大型風(fēng)電場并網(wǎng)運行的若干技術(shù)問題

車艷琴

摘要：傳統(tǒng)同步電網(wǎng)中，電源基地建設(shè)、電網(wǎng)規(guī)劃及接入方案、并網(wǎng)運行一直是其研究的關(guān)鍵性問題。目前，學(xué)術(shù)界關(guān)于風(fēng)電基地審批及電網(wǎng)規(guī)劃這兩大環(huán)節(jié)的建設(shè)都突飛猛進，而對于風(fēng)電并網(wǎng)的研究則相對較為滯后。在大型風(fēng)電場并網(wǎng)運行領(lǐng)域，至今存在各類型屬于世界性難題的技術(shù)問題，如現(xiàn)代大型風(fēng)電機組穩(wěn)定機理、百萬千萬級風(fēng)電場接入系統(tǒng)方案等問題。因此，在大型風(fēng)電場并網(wǎng)運行相關(guān)研究及我國風(fēng)電并網(wǎng)問題特殊性分析的基礎(chǔ)上，分析目前風(fēng)電場并網(wǎng)運行存在的關(guān)鍵問題，以期為我國風(fēng)電事業(yè)的穩(wěn)健發(fā)展提供一定參考。

關(guān)鍵詞：大型風(fēng)電場;并網(wǎng)運行;技術(shù)問題

引言

在全球各地的各類型可再生能源中，風(fēng)能屬于熱點能源，全世界都積極展開風(fēng)能的開發(fā)，也促進了風(fēng)電技術(shù)不斷升級。一直以來，我國擁有著豐富的風(fēng)能資源，這就為風(fēng)電開發(fā)奠定了極為便利的基礎(chǔ)。對于風(fēng)能利用，并網(wǎng)發(fā)電屬于目前大規(guī)模風(fēng)電場在風(fēng)能開發(fā)過程中的最重要形式，因此學(xué)術(shù)界對于并網(wǎng)運行存在的各類型問題極為關(guān)注。

一、發(fā)電機并網(wǎng)運行概述

發(fā)電機并網(wǎng)是指將發(fā)電機同步并入電網(wǎng)，以向電網(wǎng)輸出電能。發(fā)電機組并網(wǎng)運行簡單來說就是發(fā)電機和系統(tǒng)電網(wǎng)之間的一種運行連接模式，在這一種模式中，發(fā)電機的電壓、頻率與其他發(fā)電機組一致。發(fā)電機有兩類并網(wǎng)方法，準(zhǔn)同期和自同期。準(zhǔn)同期的意思為發(fā)電機的電壓、頻率、相序、相位與系統(tǒng)電網(wǎng)完全一致，而發(fā)電機的出口斷路器和電網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)的手段;自同期并列屬于發(fā)電機不加勵磁時，等到系統(tǒng)電網(wǎng)和發(fā)電機所共有的頻率一致時，合上發(fā)電機出口斷路器，與系統(tǒng)相連的基礎(chǔ)上，提高發(fā)電機勵磁電流升壓，并借助系統(tǒng)進一步促進發(fā)電機同步頻率的一類運行方式，不過實際情況中，自同期并網(wǎng)模式般不被采用于風(fēng)力發(fā)電機組。目前，大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電中，基本上采用自動準(zhǔn)同期的并網(wǎng)模式，借助微機進一步針對是否達到同期條件做出判斷的基礎(chǔ)上，自動發(fā)信號斷路器合閘并網(wǎng)（見圖1）。

