淺談并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的相關(guān)問題

朱月華

貴州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 貴州 貴陽 550000

引言

目前，一般大型風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)能資源及場(chǎng)地條件比較好，但電網(wǎng)較弱，負(fù)荷很小。為了輸送和消納大量的風(fēng)電，需要研究輸電電壓等級(jí)、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及輸電方向等，這些是風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)前期工作要考慮的內(nèi)容。電網(wǎng)是電能的集散地，是電能供求的平臺(tái)。建設(shè)一個(gè)結(jié)構(gòu)合理、抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)行靈活的電網(wǎng)是保證安全可靠供電的首要條件。

1 風(fēng)電場(chǎng)與電網(wǎng)相互影響

風(fēng)電場(chǎng)向電網(wǎng)輸送電能時(shí)必須保證一定的電能質(zhì)量，通常電能質(zhì)量由頻率、電壓、諧波、閃變和三相不平衡度組成。

2 風(fēng)電并網(wǎng)分析計(jì)算

風(fēng)電并網(wǎng)與常規(guī)電源并網(wǎng)，在風(fēng)電并網(wǎng)計(jì)算分析方面有所不同[1-3]：其一，常規(guī)電源是將發(fā)電、輸電捆綁在一起建設(shè)的。風(fēng)電場(chǎng)由于容量相對(duì)較小，電量只有同容量火電的l/3～1/2，通常是接在離電網(wǎng)最近的末端變電站上，利用電網(wǎng)現(xiàn)有的傳輸容量，輸送風(fēng)電電力。其二，常規(guī)電源的發(fā)電機(jī)均為同步發(fā)電機(jī)，單機(jī)容量達(dá)數(shù)百兆瓦。風(fēng)力發(fā)電機(jī)以感應(yīng)發(fā)電機(jī)或雙饋型感應(yīng)發(fā)電機(jī)為主，單機(jī)容量較小，一般在發(fā)出有功的同時(shí)，要從電網(wǎng)吸收無功功率。在發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型上，兩者是不同的。其三，風(fēng)電電力是間歇的、隨機(jī)的，因此，風(fēng)電電力一般不參與電力平衡。

3 風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)規(guī)定

風(fēng)電隨機(jī)性和間歇性的特點(diǎn)，給電網(wǎng)的正常運(yùn)行帶來一定的影響，因此，對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)提出了一系列技術(shù)規(guī)定，旨在協(xié)調(diào)電網(wǎng)與風(fēng)電的相互關(guān)系，旨在促進(jìn)風(fēng)電的快速發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步。

風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)有6個(gè)電氣參數(shù)：電網(wǎng)頻率f、頻率偏差Δf、電網(wǎng)電壓U、電壓偏差ΔU、風(fēng)電輸出有功P和風(fēng)電輸出無功Q。其中Δf和ΔU是派生的[4]。頻率是由全電網(wǎng)的有功平衡決定，電壓是由風(fēng)電場(chǎng)及周邊無功平衡決定，有功功率是由風(fēng)能資源和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組參數(shù)決定的，無功功率一方面取決于風(fēng)電場(chǎng)的無功調(diào)整及無功控制，另一方面取決于受電網(wǎng)與風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的無功流向。在電網(wǎng)公司《風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》（Q/GDW 1392-2015）中對(duì)上述4個(gè)參數(shù)提出如下的基本要求。

3.1 頻率

風(fēng)電場(chǎng)可以在表1所示的頻率偏差下運(yùn)行。

表1 風(fēng)電場(chǎng)在不同電網(wǎng)頻率偏差范圍下的允許運(yùn)行時(shí)間

表1給出了電網(wǎng)頻率偏離時(shí)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的要求。由表可知，如果頻率在規(guī)程允許的范圍內(nèi)（49.5～50.2Hz），風(fēng)電場(chǎng)和電網(wǎng)都在正常運(yùn)行狀態(tài)，要求風(fēng)力發(fā)電機(jī)組連續(xù)運(yùn)行。如果電網(wǎng)頻率在48～49.5Hz，表明電網(wǎng)略缺有功，此時(shí)，每次頻率低于49.5Hz時(shí)要求風(fēng)電場(chǎng)具有至少能運(yùn)行30min的能力，不要急于退出，能給電網(wǎng)以支持。如果頻率有少許向上超標(biāo)，大于50.2Hz，表明電網(wǎng)有功略有過剩，要求風(fēng)電機(jī)組具有至少運(yùn)行2min的能力，并執(zhí)行電網(wǎng)調(diào)度部門下達(dá)的高周切機(jī)策略，不允許停機(jī)狀態(tài)的風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)[5-6]。如果電網(wǎng)頻率低于48Hz，根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組允許運(yùn)行的最低頻率而定。

