大型風電場并網(wǎng)運行的若干技術問題研究

汪天呈 王克 甘瑜前

摘要：首先對大型風電場并網(wǎng)運行模式進行了簡要介紹，然后在此基礎上，針對大型風電場并網(wǎng)運行中主要面臨的技術問題進行了研究，為我國大型風電場規(guī)劃設計與運行提供了參考。

關鍵詞：大型風電場;并網(wǎng)運行;共振型低頻振蕩;抗干擾能力評價

0 引言

風能屬于可再生資源，在全球能源緊缺的背景下，風能的開發(fā)利用受到了全世界的廣泛關注，風電技術得到了不斷發(fā)展。我國具有豐富的風能資源，為風電項目開發(fā)創(chuàng)造了有利條件。與常規(guī)能源發(fā)電相比，我國的風力發(fā)電具有一定特殊性：一方面是風能資源不均衡，雖然我國具有豐富的風能資源，但主要集中在華北、西北及東部沿海地區(qū)，風能資源分布不均衡使許多大型風電場在進行風力發(fā)電時，需要依靠超高壓系統(tǒng)輸出風電，相較于世界其他地方，我國風電場裝機容量較大，給風電場電網(wǎng)的穩(wěn)定性等帶來負面影響。風電系統(tǒng)并網(wǎng)運行不僅導致整個電力系統(tǒng)更加復雜，還會嚴重影響電能質(zhì)量及輸電穩(wěn)定性。另一方面是受到輸電形式的影響，目前我國大型風電場主要采用的是直流輸電系統(tǒng)進行風電輸送，將西部地區(qū)大型風電場產(chǎn)生的電能向東部負荷中心輸送，以此解決風能資源不平衡的問題。本文在充分利用、開發(fā)風能資源的基礎上，分析大型風電場并網(wǎng)運行存在的技術問題，希望能為風電場的規(guī)劃、設計及運行提供參考。

1 發(fā)電機并網(wǎng)運行

發(fā)電機并網(wǎng)運行就是將發(fā)電機同步并入電網(wǎng)中，對電網(wǎng)輸出電能。發(fā)電機并網(wǎng)運行屬于一種運行連接模式，在這一模式中將發(fā)電機與系統(tǒng)電網(wǎng)連接，并保持發(fā)電機的電壓、頻率等與系統(tǒng)電網(wǎng)一致。目前在發(fā)電機并網(wǎng)運行中，主要是通過準同期和自同期兩種方法并網(wǎng)，其中準同期指的是將發(fā)電機的電壓、頻率、相位等與系統(tǒng)電網(wǎng)保持一致，從而實現(xiàn)與電網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng);自同期是指待系統(tǒng)電網(wǎng)與發(fā)電機的共有頻率一致時，將發(fā)電機出口斷路器合上，并與電網(wǎng)系統(tǒng)連接，然后再將發(fā)電機的勵磁電流、壓力升高，進而實現(xiàn)與電網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)運行。從實際應用情況來看，在大型風電場中，主要是通過準同期模式進行并網(wǎng)，借助微機技術判斷是否達到同期條件，然后在此基礎上自動發(fā)出斷路器合閘信號，進而實現(xiàn)并網(wǎng)。大型風電場并網(wǎng)模式如圖1所示。

風力發(fā)電場并網(wǎng)運行，除了風能本身具有環(huán)保優(yōu)勢以外，還具備以下幾個方面的優(yōu)點：（1）建設工期短，發(fā)電機組及其他輔助性設備在設計和安裝時較簡單，一般情況下，建立一個10 MW級的風電場，建設工期不會超過1年。（2）占地面積小，且對土地質(zhì)量要求低。在大型風電場中，風電機組設備所占的建筑面積較小，所以一般情況下其他場地還可用于農(nóng)牧業(yè)和漁業(yè)發(fā)展。（3）自動化程度高，隨著科技的發(fā)展，可實現(xiàn)對風電場的自動化運行管理，不需要配置專門人員值守。

風電場并網(wǎng)運行雖然有許多優(yōu)點，但也存在局限性，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）自然風能不可控，難以實現(xiàn)風能的大量儲存，在現(xiàn)有技術條件下難以對風電機組進行有效調(diào)節(jié);（2）供電不穩(wěn)定，這主要是因為難以準確對風速進行預測，且發(fā)電機組在輸出電能時存在隨機性問題，不能滿足發(fā)電容量需求;（3）風能利用率較低，相較于水輪機，要想獲得同樣的發(fā)電容量，就需要增大風力發(fā)電機的尺寸，主要是因為風能的能量密度較低，實際上風力發(fā)電機的最大風能利用率是40%，所以一定程度上會阻礙風電機組容量及風電場規(guī)模的進一步發(fā)展。

