風(fēng)力發(fā)電的主要特點是隨機性與不可控性，主要隨風(fēng)速變化而變化。因此，風(fēng)電并網(wǎng)運行對主電網(wǎng)運行帶來諸多不利影響。分析風(fēng)電場并網(wǎng)對電網(wǎng)影響是風(fēng)電事業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)問題，同時也是電網(wǎng)部門安全、經(jīng)濟運行的一個新課題。
一、風(fēng)力發(fā)電機的類型
分析風(fēng)電并網(wǎng)的影響，首先要考慮風(fēng)力發(fā)電機類型的不同。不同風(fēng)電機組的工作原理、數(shù)學(xué)模型都不相同，因此分析方法也有所差異。目前國內(nèi)風(fēng)電機組的主要機型有3種，每種機型都有其特點。
1.1異步風(fēng)力發(fā)電機
國內(nèi)已運行風(fēng)電場大部分機組是異步風(fēng)電發(fā)電機。主要特點是結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、價格便宜。這種發(fā)電機組為定速恒頻機沮，運行中轉(zhuǎn)速基本不變，風(fēng)力發(fā)電機組運行在風(fēng)能轉(zhuǎn)換最佳狀態(tài)下的幾率比較小，因而發(fā)電能力比新型機組低。
同時運行中需要從電力系統(tǒng)中吸收無功功率。為滿足電網(wǎng)對風(fēng)電場功率因數(shù)的要求，多采用在機端并聯(lián)補償電容器的方法，其補償策略是異步發(fā)電機配有若干組固定容量的電容器。
由于風(fēng)速大小隨氣候環(huán)境變化，驅(qū)動發(fā)電機的風(fēng)力機不可能經(jīng)常在額定風(fēng)速下運行，為了充分利用低風(fēng)速時的風(fēng)能，增加全年的發(fā)電量，近年廣泛應(yīng)用雙速異步發(fā)電機。這種雙速異步發(fā)電機可以改變極對數(shù)，有大、小電機2種運行方式。
1.2雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機
國內(nèi)還有一些風(fēng)電場選用雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機，大多來源于國外，價格較貴。這種機型稱為變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)，其風(fēng)力機可以變速運行，運行速度能在一個較寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，使風(fēng)機風(fēng)能利用系數(shù)Cp得到優(yōu)化，獲得高的利用效率;可以實現(xiàn)發(fā)電機較平滑的電功率輸出;發(fā)電機本身不需要另外附加無功補償設(shè)備，可實現(xiàn)功率因數(shù)在一定范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)，例如功率因數(shù)從領(lǐng)先0.95調(diào)節(jié)到滯后0.95范圍內(nèi)，因而具有調(diào)節(jié)無功功率出力的能力。
1.3直驅(qū)式交流永磁同步發(fā)電機
大型風(fēng)力發(fā)電機組在實際運行中，齒輪箱是故障較高的部件。采用無齒輪箱結(jié)構(gòu)能大大提高風(fēng)電機組的可靠性，降低故障率，提高風(fēng)電機組的壽命。目前國內(nèi)有風(fēng)電場使用了直驅(qū)式交流永磁同步發(fā)電機，運行時全部功率經(jīng)A-D-A變換，接入電力系統(tǒng)并網(wǎng)運行。與其他機型比較，需考慮諧波治理問題。
二、風(fēng)電并網(wǎng)對主電網(wǎng)運行的影響
由于風(fēng)速變化是隨機性的，因此風(fēng)電場的出力也是隨機的。風(fēng)電本身這種特點使其容量可信度低，給電網(wǎng)有功、無功平衡調(diào)度帶來困難。
在風(fēng)電容量比較高的電力網(wǎng)中，可能會產(chǎn)生質(zhì)量問題。例如電壓波動和閃變、頻率偏差、諧波等問題。更重要的是：系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定、動態(tài)穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定都需要驗證。
當(dāng)然，相同裝機容量的風(fēng)電場在不同的接入點對電網(wǎng)的影響也是不同的。在短路容量大的接入點對系統(tǒng)影響小。反之，影響就大。