3.2 電壓

風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)及周邊節(jié)點(diǎn)的電壓由風(fēng)電場(chǎng)的無功補(bǔ)償及控制方式來決定，同時(shí)與電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)與無功流向有關(guān)[7-9]。對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的電壓要求，體現(xiàn)在風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)配有一定的無功補(bǔ)償容量和無功調(diào)節(jié)于段。當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓在額定電壓的90%～110%時(shí)，則風(fēng)電場(chǎng)能正常運(yùn)行。如果電壓偏高或偏低，則風(fēng)電場(chǎng)可通過投切電容器組或電抗器組來調(diào)節(jié)局部無功功率的平衡，以達(dá)到調(diào)節(jié)電壓的目的；也可通過調(diào)節(jié)風(fēng)電場(chǎng)升壓變壓器的分接開關(guān)，來調(diào)節(jié)風(fēng)電場(chǎng)到電網(wǎng)的無功流向，達(dá)到調(diào)節(jié)電壓的目的[10]。此時(shí)，升壓變壓器必須具備有載調(diào)壓的功能。電壓?jiǎn)栴}與無功問題是緊密相關(guān)的，無功功率平衡（穩(wěn)態(tài)平衡與動(dòng)態(tài)平衡）了，電壓及電壓偏差就可保證在容許值之內(nèi)。

3.3 有功功率

風(fēng)電場(chǎng)的有功功率是由實(shí)時(shí)的風(fēng)速和風(fēng)向等因素決定的，國外有的技術(shù)規(guī)定對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的有功功率變化提出了要求，我國只對(duì)有功功率變化率提出了要求，即在風(fēng)電場(chǎng)連續(xù)運(yùn)行期間，控制有功功率的變化速度[11]。這一要求是為了使風(fēng)電與電網(wǎng)中常規(guī)電源的調(diào)節(jié)速度和負(fù)荷上升和下降的速度相匹配。如果風(fēng)電電力變化過大、速度過快，則有可能引起電網(wǎng)中的功率振蕩。

在電網(wǎng)處在非正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，有可能對(duì)風(fēng)電有功出力進(jìn)行限制。例如，在午夜，當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷很小，電網(wǎng)頻率過高，常規(guī)電源的調(diào)頻容量已降到最小，此時(shí)，只有2種選擇，一種是讓電網(wǎng)頻率繼續(xù)升高，頻率偏差將超過正常值，電能質(zhì)量將難以保證；另一種是限制風(fēng)電出力，使電網(wǎng)頻率恢復(fù)到正常值[12-13]。這樣，風(fēng)電場(chǎng)雖損失了部分電量，但有效提高了電網(wǎng)的電能質(zhì)量水平。比如，當(dāng)電網(wǎng)內(nèi)發(fā)生故障時(shí)，考慮預(yù)防風(fēng)電并網(wǎng)送出線路發(fā)生過載，應(yīng)當(dāng)降低風(fēng)電機(jī)組的有功出力，否則，有可能引起線路過負(fù)荷跳閘，造成風(fēng)電場(chǎng)大量甩負(fù)荷的更大損失。

3.4 無功功率

風(fēng)電場(chǎng)的無功補(bǔ)償和控制方式，是保證電壓質(zhì)量的基礎(chǔ)。補(bǔ)償?shù)目側(cè)萘亢兔恳徊降恼{(diào)整容量多少，是否需要連續(xù)調(diào)節(jié)，選用何種補(bǔ)償設(shè)備，補(bǔ)償?shù)攸c(diǎn)的選擇等，需要在并網(wǎng)仿真計(jì)算分析中確定[14]。因此，在仿真計(jì)算中正確模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的P-Q特性很重要。

對(duì)于采用雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，風(fēng)電機(jī)組功率因數(shù)COSΦ值可在進(jìn)相0.95到遲相0.95之間變化。見圖1，這里，所謂進(jìn)相0.95到遲相0.95之間，有兩種含義：一是指只能運(yùn)行在該區(qū)間的某條直線上，如直線a、b或c；二是可運(yùn)行在進(jìn)相0.95到遲相0.95之間所圍面積（直線段EF-GH所圍面積）的任何點(diǎn)上。后者比前者技術(shù)更為復(fù)雜、價(jià)格更昂貴。

圖1 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有功—無功特性

一般來說，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組制造商供貨時(shí)選用線段b，即風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)端節(jié)點(diǎn)與電網(wǎng)交換無功功率恒定為零。

4 風(fēng)電場(chǎng)功率預(yù)測(cè)

風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率是隨機(jī)性和間歇性的，某些區(qū)域內(nèi)1～2h風(fēng)電功率的波動(dòng)可能達(dá)到幾百兆瓦。隨著區(qū)域內(nèi)風(fēng)電裝機(jī)容量的增大，其輸出功率的波動(dòng)會(huì)更大，給地方電網(wǎng)調(diào)度帶來了不少壓力。另外，為了保證發(fā)電用電的平衡，系統(tǒng)需要留有較多的旋轉(zhuǎn)備用電力，這將增加大電力系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)成本，還給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來一定的風(fēng)險(xiǎn)和隱患[15-16]。因此,風(fēng)電功率的預(yù)測(cè)對(duì)于調(diào)度安排系統(tǒng)的發(fā)電計(jì)劃、保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

