風(fēng)電場(chǎng)接入對(duì)發(fā)電計(jì)劃和調(diào)度的影響

西昌學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院 佘慶桃 褚曉銳

國(guó)家發(fā)改委能源研究所與國(guó)際能源署（IEA）在2019年10月19日發(fā)布的《中國(guó)風(fēng)電發(fā)展路線圖2050》擬定了未來40年中國(guó)風(fēng)電發(fā)展目標(biāo)：裝機(jī)容量到2020年達(dá)到2億千瓦、2030年達(dá)到4億千瓦和2050年10億千瓦，到2050年風(fēng)力發(fā)電將滿足17%的國(guó)內(nèi)電力需求。未來40年為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)將帶來12萬億元建設(shè)投資需求。投資經(jīng)濟(jì)性方面，按照計(jì)劃預(yù)計(jì)到2020年左右陸上風(fēng)電投資成本將與煤電投資持平。為解決風(fēng)電并網(wǎng)問題，急需制定和落實(shí)風(fēng)電分級(jí)和跨區(qū)域消納，協(xié)調(diào)風(fēng)電、其他形式的電源和大規(guī)模電網(wǎng)建設(shè)與運(yùn)行，改革并完善電力市場(chǎng)運(yùn)行機(jī)制。

1 風(fēng)電場(chǎng)的特性

風(fēng)量的大小決定了風(fēng)電出力，而環(huán)境氣候又影響風(fēng)量大小和持續(xù)時(shí)間，這就造成了風(fēng)電場(chǎng)出力存在波動(dòng)性和隨機(jī)性。盡管無法管控風(fēng)力的變化，但可讓風(fēng)力發(fā)電變得更有價(jià)值及可預(yù)測(cè)性。根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)所處地理位置的氣候條件及風(fēng)電場(chǎng)相關(guān)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)電預(yù)測(cè)，結(jié)合恰當(dāng)?shù)念A(yù)測(cè)方法進(jìn)行風(fēng)電建模，還可實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)功率預(yù)測(cè)。由于實(shí)際應(yīng)用的需求和預(yù)測(cè)時(shí)間的不同，最好采用不同的方法及數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)預(yù)測(cè)策略。因?yàn)轱L(fēng)電廠每日發(fā)電量存在一定波動(dòng)，而電網(wǎng)最被人們所需要的就是可靠性。電網(wǎng)的潮流分布、流向、電壓和功率都會(huì)受風(fēng)電接入電網(wǎng)影響；同時(shí)電能質(zhì)量和電網(wǎng)的暫態(tài)特性也會(huì)受輸電線路網(wǎng)損的影響。風(fēng)電場(chǎng)不同接入方案也會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成不同的影響。電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的電壓跌落、電壓波動(dòng)與閃變和諧波也會(huì)受風(fēng)電機(jī)組影響，而且在風(fēng)電并網(wǎng)時(shí)還會(huì)產(chǎn)生諧波和閃變。

2 風(fēng)電場(chǎng)接入對(duì)電網(wǎng)靜態(tài)穩(wěn)定性的影響分析

風(fēng)電場(chǎng)就近接入電網(wǎng)，接入點(diǎn)位置單一，地理位置偏僻遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，需長(zhǎng)距離輸電網(wǎng)。風(fēng)電場(chǎng)容量在電網(wǎng)總裝機(jī)容量中比例不高，所以對(duì)電網(wǎng)頻率的影響甚微。風(fēng)電場(chǎng)一般位于電網(wǎng)末端，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱。對(duì)于含雙饋電機(jī)的風(fēng)電場(chǎng)，轉(zhuǎn)子也接入電源，在發(fā)出有功無功功率時(shí)，無功功率不平衡是由于風(fēng)電場(chǎng)兩級(jí)變壓器和輸電線路消耗的無功功率造成的，電壓變化原因是線路電阻、電抗與功率損耗引起的，因此電壓穩(wěn)定性受到風(fēng)電場(chǎng)接入對(duì)電網(wǎng)的影響；對(duì)于含異步發(fā)電機(jī)的風(fēng)電場(chǎng)，異步發(fā)電機(jī)會(huì)產(chǎn)生鐵耗，且異步發(fā)電機(jī)是感性的,定子繞組靠電網(wǎng)電壓進(jìn)行勵(lì)磁，在發(fā)出有功功率的同時(shí)會(huì)吸收電網(wǎng)滯后性的無功功率，導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)接入點(diǎn)無功不足節(jié)點(diǎn)電壓降低；對(duì)于含直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)的風(fēng)電場(chǎng)，該風(fēng)機(jī)特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，風(fēng)輪與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子直聯(lián)，提高了機(jī)組可靠性和傳動(dòng)效率，發(fā)電量比常規(guī)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組提高了5～15%。永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)具備較強(qiáng)電容補(bǔ)償、低電壓穿越能力，同時(shí)對(duì)電網(wǎng)沖擊小，有較好的電網(wǎng)兼容性。

