并網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)定性分析

王長(zhǎng)春

摘 要：考慮到實(shí)際的風(fēng)電機(jī)組在安裝的過(guò)程中會(huì)受到很多方面因素的影響，且這些影響會(huì)對(duì)并網(wǎng)發(fā)電產(chǎn)生干擾。所以，對(duì)并網(wǎng)運(yùn)行下風(fēng)電機(jī)組穩(wěn)定性的探討具有重要意義。

關(guān)鍵詞：并網(wǎng)運(yùn)行；風(fēng)電機(jī)組；穩(wěn)定性

中圖分類(lèi)號(hào)：TM614 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7344（2018）32-0112-01

引 言

風(fēng)力發(fā)電作為可再生能源的主要利用方式，近年來(lái)得到了快速發(fā)展。過(guò)去10年，世界范圍內(nèi)風(fēng)力發(fā)電年均增長(zhǎng)28%。中國(guó)不斷加大對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的投資建設(shè)，到2020年力爭(zhēng)使風(fēng)力裝機(jī)容量達(dá)到30GW。隨著大型風(fēng)電場(chǎng)在電網(wǎng)中并網(wǎng)比例的增多，風(fēng)電場(chǎng)給電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。

1 影響風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的因素

1.1 聯(lián)接螺栓力矩的保證

在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，螺栓的聯(lián)接起著非常重要的作用，所以，螺栓必須要有高標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量和安全系數(shù)分析，從而避免螺栓突然變形、斷裂而引起的突發(fā)情況，然后，在風(fēng)電機(jī)組安裝完畢之后，要對(duì)螺栓力矩值進(jìn)行分析和檢驗(yàn)，使其相關(guān)的數(shù)據(jù)達(dá)到安全系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組使用一段時(shí)間后，要及時(shí)的對(duì)它們進(jìn)行檢修，在檢修的過(guò)程中，主要用液壓扳手對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)，而且液壓扳手不能超過(guò)3個(gè)百分點(diǎn)的數(shù)據(jù)誤差，假如螺母的旋轉(zhuǎn)角度與擰緊時(shí)的夾角超過(guò)了20°之后，就要對(duì)其進(jìn)行全面的檢查，假如夾角超過(guò)了50°之后，就要及時(shí)的更換螺母，避免螺母的損壞而破壞風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。

1.2 良好的絕緣性能

風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中，其運(yùn)行的穩(wěn)定性受風(fēng)電設(shè)備絕緣性能的影響很大，如果線路與線路之間的絕緣性能出現(xiàn)問(wèn)題，就會(huì)很容易被擊穿，如果風(fēng)電機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間在這種環(huán)境下運(yùn)行，熱擊穿以及電化學(xué)擊穿的問(wèn)題很有可能會(huì)發(fā)生，不利于風(fēng)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，如果絕緣性能不好，絕緣工作不到位，當(dāng)最大的電壓值比臨界值要高時(shí)，就會(huì)造成發(fā)電機(jī)組損壞，嚴(yán)重時(shí)很有可能會(huì)造成嚴(yán)重的火災(zāi)事故。所以，在選用風(fēng)電機(jī)組時(shí)，要對(duì)它的各方面系數(shù)進(jìn)行分析和測(cè)評(píng)，特別是對(duì)絕緣性能的分析要十分謹(jǐn)慎，選擇優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，才能保證其運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的安全。

1.3 良好的環(huán)控裝置

環(huán)控裝置主要是在機(jī)組運(yùn)作過(guò)程中起調(diào)節(jié)作用的裝置，包括了變流器和發(fā)電機(jī)散熱系統(tǒng)、齒輪油冷卻系統(tǒng)、以及雙饋型機(jī)組等系統(tǒng)，良好的環(huán)控裝置，可以使得風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行更加穩(wěn)定、安全可靠。在一般的風(fēng)電機(jī)組中，設(shè)計(jì)的溫度在25～45℃之間就可以了，但是，在極其惡劣的環(huán)境中，還需要增加一些相關(guān)的設(shè)備，適當(dāng)?shù)恼{(diào)整控制的設(shè)備，為風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行提供一個(gè)安全、穩(wěn)定的環(huán)境。

2 并網(wǎng)運(yùn)行對(duì)風(fēng)電機(jī)組穩(wěn)定性的影響及控制

2.1 風(fēng)電對(duì)電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的影響

電壓穩(wěn)定性是指電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行中受到擾動(dòng)，維持系統(tǒng)所有母線電壓保持允許范圍內(nèi)的能力。當(dāng)電力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)負(fù)荷增加或改變系統(tǒng)條件時(shí)，電壓可能會(huì)連續(xù)或失控地衰減，導(dǎo)致系統(tǒng)電壓不穩(wěn)定。根本原因在于無(wú)法滿(mǎn)足電力系統(tǒng)無(wú)功功率要求，通常是因負(fù)荷變化或是聯(lián)絡(luò)線傳輸功率過(guò)大造成無(wú)功損耗過(guò)大而引起的。

從各國(guó)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行現(xiàn)狀看，電壓穩(wěn)定性問(wèn)題仍然存在，這是由風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功特性決定的。在高出力階段，并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組由本來(lái)的受端系統(tǒng)轉(zhuǎn)為送端系統(tǒng)，對(duì)電網(wǎng)輸出功率。風(fēng)電場(chǎng)引起的電壓穩(wěn)定性降低、電壓崩潰與常規(guī)電力系統(tǒng)失穩(wěn)的機(jī)理一致。