定量分析風(fēng)電場對主電網(wǎng)運行的影響，要從穩(wěn)態(tài)和動態(tài)兩方面進行分析。穩(wěn)態(tài)分析就是對含風(fēng)電場的電力系統(tǒng)進行潮流計算。在穩(wěn)態(tài)潮流分析中，風(fēng)電場高壓母線不能簡單視為PQ節(jié)點或PU節(jié)點。含風(fēng)電場的電力系統(tǒng)對平衡節(jié)點的有功、無功平衡能力提出更高要求，要分別分析含風(fēng)電場電網(wǎng)在電網(wǎng)大、小運行方式下，是否滿足系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行的各種約束。
由于不同的風(fēng)電機組的工作原理、數(shù)學(xué)模型都不相同，因此，對不同類型風(fēng)電場的潮流計算方法也有所差異。對于異步發(fā)電機組組成的風(fēng)電場。采用風(fēng)電場、主系統(tǒng)分別迭代的方法：首先要設(shè)定風(fēng)速，取值范圍為風(fēng)機切入風(fēng)速到切出風(fēng)速之間。考慮尾流效應(yīng)，利用RAHMAN模型計算出各臺風(fēng)機輪轂處風(fēng)速。根據(jù)各臺風(fēng)機功率風(fēng)速曲線，計算出各臺發(fā)電機出力P，以及整個風(fēng)電場ΣP。
再設(shè)風(fēng)電場的電壓初始設(shè)定值值Uo，在不考慮風(fēng)電場內(nèi)部電壓損耗的情況下，所有風(fēng)機出口電壓都設(shè)為Uo，從而根據(jù)Uo、P計算出各臺風(fēng)機的無功功率Qi以及整個風(fēng)電場的ΣQ。由于風(fēng)電場己經(jīng)計算出P、Q，因此可視為PQ節(jié)點，代入主系統(tǒng)進行潮流計算，得出風(fēng)電場電壓U，將設(shè)定值Uo與計算值U進行比較，修正設(shè)定值，重新重復(fù)迭代，直至計算收斂。
由雙饋異步發(fā)電機組成的風(fēng)電場：當(dāng)雙饋異步發(fā)電機恒功率因數(shù)運行時，要先根據(jù)風(fēng)力機轉(zhuǎn)速控制規(guī)律計算轉(zhuǎn)差率S，再計算風(fēng)電場發(fā)出或吸收的無功功率Q，然后以PQ節(jié)點形式代入主系統(tǒng)進行潮流計算迭代。當(dāng)雙饋異步發(fā)電機恒電壓運行時，以PQ節(jié)點形式代入電力系統(tǒng)進行潮流計算。在某個設(shè)定風(fēng)速的計算完成后，改變設(shè)定風(fēng)速，進行新一輪的計算。
從上述計算過程可以看出，穩(wěn)態(tài)含風(fēng)電場電力系統(tǒng)潮流計算的結(jié)果，實質(zhì)上是一個各風(fēng)速下系統(tǒng)的潮流計算分布情況表。其中風(fēng)電場零出力、最大、最小出力等3種情況需要著重關(guān)注。
動態(tài)過程分析，一般采用仿真的方法。要考慮異步發(fā)電機、雙饋異步發(fā)電機等不同發(fā)電機的模型以及風(fēng)速、風(fēng)力機、槳距調(diào)節(jié)等環(huán)節(jié)，用仿真程序PSS/E、PSCAD、Matlab/Simulink、PSASP等進行分析。分析的關(guān)鍵是各種風(fēng)力發(fā)電機模型的選用。
分析風(fēng)電并網(wǎng)對主電網(wǎng)的影響，還需考慮風(fēng)電場無功問題。風(fēng)電場無功消耗包括：異步風(fēng)力發(fā)電機消耗，雙饋異步發(fā)電機和直流永磁同步機沒有此部分;風(fēng)機出口升壓變壓器，由于整個風(fēng)電場升壓變數(shù)目眾多，有成百上千臺，疊加起來數(shù)量不小;風(fēng)電場升壓變電站主變壓器消耗等。對于由異步風(fēng)力發(fā)電機組成的風(fēng)電場，應(yīng)考慮電壓穩(wěn)定性問題。如有必要，可采用動態(tài)電壓控制設(shè)備。
三、風(fēng)電并網(wǎng)的經(jīng)濟影響
風(fēng)電場的發(fā)電成本加上合理的利潤，構(gòu)成風(fēng)電的價格。2006年施行的<<可再生能源法>>中規(guī)定，電網(wǎng)企業(yè)必須全額收購可再生能源電量。費用高于常規(guī)能源發(fā)電平均上網(wǎng)電價，其電價之間的差額附加到銷售電價中分攤。
據(jù)統(tǒng)計，全國己建風(fēng)電場的電價水平在(0.46-1.2)元/(KWh)之間。目前，國內(nèi)風(fēng)電上網(wǎng)電價大概分為：成本利潤電價;特許權(quán)招標電價;全省統(tǒng)一電價等三種。與火電相比，風(fēng)電上網(wǎng)電價較高。
風(fēng)電場出力的隨機性，可能造成如負荷跟蹤、頻率控制、備用容量、無功功率和電壓調(diào)節(jié)等電網(wǎng)輔助服務(wù)的成本增加，從而影響了電網(wǎng)企業(yè)的效益。
四、結(jié)束語
近年來，中國風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的高速發(fā)展有目共睹，隨著風(fēng)電裝機容量的不斷增長，風(fēng)電并網(wǎng)對主電網(wǎng)所帶來的技術(shù)和經(jīng)濟影響越來越大，該領(lǐng)域的研究無論是對風(fēng)電發(fā)電商，還是對電網(wǎng)公司都愈顯其戰(zhàn)略重要性。