二、我國風(fēng)電場并網(wǎng)運行特殊性

與世界其他地方不同，我國風(fēng)電并網(wǎng)問題存在一定的特殊性，主要表現(xiàn)為如下兩方面。

（1）眾所周知，風(fēng)能資源的分布在我國相對集中，華北、西北、東部沿海等一些地區(qū)都是風(fēng)能資源豐富的地區(qū)。地理位置的不均衡就造成了我國一些百千萬級別的大型風(fēng)電場輸出風(fēng)電時，輸出模式務(wù)必要接入超高壓系統(tǒng)。與我國相比，德國最大風(fēng)電場為6×104kW，而丹麥風(fēng)電場裝機容量大部分僅僅為2×104kW左右，歐洲國家風(fēng)電的間歇性與沖擊對于其風(fēng)電輸電系統(tǒng)并不會造成大規(guī)模影響，因此這一些地區(qū)風(fēng)電場電網(wǎng)的調(diào)頻、穩(wěn)定性等各類型問題都相對簡單。不過隨著大型風(fēng)電場的不斷發(fā)展，風(fēng)電系統(tǒng)附加于同步電網(wǎng)之上的影響力逐漸提升，這就造成了電力系統(tǒng)穩(wěn)定機理會發(fā)生極為顯著的變化。實際調(diào)查可以得知，在我國，千萬千瓦級別的大型風(fēng)電場目前僅僅可以對接輸電系統(tǒng)，這就導(dǎo)致大規(guī)模風(fēng)電系統(tǒng)的隨機擾動很難獲得平抑及分散，這也一定會導(dǎo)致整個輸電系統(tǒng)的動態(tài)特性更為復(fù)雜化，并導(dǎo)致其對于輸電系統(tǒng)電能質(zhì)量的控制難度進一步提升。

（2）在我國，大型風(fēng)電場在輸送風(fēng)電時采取直流輸電系統(tǒng)，即借助“風(fēng)火打捆”，利用一種超高壓直流輸電方式，使得西部地區(qū)大型風(fēng)電場所生成的電能輸送到東部負荷中心。這一種電能輸送模式并沒有先例，故而運行時，會存在一定程度的技術(shù)障礙問題。

三、大型風(fēng)電場并網(wǎng)技術(shù)存在問題研究

1.風(fēng)電機組與常規(guī)同步機組的交互作用與協(xié)調(diào)控制問題

目前，針對并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電穩(wěn)定性的大量學(xué)術(shù)型研究中，大部分主要針對大型風(fēng)電場運行環(huán)節(jié)的大電網(wǎng)整體穩(wěn)定性予以常態(tài)性研究。主要原因在于大電網(wǎng)穩(wěn)定一旦遭到破壞，勢必會造成整個大型風(fēng)電場的任何接入元件運作存在一定的故障。故而大電網(wǎng)接入大型風(fēng)電場系統(tǒng)之后，其穩(wěn)定性到底會發(fā)生什么樣的演變，是趨向于變好，還是趨向于變差，都難以得到一種較為系統(tǒng)性、固定性的結(jié)論。在平常研究中，不論是趨向于變好，還是趨向于變差都曾經(jīng)有專家給予系統(tǒng)性的研究，而且研究過程、結(jié)果都相對較為公正。不過也存在一定的問題，主要為當(dāng)電網(wǎng)大規(guī)模接受異步電機所導(dǎo)出的功率時，該怎么樣才可以做到“趨利避害”，從而使得電網(wǎng)接入之后，整個大型風(fēng)電機組的系統(tǒng)整體穩(wěn)定性可以獲得很大程度的提升。通過研究可知，風(fēng)電機組與常規(guī)同步機組之間的交互作用與協(xié)調(diào)控制問題的解決突破口在于，研究大型風(fēng)電場風(fēng)電機組對于同步機組的影響，以及風(fēng)電機組與常規(guī)同步機組兩者之間所存在的交互作用與協(xié)調(diào)控制。