風(fēng)電功率預(yù)測(cè)的目的是將隨機(jī)的風(fēng)電功率特性變?yōu)榭深A(yù)知的，可按事先安排的功率進(jìn)入電網(wǎng)，以減輕電力調(diào)度部門的壓力。電網(wǎng)中負(fù)荷的總功率，每個(gè)時(shí)刻必須與發(fā)電總功率相等，這樣才能保持電網(wǎng)的運(yùn)行頻率為50Hz。以日運(yùn)行方式為例，首先是進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)，根據(jù)預(yù)測(cè)的結(jié)果，然后安排電源出力，并送中心調(diào)度所AGC（自動(dòng)發(fā)電控制）系統(tǒng)，以指導(dǎo)系統(tǒng)運(yùn)行方式。

電網(wǎng)日負(fù)荷曲線是以負(fù)荷的歷史數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，再考慮當(dāng)前的氣象因數(shù)和節(jié)假日因數(shù)，然后選用各種算法并編程求解。負(fù)荷的歷史數(shù)據(jù)一般是指前18個(gè)月的負(fù)荷記錄，按每15min記錄一個(gè)點(diǎn)，每日記錄96個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)[17-19]。這些數(shù)據(jù)保存在相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中，并按時(shí)刷新。氣象因數(shù)是指考慮氣候?qū)ω?fù)荷的影響，如氣溫過高，空調(diào)負(fù)荷將增加；氣溫過低，取暖負(fù)荷將增加；氣候干旱，農(nóng)灌負(fù)荷將增加等。節(jié)假日因數(shù)是指周末等雙休日對(duì)負(fù)荷的影響。計(jì)算機(jī)求出的負(fù)荷預(yù)測(cè)值，仍要結(jié)合專家的分析來最后確定。

日負(fù)荷預(yù)測(cè)曲線大致可分為基荷、腰荷和峰荷。通?；捎纱笮兔弘妬韼?。早高峰和晚高峰，由啟、停比較方便的水電、抽水蓄能電站或燃?xì)廨啓C(jī)電站等來帶。腰荷則進(jìn)入電力市場(chǎng)，競(jìng)價(jià)售電。這樣、每日的電力、電量都作了預(yù)安排。當(dāng)然，電網(wǎng)也留有-定的旋轉(zhuǎn)備用容量，以便應(yīng)對(duì)突發(fā)事件對(duì)電力的需求。

如果本電網(wǎng)的風(fēng)電電力不參與上述預(yù)測(cè)過程，則風(fēng)電以隨機(jī)的方式切人或退出，從而使腰荷部分電力重新分配。以切入為例，風(fēng)電的切入，使電源總功率大于負(fù)荷總功率，電網(wǎng)將產(chǎn)生頻率正偏差（Δf）[20-21]。在正偏差（Δf）作用下，所有電源的調(diào)速系統(tǒng)按調(diào)差系數(shù)來調(diào)整本機(jī)的出力。同時(shí)，所有負(fù)荷按自己的靜態(tài)頻率特性，改變從電網(wǎng)吸收的有功功率，直到達(dá)到新的平衡點(diǎn)。這一過程稱為電網(wǎng)的一次調(diào)頻，正偏差（Δf）使發(fā)電出力減少，使負(fù)荷功率增加；負(fù)偏差（Δf）使發(fā)電出力增加，使負(fù)荷功率減少。一次調(diào)頻從原來的平衡點(diǎn)進(jìn)入新平衡點(diǎn)，伴隨有靜態(tài)過程和動(dòng)態(tài)過程。

風(fēng)電比例較小時(shí)，通過電網(wǎng)的一次調(diào)頻足以達(dá)到新的平衡點(diǎn)，并能滿足電能質(zhì)量指標(biāo)的要求，當(dāng)風(fēng)電比例較大時(shí)，一次調(diào)頻有時(shí)會(huì)無法滿足要求[22]。以低谷負(fù)荷時(shí)風(fēng)電切入為例，電網(wǎng)低谷時(shí)，系統(tǒng)已處在機(jī)組的最小出力狀態(tài)，這類機(jī)組是保證電網(wǎng)中熱負(fù)荷的最小開機(jī)，不能停機(jī)；風(fēng)電切入時(shí)，無常規(guī)電源出力可以下調(diào)，電網(wǎng)功率處于不平衡狀態(tài)，只有對(duì)風(fēng)電電力進(jìn)行限制。

為了解決上述問題，要對(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行風(fēng)電功率預(yù)測(cè)，并將出力預(yù)測(cè)結(jié)果與電網(wǎng)日負(fù)荷預(yù)測(cè)的結(jié)果進(jìn)行疊加對(duì)照，對(duì)照后所得到的曲線，相當(dāng)于對(duì)不可控的風(fēng)電場(chǎng)出力進(jìn)行了一定程度的預(yù)測(cè)，使之變?yōu)榭煽?，前提是要求預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)有一定的精度。

5 結(jié)束語

以風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)產(chǎn)生的技術(shù)問題為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)相應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行了概述性分析，并結(jié)合國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)指標(biāo)在工程應(yīng)用方面提供了相關(guān)參考依據(jù)。