風力發(fā)電站接入電力系統(tǒng)的最大容量分析*

申秘蔓

桂林信息科技學院，廣西 桂林 541004

0 引言

近年來，我國風電建設規(guī)模迅速擴大。然而，在風電大規(guī)模接入電力系統(tǒng)時，出現(xiàn)了一系列不容忽視的問題。如何合理地確定和提高風力發(fā)電站接入電力系統(tǒng)的最大容量成為新的課題。

1 風力發(fā)電站接入電力系統(tǒng)的最大容量的影響因素

1.1 內(nèi)部因素

（1）風力發(fā)電機組自身的特性。風力發(fā)電機組的出力大小和發(fā)電狀態(tài)取決于風速，而風速存在間歇性和不穩(wěn)定性，這導致風力發(fā)電機組的出力也表現(xiàn)為間歇性和波動性，而風力發(fā)電機組的發(fā)電狀態(tài)難以準確預測，其具有不可調(diào)節(jié)的特點。因此，風力發(fā)電機組自身的特性使可接入電力系統(tǒng)的風力發(fā)電站的容量受到一定限制。

（2）風力發(fā)電站并網(wǎng)接入點的實際情況。風力發(fā)電站通常分布在風力資源較豐富的地區(qū)，而此類地區(qū)往往遠離負荷中心，當?shù)仉娋W(wǎng)的網(wǎng)架結構也相對落后。當風力發(fā)電站接入容量較大時，將對局部電網(wǎng)的電壓質(zhì)量、潮流分布和穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響。因此，風力發(fā)電站并網(wǎng)接入點的實際情況使可接入電力系統(tǒng)的風力發(fā)電站的容量受到一定限制。

1.2 外部因素

（1）電力系統(tǒng)消納風電容量的能力。風力發(fā)電機組的無功補償直接影響風力發(fā)電站的輸出特性，會對接入后的電力系統(tǒng)電網(wǎng)電能質(zhì)量和運行穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。當電力系統(tǒng)中接入的風電機組的裝機容量較大時，電力系統(tǒng)需要具備更充足的備用容量和更大容量的無功補償設備，以抑制系統(tǒng)電壓及頻率的波動。因此，電力系統(tǒng)接受和消納風電容量的能力限制著可接入電力系統(tǒng)的風力發(fā)電站的最大容量。

（2）風力發(fā)電站與電力系統(tǒng)接入點的連接方式。風力發(fā)電站與電力系統(tǒng)接入點的參數(shù)包括連接線路的電壓等級、長度、導線阻抗值等。接入點的連接方式不同，參數(shù)差異也較大，這會直接影響接入局部電網(wǎng)的節(jié)點電壓的分布情況。因此，風力發(fā)電站與電力系統(tǒng)接入點的連接方式對可接入電力系統(tǒng)的風力發(fā)電站最大容量有一定影響。

（3）電力系統(tǒng)的負荷特性及負荷水平。風力發(fā)電站選址地區(qū)的電力系統(tǒng)的負荷特性及負荷水平的不同，會使風力發(fā)電站并網(wǎng)接入后的電力系統(tǒng)的潮流分布、電壓調(diào)節(jié)特性、頻率調(diào)節(jié)特性等存在不同。

2 風力發(fā)電站接入電力系統(tǒng)的最大容量對電力系統(tǒng)的影響

2.1 對電力系統(tǒng)頻率的影響

風力發(fā)電機不同于傳統(tǒng)的發(fā)電機，其與電力系統(tǒng)的頻率不耦合。當電力系統(tǒng)中出現(xiàn)擾動或者電網(wǎng)頻率降低時，風力發(fā)電機組由于沒有傳統(tǒng)發(fā)電機所具有的慣性響應，不能通過與電力系統(tǒng)頻率的耦合降低發(fā)電機轉速，仍處于正常運行狀態(tài)，無法幫助系統(tǒng)恢復頻率的穩(wěn)定狀態(tài)。因此，有風力發(fā)電機接入的電力系統(tǒng)的允許工作頻率范圍比傳統(tǒng)發(fā)電機的頻率范圍要小，為保障電力系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性，有必要研究風力發(fā)電站接入電力系統(tǒng)的最大容量。