2.大型風(fēng)電場抗擾能力的在線評價及預(yù)警問題

目前，我國風(fēng)電機組及風(fēng)電場入網(wǎng)與監(jiān)測兩個標(biāo)準(zhǔn)完善程度不高，大部分風(fēng)電機組的電能質(zhì)量、功率曲線、低電壓穿越能力、有功調(diào)節(jié)性能及無功調(diào)節(jié)性能等并沒有采取較為系統(tǒng)性的科學(xué)監(jiān)測。通過分析一系列風(fēng)電事故可以得知，與常規(guī)電場抗擾能力相比，風(fēng)電場的抗擾能力相對較低，這就使得風(fēng)電場的持續(xù)性發(fā)電受到影響。更嚴重的是，由于相對較差的抗擾能力，會導(dǎo)致未來一些大型風(fēng)電場存在極為頻繁的脫網(wǎng)問題，從而使得輸電系統(tǒng)的安全性大打折扣。此外，和常規(guī)電站不同之處在于，風(fēng)電場匯集大量機組，并且目前大部分大型風(fēng)電場離線穩(wěn)定計算的等效數(shù)學(xué)模型的可靠程度相對較低，隨著機組運行時間不斷增加，就會進一步造成機組動態(tài)存在一種常態(tài)化的變動趨勢。對于大規(guī)模風(fēng)電機組，即使在并網(wǎng)之前展開了較為嚴格的測試，不過并網(wǎng)之后，也要針對大型風(fēng)電場抗擾能力展開實時性、常態(tài)性的及時評價，以基本上保障在線安全分析的基礎(chǔ)性需求。故而從風(fēng)電場的安全視角上分析，一定要針對并網(wǎng)運行之后的風(fēng)電場抗擾能力展開在線評價，對于難以滿足正常需求范圍內(nèi)的，要及時給予警報，以便于大型風(fēng)電場的電網(wǎng)運行人員做好較為科學(xué)、安全的應(yīng)急準(zhǔn)備

3.大型風(fēng)電場引起輸電系統(tǒng)功率諧振的機理、監(jiān)測方法和抑制的問題

由于容量有限，當(dāng)小規(guī)模風(fēng)電場接入配電網(wǎng)之后，電場與發(fā)電機之間的距離較大，因此基本不會發(fā)生功率諧振。但是對于那些直接聯(lián)入輸電網(wǎng)絡(luò)之中的大型風(fēng)電場，共振型低頻振蕩的風(fēng)險極其容易發(fā)生，主要原因有如下4點。第一，由于自然風(fēng)速的不穩(wěn)定與隨機性，使得導(dǎo)入每一組風(fēng)力機的風(fēng)能都成為一種激勵源。第二，和普通型的常規(guī)發(fā)電機組的整體結(jié)構(gòu)動力學(xué)性質(zhì)比較，風(fēng)電機組的柔性更高，這就使得機械振動成為一種無法避免的存在，從而造成風(fēng)電機組有一部分旋轉(zhuǎn)部分的機械振動與輸出功率振蕩之間存在直接性的因果聯(lián)系。第三，與傳統(tǒng)發(fā)電機的平均轉(zhuǎn)矩相比，風(fēng)電機組的轉(zhuǎn)矩振蕩要超出其20%左右。對于大型風(fēng)力發(fā)電場，風(fēng)電機組的轉(zhuǎn)矩振蕩會引發(fā)幾十萬千瓦級別的功率波動，這對于輸電系統(tǒng)的安全造成嚴重威脅。第四，當(dāng)風(fēng)電場功率所形成的波動頻率和電力系統(tǒng)低頻振蕩固有頻率逐漸一致時，造成共振的風(fēng)險概率就會進一步提升。例如，三葉片風(fēng)電機組，當(dāng)其功率輸出波動頻率大小處于1～3Hz，就與低頻振蕩頻率極為接近，從而導(dǎo)致大型風(fēng)電場存在較高的共振型低頻振蕩風(fēng)險。

結(jié)束語

為了保障大規(guī)模并網(wǎng)工程進展順利，針對目前大規(guī)模電場并網(wǎng)運行技術(shù)要不斷改進創(chuàng)新。本文基于發(fā)電機并網(wǎng)運行概述，分析我國大型風(fēng)電場并網(wǎng)運行與世界其他國家風(fēng)電場并網(wǎng)運行之間存在的特殊性及不同之處，并提出3點目前大型風(fēng)電場并網(wǎng)運行急需要解決的關(guān)鍵性技術(shù)問題。大型風(fēng)電場并網(wǎng)運行技術(shù)依舊需要不斷地累積經(jīng)驗，對于各種極有可能存在的問題，在理論及實踐上，都需要一種超前意識，做夠充足的準(zhǔn)備，以便于大型風(fēng)電場并網(wǎng)運行能夠更好地為我國社會現(xiàn)代化做出貢獻。

參考文獻

[1]趙國強.風(fēng)力發(fā)電機的運行與維護[J].通信電源技術(shù)，2019，（6）：215-216.