功率水平, 因此有必要对电力系统传统的运行方式和控制手段做出适当的改进和调整, 研究随机的发电计划算法和AGC算法, 以便正确考虑风电的随机性和间歇性特性。有文献的研究表明, 旋转备用的容量和类型对系统的可靠性、安全性指标的影响都是至关重要的。燃气轮机组和柴油机组反应速度快, 很适合作为旋转备用机组配合风电场的运行, 但是其燃料费用昂贵, 这种方案明显提高了系统正常的运行成本, 风电的价值也因此大打折扣。有人研究了较高水平的风电穿透功率对系统的发电计划、经济调度、调频和调峰等控制手段的影响, 讨论了修改发电计划的方法、成本及修改发电计划可能带来的收益。提出一种梯度穿透功率约束的概念,其实质是限制风电功率的变化率, 防止水火电机组频繁调整出力, 增加运行及维护成本。还有文献提出对风电并网以后的系统发电计划进行优化的算法,该算法基于对风速和负荷的预测。实践表明: 对风柴混合电力系统的运行计划进行优化以后, 能够避免频繁启动和调整柴油机组, 有效防止柴油机组过度疲劳, 减少了维护成本和运行成本。

(5) 容量可信度

发电容量的价值往往体现在负荷高峰期, 由于风电场无法保证可靠的出力, 一度被认为只能提供能源, 不能提供有效的发电容量。风电的容量可信度有两种评价方法: 一种是计算含风电系统的可靠性指标, 在保证系统可靠性不变的前提下, 风电能够替代的常规发电机组容量即为其容量可信度, 这种方法适合于系统的规划阶段;另一种方法是时间序列仿真, 选择合适的时间段作为研究对象, 通过计算风电场的容量系数(风电场实际出力与理论发电量的比值)来估算容量可信度, 在负荷高峰时段, 可以认为容量系数等于容量可信度, 该方法适用于为系统的运行提供决策支持。要评价风电对系统的可靠性指标的影响, 首先要知道风电场所在地的气象信息, 获得风资源数据;了解风机的技术参数, 根据风速计算风电场出力;最后根据风电场出力与负荷的相关性, 计算供电可靠性等指标, 也可以计算节省的发电成本等。蒙特卡洛仿真技术是可靠性分析中常用的计算方法。

三:风电并网问题的新动态

目前变速风机将逐渐取代恒速风机, 以达到最大限度地提高风能的利用效率。而使用变速风机有几种方案可供选择: 采用通过电力电子装置与电网相连的同步电机, 如果进一步采用多极同步电机, 甚至有可能取消风机上常用的变速齿轮箱, 减少风机的故障率;或者采用双馈感应电机, 实现风机以最佳叶尖比运行, 比变桨距控制的实现更简单、更经济。

由于电力电子元件的性能价格比不断提高, 以IGBT为代表的新型电力电子器件的最大功率已经达到MVA级, 开关频率达到10kHz, 脉宽调制技术(PWM)的采用有效地抑制了电力电子器件容易带来的谐波。如果把这些技术用于同步电机与电网的接口, 可以屏蔽掉风机固有的随机特性对电网的影响, 提高捕获风能的效率, 较少对桨叶和驱动轴的应力损伤, 降低空气动力噪声水平, 改进风机运行的灵活性。同样, 电力电子器件性能价格比的不断提高为双馈电机在风电领域的应用提供了可能。普通的感应电机转子回路是短路的, 转子电压为0, 双馈电机是在感应电机的转子回路中加入一个可控电压源, 通过改变其电压幅值或相角, 实现对风机速度和功率因数的控制。在风速变化及风机端电压变化的情况下, 保证风机的稳定高效运行。当然, 这种控制策略并不局限于感应电机和采用电压源, 在同步电机上也可以实现这种控制, 根据控制算法的不同, 也可以采用电流源。仿真表明, 只要对风力发电机组进行适当的改进, 它同样可以承担有功及无功电压调节的任务, 在系统中起到常规发电机组的作用, 这也是风电发展到一定规模以后的必然要求。

四：结论

以前风电场的主要特点是采用感应发电机, 装机规模较小, 与配电网直接相连, 对系统的影响主要表现为电能质量。现在随着电力电子技术的发展, 大量新型风力发电机组开始投入运行, 风电场装机达到可以和常规机组相比的规模, 直接接入输电网, 与风电场并网有关的电压及无功控制、有功调度及稳定性的问题越来越受到人们的关注。而对于风电并网的很多问题还没有好的解决方法，这些问题的解决将是风力发电未来发展的关键。