一、風(fēng)力發(fā)電機的類型
分析風(fēng)電并網(wǎng)的影響，首先要考慮風(fēng)力發(fā)電機類型的不同。不同風(fēng)電機組的工作原理、數(shù)學(xué)模型都不相同，因此分析方法也有所差異。目前國內(nèi)風(fēng)電機組的主要機型有3種，每種機型都有其特點。
1.1異步風(fēng)力發(fā)電機
國內(nèi)已運行風(fēng)電場大部分機組是異步風(fēng)電發(fā)電機。主要特點是結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、價格便宜。這種發(fā)電機組為定速恒頻機沮，運行中轉(zhuǎn)速基本不變，風(fēng)力發(fā)電機組運行在風(fēng)能轉(zhuǎn)換最佳狀態(tài)下的幾率比較小，因而發(fā)電能力比新型機組低。
同時運行中需要從電力系統(tǒng)中吸收無功功率。為滿足電網(wǎng)對風(fēng)電場功率因數(shù)的要求，多采用在機端并聯(lián)補償電容器的方法，其補償策略是異步發(fā)電機配有若干組固定容量的電容器。
由于風(fēng)速大小隨氣候環(huán)境變化，驅(qū)動發(fā)電機的風(fēng)力機不可能經(jīng)常在額定風(fēng)速下運行，為了充分利用低風(fēng)速時的風(fēng)能，增加全年的發(fā)電量，近年廣泛應(yīng)用雙速異步發(fā)電機。這種雙速異步發(fā)電機可以改變極對數(shù)，有大、小電機2種運行方式。
1.2雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機
國內(nèi)還有一些風(fēng)電場選用雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機，大多來源于國外，價格較貴。這種機型稱為變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)，其風(fēng)力機可以變速運行，運行速度能在一個較寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，使風(fēng)機風(fēng)能利用系數(shù)Cp得到優(yōu)化，獲得高的利用效率;可以實現(xiàn)發(fā)電機較平滑的電功率輸出;發(fā)電機本身不需要另外附加無功補償設(shè)備，可實現(xiàn)功率因數(shù)在一定范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)，例如功率因數(shù)從領(lǐng)先0.95調(diào)節(jié)到滯后0.95范圍內(nèi)，因而具有調(diào)節(jié)無功功率出力的能力。
1.3直驅(qū)式交流永磁同步發(fā)電機
大型風(fēng)力發(fā)電機組在實際運行中，齒輪箱是故障較高的部件。采用無齒輪箱結(jié)構(gòu)能大大提高風(fēng)電機組的可靠性，降低故障率，提高風(fēng)電機組的壽命。目前國內(nèi)有風(fēng)電場使用了直驅(qū)式交流永磁同步發(fā)電機，運行時全部功率經(jīng)A-D-A變換，接入電力系統(tǒng)并網(wǎng)運行。與其他機型比較，需考慮諧波治理問題。
二、風(fēng)電并網(wǎng)對主電網(wǎng)運行的影響
由于風(fēng)速變化是隨機性的，因此風(fēng)電場的出力也是隨機的。風(fēng)電本身這種特點使其容量可信度低，給電網(wǎng)有功、無功平衡調(diào)度帶來困難。
在風(fēng)電容量比較高的電力網(wǎng)中，可能會產(chǎn)生質(zhì)量問題。例如電壓波動和閃變、頻率偏差、諧波等問題。更重要的是：系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定、動態(tài)穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定都需要驗證。
當(dāng)然，相同裝機容量的風(fēng)電場在不同的接入點對電網(wǎng)的影響也是不同的。在短路容量大的接入點對系統(tǒng)影響小。反之，影響就大。
定量分析風(fēng)電場對主電網(wǎng)運行的影響，要從穩(wěn)態(tài)和動態(tài)兩方面進行分析。穩(wěn)態(tài)分析就是對含風(fēng)電場的電力系統(tǒng)進行潮流計算。在穩(wěn)態(tài)潮流分析中，風(fēng)電場高壓母線不能簡單視為PQ節(jié)點或PU節(jié)點。含風(fēng)電場的電力系統(tǒng)對平衡節(jié)點的有功、無功平衡能力提出更高要求，要分別分析含風(fēng)電場電網(wǎng)在電網(wǎng)大、小運行方式下，是否滿足系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行的各種約束。