為增強(qiáng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性，需增加風(fēng)電場(chǎng)的有功出力來提高負(fù)荷特性極限功率,同時(shí)風(fēng)電場(chǎng)的無功需求又使得負(fù)荷特性的極限功率降低，削弱了靜態(tài)電壓穩(wěn)定性。在過去20年風(fēng)電發(fā)展過程中，各地風(fēng)電場(chǎng)的不斷新建、改建及擴(kuò)建，可能一個(gè)電網(wǎng)中有不同類型的風(fēng)電場(chǎng)，每個(gè)風(fēng)電場(chǎng)中又有不同類型的風(fēng)機(jī)。電壓的穩(wěn)定與接入點(diǎn)的短路容量、送出線路R/X的比值和風(fēng)電場(chǎng)的無功補(bǔ)償措施有關(guān)。為了提高接入電網(wǎng)的靜態(tài)穩(wěn)定性，可考慮在風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)階段優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，提高風(fēng)電接入點(diǎn)的短路容量；設(shè)計(jì)輸電線路是考慮降低線路的電阻、電抗和功率，減少輸電線路的無功損耗；對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)出力過程中無功不足的情況，可考慮在風(fēng)電機(jī)組旁增設(shè)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，其響應(yīng)快、跟隨性強(qiáng)，比如就地增設(shè)SVG。

3 風(fēng)電場(chǎng)接入對(duì)電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響

感應(yīng)發(fā)電機(jī)無勵(lì)磁系統(tǒng)，勵(lì)磁需從電網(wǎng)中吸收滯后的電流。隨著有功出力的增加機(jī)端從電網(wǎng)中吸收無功功率亦增加，導(dǎo)致機(jī)端電壓下降，有些在機(jī)端配備并聯(lián)無功補(bǔ)償裝置來改善機(jī)端電壓達(dá)到電網(wǎng)要求。在電網(wǎng)短路故障瞬間，對(duì)于擾動(dòng)不大的情況，感應(yīng)發(fā)電機(jī)有能力在轉(zhuǎn)差變化不大情況下達(dá)到新的平衡狀態(tài),滿足機(jī)械轉(zhuǎn)矩與電磁轉(zhuǎn)矩平衡。當(dāng)系統(tǒng)電壓下降過大、激磁磁場(chǎng)的磁通下降，異步發(fā)電機(jī)將達(dá)不到機(jī)械轉(zhuǎn)矩與電磁轉(zhuǎn)矩平衡，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速將不斷上升。如電網(wǎng)電壓不能在一定時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常，無法恢復(fù)平衡狀態(tài)，將會(huì)導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組退出運(yùn)行。如果風(fēng)電場(chǎng)中同時(shí)切除大量的機(jī)組，可能會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)的功角不穩(wěn)定。