2.2 對電力系統(tǒng)電壓的影響

風力發(fā)電機在輸出有功功率時，本身存在無功負荷，需要從外部吸收無功功率，故而需要在發(fā)電機端并聯(lián)電容器來進行無功補償。當風電大規(guī)模并網(wǎng)時，其吸收的無功功率也顯著增大，一旦出現(xiàn)風速迸發(fā)的情況，風力發(fā)電機組會出現(xiàn)較大的無功功率缺口，顯著降低風力發(fā)電機組的機端電壓。發(fā)電機端并聯(lián)的電力電容器會隨著機端電壓的降低而減少無功功率的補償，使系統(tǒng)一些節(jié)點的電壓水平下降，電壓易出現(xiàn)波動和閃變，導致系統(tǒng)電壓不穩(wěn)定。因此，有必要結合電力系統(tǒng)電壓水平和電壓穩(wěn)定的要求，研究風力發(fā)電站接入電力系統(tǒng)的最大容量。

2.3 對電力系統(tǒng)電源分布的影響

風力發(fā)電站接入電力系統(tǒng)的方式有兩種，一種是將多個風力發(fā)電站集中接入電力系統(tǒng)，即將多個風力發(fā)電站作為一個集中的功率輸出節(jié)點向電力系統(tǒng)輸送電能；另一種是將多個風力發(fā)電站分散接入電力系統(tǒng)，即將每個風力發(fā)電站作為單個的功率輸出節(jié)點向電力系統(tǒng)輸送電能。電力系統(tǒng)的網(wǎng)架結構需要根據(jù)電源和負荷的分布位置進行規(guī)劃設計，當系統(tǒng)負荷不變時，無論風力發(fā)電站采用何種接入方式，都會使電力系統(tǒng)的實際潮流方式發(fā)生改變，也會改變電力系統(tǒng)的實際電源分布情況。

3 確定風力發(fā)電站接入電力系統(tǒng)最大容量的穩(wěn)態(tài)潮流仿真法

穩(wěn)態(tài)潮流仿真法就是對風力發(fā)電站接入電力系統(tǒng)的最大容量的求解問題，其實質(zhì)是求解最大值，也就是最優(yōu)化的方法的問題[1]。

3.1 穩(wěn)態(tài)潮流仿真法的優(yōu)化模型

為了確定風力發(fā)電站接入電力系統(tǒng)的最大容量，需要使用穩(wěn)態(tài)潮流仿真法，建立優(yōu)化模型，給出目標函數(shù)和約束條件[2]。

先列出風力發(fā)電站接入電力系統(tǒng)的目標函數(shù)fi（Pgi），如下：

再列出等式約束條件，即列出極坐標形式的潮流計算方程，如下：

式中：PDi、QDi分別為節(jié)點i的負荷的有功功率和無功功率；Pgi、Qgi分別為風力發(fā)電站接入系統(tǒng)的有功發(fā)電容量、無功發(fā)電容量；QRi為系統(tǒng)中可調(diào)節(jié)的無功補償容量；PGi、QGi分別為常規(guī)發(fā)電機組的有功發(fā)電容量、無功發(fā)電容量；Ui和Uj分別為節(jié)點i和節(jié)點j的電壓的幅值；θij為和節(jié)點i和節(jié)點j的相位差；Gij和Bij分別為網(wǎng)絡導納陣中相應的元素；N為總節(jié)點的集合；αi為風力發(fā)電站輸出的功率因數(shù)。

最后再列出不等式約束條件，可寫為

式中：Pij為線路的有功潮流，為風力發(fā)電機組的有功集合；SG、SGc分別為常規(guī)發(fā)電機組的有功集合、無功集合；SR為可調(diào)節(jié)的無功電源的集合；SN為系統(tǒng)節(jié)點電壓的集合；SCL為線路輸送有功容量的集合；SL為線路輸送斷面的集合；PLi為線路的輸電斷面；Pgi、PGi、QGi、QRi、Ui為需要優(yōu)化的各個狀態(tài)變量。

3.2 穩(wěn)態(tài)潮流仿真法的步驟

（1）確定接入點采用的節(jié)點類型。由于風電機組具有恒功率因數(shù)和恒電壓兩種不同的控制方式，應先根據(jù)風電機組的實際控制方式確定接入點采用的節(jié)點類型。

（2）潮流計算。根據(jù)設定的風力發(fā)電站的最大接入容量，將所有風電機組模型的輸入風速設定為在切入風速到額定風速的范圍之間變化，進行潮流計算。

（3）判斷潮流計算結果是否符合約束條件。當潮流計算結果不能滿足穩(wěn)定運行條件時，可通過調(diào)節(jié)無功補償設備來增加無功補償容量，進而達到改善風力發(fā)電站的運行條件的目的。

（4）改變電力系統(tǒng)的運行方式。在計算潮流的過程中，不需要考慮電力系統(tǒng)的每一種運行方式，只需要考慮最大負荷、最小負荷和典型負荷等電力系統(tǒng)運行方式，判斷這些運行方式的計算結果是否滿足要求即可。