風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電壓穩(wěn)定性的影響是多方面的。恒速異步機(jī)組在運(yùn)行中同時(shí)進(jìn)行有功與無(wú)功的出力，無(wú)功需求量較多，導(dǎo)致風(fēng)電在并入電網(wǎng)時(shí)電壓不穩(wěn)定。此外，并網(wǎng)地區(qū)的短路容量、輸出線路的R/X比以及風(fēng)電場(chǎng)采取的無(wú)功補(bǔ)償方式也會(huì)影響電壓的穩(wěn)定。風(fēng)電場(chǎng)的主力機(jī)型仍是恒速風(fēng)電機(jī)組。因無(wú)功需求量較高所引發(fā)的電壓不穩(wěn)定問(wèn)題尤為突出，所以恒速機(jī)組并網(wǎng)電壓穩(wěn)定問(wèn)題是一項(xiàng)值得研究的課題。具體地，可以考慮發(fā)揮SVC，STATCOM等電氣設(shè)備的無(wú)功補(bǔ)償優(yōu)勢(shì)，增強(qiáng)電網(wǎng)電壓的暫態(tài)穩(wěn)定性。

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相比于恒速風(fēng)電機(jī)組，具有風(fēng)能利用最大化、無(wú)功需求少等優(yōu)點(diǎn)。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)電壓不穩(wěn)導(dǎo)致電網(wǎng)故障，會(huì)使風(fēng)力機(jī)組大面積脫網(wǎng)運(yùn)行，致使電網(wǎng)電壓崩潰。因此，要提高故障期間風(fēng)力風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力，需關(guān)注以下兩個(gè)方面：

①優(yōu)化控制策略，提高風(fēng)電機(jī)組對(duì)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁鏈的同步跟蹤準(zhǔn)確性，保證機(jī)組在電網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)不脫網(wǎng)運(yùn)行；②在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，適時(shí)啟用Crowbar電路，減少風(fēng)電機(jī)組對(duì)電網(wǎng)無(wú)功功率的吸收，同時(shí)利用STATCOM裝置進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，避免電網(wǎng)電壓進(jìn)一步降低。

2.2 風(fēng)電對(duì)電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的影響

電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定與有功功率的平衡緊密相連。在電網(wǎng)有功功率與負(fù)荷不平衡時(shí)，如短路、斷線故障及解列機(jī)組等問(wèn)題，均會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)頻率出現(xiàn)波動(dòng)。由于風(fēng)電發(fā)電功率難以預(yù)測(cè)，風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量與負(fù)荷量間的平衡需要其他發(fā)電機(jī)組來(lái)調(diào)節(jié)，如傳統(tǒng)的火電、水電。隨著風(fēng)電在電網(wǎng)中的比例逐漸增大，風(fēng)電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)頻率的影響不容忽視。

當(dāng)電網(wǎng)因功率不平衡引起電網(wǎng)頻率下降時(shí)，系統(tǒng)慣量大小對(duì)系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性將起到關(guān)鍵作用。慣量降低會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)頻率進(jìn)一步降低，擴(kuò)大頻率事故的不良影響范圍。當(dāng)電網(wǎng)頻率不正常時(shí)，恒速風(fēng)電機(jī)組與雙饋風(fēng)電機(jī)組的頻率響應(yīng)特性截然不同。恒速異步機(jī)組由于系統(tǒng)頻率與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速禍合程度較高，系統(tǒng)頻率降低，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也隨之降低，部分動(dòng)能被釋放，提高了機(jī)組的慣量響應(yīng)能力，有利于電網(wǎng)頻率故障的恢復(fù)。雙饋風(fēng)電機(jī)組因其轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率能實(shí)現(xiàn)完全解禍，所以當(dāng)電網(wǎng)頻率故障時(shí)機(jī)組難以提供慣量，需要通過(guò)增加功率裕度、增設(shè)儲(chǔ)能裝置及混合型風(fēng)電場(chǎng)等手段，提高風(fēng)電并網(wǎng)頻率的穩(wěn)定性。

3 結(jié) 語(yǔ)

總而言之，在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的過(guò)程中，風(fēng)電機(jī)組的整體性和穩(wěn)定性起著非常重要的作用，不容忽視，要想保證風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中的安全，就必須要對(duì)風(fēng)電機(jī)組的質(zhì)量進(jìn)行管理，確保風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)定性。這就需要各方面的共同努力，作為風(fēng)電機(jī)組制造行業(yè)，要有統(tǒng)一的制造標(biāo)準(zhǔn)和體系建設(shè)，確保設(shè)備的穩(wěn)定性，制造出質(zhì)量上乘的風(fēng)電機(jī)組，國(guó)家也應(yīng)該在運(yùn)行管理、規(guī)劃建設(shè)、并網(wǎng)監(jiān)測(cè)等相關(guān)的方面制定出各種安全的標(biāo)準(zhǔn)，才能夠使得風(fēng)電行業(yè)有著更為安全穩(wěn)定的發(fā)展。

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收稿日期：2018-9-23