風(fēng)電接入強(qiáng)電網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)在于大型風(fēng)電場(chǎng)發(fā)生三相短路后，即使沒有無功補(bǔ)償系統(tǒng)電壓也可恢復(fù)。由于局部電網(wǎng)的特性和控制能力，風(fēng)電場(chǎng)在達(dá)到極限穿透容量時(shí)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性可能無法保證。風(fēng)電并網(wǎng)前除了要做試驗(yàn)與研究還應(yīng)做好檢測(cè)工作，包括風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)檢測(cè)（即型式試驗(yàn)）和風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)檢測(cè)（即現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)）。在系統(tǒng)的無功儲(chǔ)備充足情況下，當(dāng)接入的風(fēng)電容量在一定范圍內(nèi)，系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性受風(fēng)電場(chǎng)在故障和系統(tǒng)解列影響不大。

按照《國(guó)家能源局關(guān)于加強(qiáng)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行管理的通知》（國(guó)能新能〔2011〕182號(hào)）、《國(guó)家能源局綜合司關(guān)于印發(fā)風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)檢測(cè)工作協(xié)調(diào)會(huì)議紀(jì)要的通知》（國(guó)能綜新能〔2012〕160號(hào)）以及相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求，風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)檢測(cè)內(nèi)容包括風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)性能評(píng)價(jià)；風(fēng)電場(chǎng)電能質(zhì)量檢測(cè)；風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力驗(yàn)證檢測(cè)（抽檢）；風(fēng)電場(chǎng)有功、無功控制能力檢測(cè)。按照《風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)檢測(cè)管理暫行辦法》（國(guó)能新能〔2010〕433號(hào)）的規(guī)定，風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)檢測(cè)內(nèi)容包括：風(fēng)電機(jī)組電氣模型驗(yàn)證；風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力檢測(cè)；風(fēng)電機(jī)組電網(wǎng)適應(yīng)性檢測(cè)；風(fēng)電機(jī)組有功功率、無功功率調(diào)節(jié)能力檢測(cè)；風(fēng)電機(jī)組電能質(zhì)量檢測(cè)。

所以一方面要對(duì)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，保證風(fēng)電場(chǎng)接入的是強(qiáng)電網(wǎng)；同時(shí)在接入前應(yīng)做好風(fēng)電接入容量測(cè)試，保證接入容量在電網(wǎng)控制范圍內(nèi)；做好并網(wǎng)檢測(cè)保證風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)后保證電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。

4 風(fēng)電場(chǎng)不同的控制方式對(duì)發(fā)電的影響

根據(jù)電網(wǎng)預(yù)測(cè)規(guī)范，根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)的歷史風(fēng)速、歷史功率、天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)、地形地貌、風(fēng)電機(jī)組設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)建立風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的預(yù)測(cè)模型，模型的輸入量是風(fēng)速、功率或數(shù)值天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，同時(shí)結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組的運(yùn)行工況和設(shè)備狀態(tài)，預(yù)測(cè)風(fēng)電場(chǎng)未來的有功功率。理論功率計(jì)算方法可參見《風(fēng)電場(chǎng)理論發(fā)電量與棄風(fēng)電量評(píng)估導(dǎo)則》NB/T31055-2014。

風(fēng)電場(chǎng)的動(dòng)態(tài)性能會(huì)根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)不同的控制方式而變化。在保證安全和穩(wěn)定的前提下，為提高風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行效率，根據(jù)當(dāng)前電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)和風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行工況，應(yīng)實(shí)時(shí)調(diào)整風(fēng)電場(chǎng)的控制方式，主要有恒電壓控制方式和功率因數(shù)控制方式。恒電壓控制是系統(tǒng)無功不足時(shí)充分發(fā)揮風(fēng)電場(chǎng)的無功補(bǔ)償能力，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)參與電網(wǎng)的電壓控制，還可緊急切換控制方式來提高風(fēng)電場(chǎng)的故障穿越能力。風(fēng)電場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)接入點(diǎn)電壓，監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)一控制風(fēng)電場(chǎng)的無功功率，而有功功率控制是以捕捉最大風(fēng)能為目標(biāo)。當(dāng)系統(tǒng)無功充足時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)的無功調(diào)節(jié)對(duì)電網(wǎng)的影響不大。從經(jīng)濟(jì)運(yùn)行考慮，為了減少運(yùn)行損耗提高風(fēng)電機(jī)組出力，風(fēng)電場(chǎng)宜采用功率因數(shù)控制方式。