4 合理確定風力發(fā)電站接入電力系統(tǒng)的最大容量

4.1 評估決定地區(qū)風力發(fā)電站裝機容量的技術因素

不宜將穩(wěn)態(tài)潮流仿真計算分析的結果直接作為風力發(fā)電站接入系統(tǒng)的最大容量，還需要綜合考慮各種決定地區(qū)風力發(fā)電站機組裝機容量的技術因素，如地區(qū)電源系統(tǒng)的結構和備用容量、地區(qū)電網(wǎng)的負荷水平、電能質(zhì)量控制指標、系統(tǒng)的穩(wěn)定性約束等。其中，靜態(tài)安全約束是可用于計算地區(qū)風電機組裝機容量的基本約束條件之一，考慮穩(wěn)定約束后，風電機組的裝機容量可能會受到較大限制而不能達到計算得出的最大裝機容量[3]。因此，在確定最大裝機容量時，還要綜合考慮限制因素，以確定最終的最大裝機容量。

4.2 評估風電穿越功率極限

風電穿越功率極限是指風電最大裝機容量占電力系統(tǒng)總負荷的比例，即電力系統(tǒng)能接受的風電最大裝機容量與電力系統(tǒng)最大負荷的比值。

由于電力系統(tǒng)能承受和消納的風力發(fā)電站的接入容量的大小有限，在規(guī)劃風力發(fā)電站的建設和將其接入電力系統(tǒng)時，需合理評估風電穿越功率極限，以保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。因此，需綜合考慮電力系統(tǒng)的電壓、頻率的變化范圍，在滿足約束條件的情況下，找出風力發(fā)電站接入電力系統(tǒng)并網(wǎng)運行時的功率最大值[4]。

4.3 評估風力發(fā)電站的綜合價值

建設風力發(fā)電站時不僅要考慮風電機組的最大裝機容量等技術性要求，還要考慮風力發(fā)電站的綜合價值這一經(jīng)濟性要求。風力發(fā)電站的綜合價值包括發(fā)電成本、發(fā)電收益、輔助服務成本、環(huán)保效應等。風力發(fā)電站的綜合價值不一定與風電機組裝機容量成正比，通常，當接入的風電機組裝機容量較小時，風力發(fā)電站的綜合價值會隨風電機組裝機容量的增大而增加；當接入的風電機組裝機容量達一定水平時，風力發(fā)電站的綜合價值反而會隨風電機組裝機容量的增大而減小[5]。因此，在確定風力發(fā)電站接入電力系統(tǒng)的最大容量時，還需考慮風力發(fā)電站的綜合價值。

5 提高風力發(fā)電站接入電力系統(tǒng)的最大容量的措施

5.1 加大資金投入

風力發(fā)電本身具有波動性和不穩(wěn)定性，為保證風力發(fā)電站接入電力系統(tǒng)后系統(tǒng)能夠可靠穩(wěn)定運行，電力行業(yè)需持續(xù)加大資金投入，建設滿足風力發(fā)電站接入的備用容量，以提高風力發(fā)電站接入電力系統(tǒng)的最大容量，提高電力系統(tǒng)的接納能力。

5.2 加強電力系統(tǒng)規(guī)劃建設

加強電力系統(tǒng)網(wǎng)架結構建設是大容量風力發(fā)電站正常接入電力系統(tǒng)的有力保障，而大容量風力發(fā)電站的接入是對電力系統(tǒng)網(wǎng)架結構的合理補充和有力支撐。應將風電建設納入電網(wǎng)規(guī)劃，統(tǒng)籌規(guī)劃風力發(fā)電站與電網(wǎng)的建設。在規(guī)劃建設電力系統(tǒng)時，應當繼續(xù)堅持以特高壓電網(wǎng)為主干網(wǎng)架，其他電壓等級電網(wǎng)網(wǎng)架協(xié)調(diào)發(fā)展的建設原則[6]，這樣才能保證大容量的風力發(fā)電站更靈活、更可靠地接入電力系統(tǒng)，保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，提高風力發(fā)電站接入的最大容量，發(fā)揮風力發(fā)電的優(yōu)勢，取得更好的經(jīng)濟效益。

6 結束語

綜上所述，在規(guī)劃風力發(fā)電站的建設和將其接入電力系統(tǒng)時，應綜合考慮的各種技術、經(jīng)濟因素，通過建立優(yōu)化模型，可以確定風力發(fā)電站接入電力系統(tǒng)的最大容量；采取也提出了提高風力發(fā)電站接入電力系統(tǒng)的最大容量的有效措施，可以保障電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行。