2 大型風電場并網(wǎng)運行中重點需要解決的技術問題

2.1? ? 輸電系統(tǒng)共振型低頻振蕩風險問題

在單機容量有限的情況下，一般情況下，小型風電場與系統(tǒng)電網(wǎng)并網(wǎng)之后，風電場與發(fā)電機距離較遠，所以基本不會出現(xiàn)功率諧振的情況。但是對于直接聯(lián)入輸電網(wǎng)絡的大型風電場而言，則很容易出現(xiàn)共振型低頻振蕩風險。導致這一風險發(fā)生的主要原因包括：（1）原動力不可控，也就上述提到的風力發(fā)電具有不可控的特點，自然風速具有隨機性和不穩(wěn)定性，風能在導入每一組風力發(fā)電機時都可能成為激勵源。（2）相較于常規(guī)的發(fā)電機組，風電機組在整體結(jié)構(gòu)上具有較高的柔性，使得機械振動問題難以避免，并直接導致風電機組存在輸出功率振蕩的問題。（3）在平均轉(zhuǎn)矩方面，風電機組的平均轉(zhuǎn)矩比傳統(tǒng)發(fā)電機組的平均轉(zhuǎn)矩要高出20%以上，尤其是對于大型風電場而言，風電機組還會出現(xiàn)幾十萬千瓦的功率振蕩，嚴重威脅輸電系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。（4）在風電場功率振蕩頻率與電力系統(tǒng)的低頻振蕩頻率一致的情況下，發(fā)生共振風險的概率大大提升。

2.2? ? 輸電系統(tǒng)抗干擾能力評價與預警問題

隨著科技發(fā)展，我國在風力發(fā)電技術上取得了顯著成效，但仍然經(jīng)常發(fā)生風電事故，主要是因為風電機組及風電場并網(wǎng)時，缺乏完善的監(jiān)測指標和制度，大部分風電機組在電能質(zhì)量、功率、電壓及調(diào)節(jié)功能等方面并未形成科學的監(jiān)測系統(tǒng)，加之風電場本身比常規(guī)電場的抗干擾能力低，所以在風電場并網(wǎng)運行中的持續(xù)性發(fā)電受到阻礙。尤其是對于一些大型且抗干擾能力較差的風電場而言，在并網(wǎng)運行時很容易出現(xiàn)反復脫網(wǎng)的問題，不利于保障輸電系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。除此之外，相較于常規(guī)電站，風電場具有一定的特殊性，不僅需要大量機組，且目前許多大型風電場并沒有建立起可靠性較高的數(shù)學模型，無法對風電場的離線穩(wěn)定性等參數(shù)進行準確計算和分析，在風電機組長時間運行的情況下，會影響輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，大型風電場在并網(wǎng)之前應當進行嚴格的測試，并在并網(wǎng)后進行實時、動態(tài)地抗干擾能力監(jiān)測與評價，以此對大型風電場的安全性進行分析，一旦出現(xiàn)異常情況可及時向大型風電場的電網(wǎng)運行人員發(fā)出報警信息，使其能科學有效地進行應急處理。

2.3? ? 風電機組與其他常規(guī)機組協(xié)調(diào)控制問題

大型風電場并網(wǎng)運行后，很多學者主要針對其發(fā)電穩(wěn)定性進行了研究和分析，因為發(fā)電穩(wěn)定性尤其重要，一旦發(fā)電出現(xiàn)異常，就會對大型風電場的接入元件造成損壞，進而引發(fā)風電事故。但是，大型風電場并網(wǎng)運行后，其發(fā)電穩(wěn)定性是變好還是變壞，并沒有一個系統(tǒng)的、固定的結(jié)論。相關專家雖然對大電網(wǎng)接入大型風電場中其穩(wěn)定性趨于變好還是變差進行了系統(tǒng)研究，但是仍然存在一些問題，主要表現(xiàn)在當電網(wǎng)大規(guī)模接受異步電動機導出的功率時，仍未徹底解決如何做到“趨利避害”，確保電網(wǎng)接入大型風電機組系統(tǒng)時整體系統(tǒng)穩(wěn)定性的提升的問題，關鍵在于風電機組與其他常規(guī)機組的協(xié)調(diào)控制問題，需要對大型風電機組對同步機組產(chǎn)生的影響以及風電機組與其他常規(guī)同步機組的交互作用進行研究。

3 結(jié)語

我國大型風電場大規(guī)模并網(wǎng)運行是一項復雜的工程，為確保大規(guī)模并網(wǎng)運行工程能順利開展，需要對當前大型風電場并網(wǎng)運行技術進行改造與升級。為此，本文在介紹發(fā)電機并網(wǎng)運行模式的基礎上，提出了大型風電場并網(wǎng)運行時需要解決的3個技術問題，希望能更好地促進大型風電場大規(guī)模并網(wǎng)運行工程的發(fā)展。

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收稿日期：2020-07-22

作者簡介：汪天呈（1990—），男，安徽黃山人，碩士研究生，研究方向：新能源并網(wǎng)。