5 制定綜合控制策略

風(fēng)電出力對(duì)系統(tǒng)負(fù)荷峰谷差的影響，取決于風(fēng)電日內(nèi)出力變化幅度及方向與負(fù)荷變化幅度及方向的關(guān)系。風(fēng)能資源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是進(jìn)行風(fēng)能資源開發(fā)利用的基礎(chǔ)。電網(wǎng)調(diào)控機(jī)構(gòu)的風(fēng)電功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)能預(yù)測(cè)單個(gè)風(fēng)電場(chǎng)至整個(gè)調(diào)度管轄區(qū)域的風(fēng)電輸出功率。根據(jù)風(fēng)電對(duì)電網(wǎng)等效負(fù)荷峰谷差改變模式的不同，將風(fēng)電日內(nèi)出力調(diào)峰效應(yīng)分為正調(diào)峰、反調(diào)峰與過調(diào)峰3種情形。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷與風(fēng)電日內(nèi)出力增減趨勢(shì)基本一致、且系統(tǒng)負(fù)荷峰谷差大于風(fēng)電出力峰谷差，風(fēng)電接入后系統(tǒng)等效負(fù)荷曲線峰谷差變小，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電正調(diào)峰；當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷曲線與風(fēng)電日內(nèi)出力增減趨勢(shì)相反，風(fēng)電接入后系統(tǒng)等效負(fù)荷曲線峰谷差變大，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電反調(diào)峰；當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷與風(fēng)電日內(nèi)出力增減趨勢(shì)基本相同，系統(tǒng)負(fù)荷峰谷差小于風(fēng)電出力峰谷差，風(fēng)電接入后系統(tǒng)等效負(fù)荷曲線峰谷反轉(zhuǎn)，變成風(fēng)電過調(diào)峰。而且在負(fù)荷相對(duì)于風(fēng)電裝機(jī)容量的比例較小時(shí)才有可能出現(xiàn)風(fēng)電過調(diào)峰。

在對(duì)某市某典型日風(fēng)電出力和負(fù)荷曲線進(jìn)行了分析后，不難發(fā)現(xiàn)在每日峰谷時(shí)刻負(fù)荷需求都與風(fēng)電場(chǎng)的出力相反，說明風(fēng)電場(chǎng)具有明顯的反調(diào)峰特性。調(diào)控部門應(yīng)能對(duì)預(yù)測(cè)曲線進(jìn)行誤差估計(jì)，同時(shí)對(duì)風(fēng)電功率預(yù)測(cè)曲線進(jìn)行修正，預(yù)測(cè)給定置信度的誤差范圍。電網(wǎng)調(diào)控機(jī)構(gòu)的風(fēng)電功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)預(yù)測(cè)值的時(shí)間分辨率為15分鐘；單個(gè)風(fēng)電場(chǎng)每15分鐘提供一次未來4小時(shí)風(fēng)電功率預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)；同時(shí)至少應(yīng)提供次日96點(diǎn)單個(gè)風(fēng)電場(chǎng)和區(qū)域風(fēng)電功率預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。由于接入電網(wǎng)常規(guī)電源調(diào)峰能力有限，調(diào)控部門在進(jìn)行調(diào)峰時(shí)，除調(diào)用有調(diào)峰能力的水電和風(fēng)電接入電網(wǎng)內(nèi)的火電進(jìn)行調(diào)峰，為解決調(diào)峰問題還可考慮調(diào)動(dòng)相鄰電網(wǎng)水電進(jìn)行調(diào)峰。

綜上而言，根據(jù)風(fēng)電的隨機(jī)性,結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行工況可靈活改變電風(fēng)電場(chǎng)的控制方式，在恒電壓控制和功率因數(shù)之間切換，使風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行達(dá)到最大的經(jīng)濟(jì)效益。大規(guī)模風(fēng)電接入使電網(wǎng)調(diào)峰需求急劇增加，調(diào)度可靈活的利用網(wǎng)內(nèi)和網(wǎng)間具有調(diào)峰能力的水、電進(jìn)行調(diào)節(jié)。