由于不同的風(fēng)電機組的工作原理、數(shù)學(xué)模型都不相同，因此，對不同類型風(fēng)電場的潮流計算方法也有所差異。對于異步發(fā)電機組組成的風(fēng)電場。采用風(fēng)電場、主系統(tǒng)分別迭代的方法：首先要設(shè)定風(fēng)速，取值范圍為風(fēng)機切入風(fēng)速到切出風(fēng)速之間。考慮尾流效應(yīng)，利用RAHMAN模型計算出各臺風(fēng)機輪轂處風(fēng)速。根據(jù)各臺風(fēng)機功率風(fēng)速曲線，計算出各臺發(fā)電機出力P，以及整個風(fēng)電場ΣP。
再設(shè)風(fēng)電場的電壓初始設(shè)定值值Uo，在不考慮風(fēng)電場內(nèi)部電壓損耗的情況下，所有風(fēng)機出口電壓都設(shè)為Uo，從而根據(jù)Uo、P計算出各臺風(fēng)機的無功功率Qi以及整個風(fēng)電場的ΣQ。由于風(fēng)電場己經(jīng)計算出P、Q，因此可視為PQ節(jié)點，代入主系統(tǒng)進行潮流計算，得出風(fēng)電場電壓U，將設(shè)定值Uo與計算值U進行比較，修正設(shè)定值，重新重復(fù)迭代，直至計算收斂。
由雙饋異步發(fā)電機組成的風(fēng)電場：當(dāng)雙饋異步發(fā)電機恒功率因數(shù)運行時，要先根據(jù)風(fēng)力機轉(zhuǎn)速控制規(guī)律計算轉(zhuǎn)差率S，再計算風(fēng)電場發(fā)出或吸收的無功功率Q，然后以PQ節(jié)點形式代入主系統(tǒng)進行潮流計算迭代。當(dāng)雙饋異步發(fā)電機恒電壓運行時，以PQ節(jié)點形式代入電力系統(tǒng)進行潮流計算。在某個設(shè)定風(fēng)速的計算完成后，改變設(shè)定風(fēng)速，進行新一輪的計算。
從上述計算過程可以看出，穩(wěn)態(tài)含風(fēng)電場電力系統(tǒng)潮流計算的結(jié)果，實質(zhì)上是一個各風(fēng)速下系統(tǒng)的潮流計算分布情況表。其中風(fēng)電場零出力、最大、最小出力等3種情況需要著重關(guān)注。
動態(tài)過程分析，一般采用仿真的方法。要考慮異步發(fā)電機、雙饋異步發(fā)電機等不同發(fā)電機的模型以及風(fēng)速、風(fēng)力機、槳距調(diào)節(jié)等環(huán)節(jié)，用仿真程序PSS/E、PSCAD、Matlab/Simulink、PSASP等進行分析。分析的關(guān)鍵是各種風(fēng)力發(fā)電機模型的選用。
分析風(fēng)電并網(wǎng)對主電網(wǎng)的影響，還需考慮風(fēng)電場無功問題。風(fēng)電場無功消耗包括：異步風(fēng)力發(fā)電機消耗，雙饋異步發(fā)電機和直流永磁同步機沒有此部分;風(fēng)機出口升壓變壓器，由于整個風(fēng)電場升壓變數(shù)目眾多，有成百上千臺，疊加起來數(shù)量不小;風(fēng)電場升壓變電站主變壓器消耗等。對于由異步風(fēng)力發(fā)電機組成的風(fēng)電場，應(yīng)考慮電壓穩(wěn)定性問題。如有必要，可采用動態(tài)電壓控制設(shè)備。
三、風(fēng)電并網(wǎng)的經(jīng)濟影響
風(fēng)電場的發(fā)電成本加上合理的利潤，構(gòu)成風(fēng)電的價格。2006年施行的<<可再生能源法>>中規(guī)定，電網(wǎng)企業(yè)必須全額收購可再生能源電量。費用高于常規(guī)能源發(fā)電平均上網(wǎng)電價，其電價之間的差額附加到銷售電價中分攤。
據(jù)統(tǒng)計，全國己建風(fēng)電場的電價水平在(0.46-1.2)元/(KWh)之間。目前，國內(nèi)風(fēng)電上網(wǎng)電價大概分為：成本利潤電價;特許權(quán)招標電價;全省統(tǒng)一電價等三種。與火電相比，風(fēng)電上網(wǎng)電價較高。
風(fēng)電場出力的隨機性，可能造成如負荷跟蹤、頻率控制、備用容量、無功功率和電壓調(diào)節(jié)等電網(wǎng)輔助服務(wù)的成本增加，從而影響了電網(wǎng)企業(yè)的效益。
四、結(jié)束語
近年來，中國風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的高速發(fā)展有目共睹，隨著風(fēng)電裝機容量的不斷增長，風(fēng)電并網(wǎng)對主電網(wǎng)所帶來的技術(shù)和經(jīng)濟影響越來越大，該領(lǐng)域的研究無論是對風(fēng)電發(fā)電商，還是對電網(wǎng)公司都愈顯其戰(zhàn)略重要性。
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