王 帥 李 鵬 崔紅芬

（華北電力大學電力系統(tǒng)保護與動態(tài)安全監(jiān)控教育部重點實驗室，河北 保定 071003）

1 引言

未來的電網(wǎng)必須能夠提供更加安全、可靠、清潔、優(yōu)質(zhì)的電力供應，智能電網(wǎng)（smart grids）通過先進的設(shè)備技術(shù)、先進的控制方法以及先進的決策支持系統(tǒng)等的應用，實現(xiàn)電網(wǎng)的可靠、安全、經(jīng)濟、高效、環(huán)境友好和使用安全的目標，其主要特征包括自愈、抵御攻擊、提供滿足21世紀用戶需求的電能質(zhì)量、容許各種不同發(fā)電形式的接入、以及資產(chǎn)的優(yōu)化高效運行。

隨著社會對環(huán)境保護、節(jié)能減排和可持續(xù)性發(fā)展的要求日益提高，環(huán)境友好型電源如風電、太陽能發(fā)電和先進的電池系統(tǒng)將在智能電網(wǎng)中發(fā)揮重要的作用。風力發(fā)電清潔無污染、施工周期短、投資靈活、建設(shè)周期短、占地面積少、技術(shù)進步快、經(jīng)濟性優(yōu)于煤電[1]，具有較好的經(jīng)濟效益和社會效益，是智能電網(wǎng)不可或缺的能源利用形式。但是，由于風電具有的隨機性、波動性以及不可控性，使得風電的出力波動極大。隨著風能的進一步開發(fā)，當風電的容量占到電網(wǎng)總?cè)萘恳欢ū壤龝r，這種波動會對電網(wǎng)造成不良影響[2-3]。為了消除大規(guī)模開發(fā)風電對電網(wǎng)的影響，國內(nèi)外提出了多種能源互補系統(tǒng)，如風電—水電互補系統(tǒng)[4-5]、風電—太陽能發(fā)電互補系統(tǒng)[6]和風電—高溫燃料電池發(fā)電互補系統(tǒng)[7]等。

本文提出了一種把風電以微網(wǎng)的形式并入智能電網(wǎng)的策略，微網(wǎng)的控制中心結(jié)合多種微電源如微型燃氣輪機、燃料電池等對風電的功率波動進行補償控制，實現(xiàn)對智能電網(wǎng)用戶的安全可靠供電。在Matlab/Simulink的環(huán)境下進行了仿真，仿真結(jié)果證明了所提出方法的可行性和有效性。

2 風電出力的隨機性

2.1 風速的數(shù)學模型

風速具有隨機性和間歇性的特點，風速模型采用基于四分量疊加法的模擬風速模型：

式中，v是模擬風速，v0是起始風速，vramp是漸變風速，vgust是陣風，vturbulence是隨機擾動風。

（1）基本風。基本風反映了風電場平均風速的變化，可根據(jù)風電場測風所得的實際數(shù)據(jù)采用極大似然法來確定Weibull分布函數(shù)[8]，并由此計算基本風v0。

（2）陣風。陣風用來模擬風速突然變化的特性，其表達式為

式中，Gmax為陣風峰值，Tg為陣風周期；Ts為陣風開始時間。

（3）漸變風。用漸變風來模擬風速的漸變特性，其表達式為

式中，Rmax為漸變風最大值；Tr1為漸變風開始時間；Tr2為風速漸變結(jié)束的時間；Tr為漸變風保持時間。

（4）隨機風。為描述風速變化的隨機特性，可用隨機噪聲風速來模擬，其表達式為

式中，iω是第i個分量的角頻率；Δω為隨機分量的離散間距；iφ為在0～2π之間服從均勻概率分布的隨機變量；Sv(ωi)為i個隨機分量的振幅。

2.2 風電機組輸出功率隨風速的變化

由于風速的隨機性，風力發(fā)電機組的出力是一個與風速有關(guān)的隨機變量，當風速低于切入風速或者高于切出風速時，風力發(fā)電機組會停止運行，此時輸出功率為0，在忽略影響風力發(fā)電機組出力的非線性因素的情況下，特定風速下的風電機組可用以下分段函數(shù)表示

式中，v為風電機組輪最高度處的風速；vin為切人風速；vout為切出風速；vn為額定風速；nP為風電機組額定輸出功率。風力發(fā)電機組的發(fā)電功率與風速間的關(guān)系曲線如圖1所示。

風力發(fā)電機的輸出功率隨風速的變化如圖2所示，在0～350s之間，風速在額定風速以下，風力發(fā)電機輸出功率隨風速變化，在350s附近時風速達到額定風速，風力發(fā)電機輸出功率達到額定功率，此時風速逐漸增大，在槳距角控制下風力發(fā)電機仍能保持額定功率。680s時，風速下降到額定風速以下，風機出力又呈現(xiàn)波動特性。

圖1 風電機組輸出功率與風速的特性曲線

圖2 風力發(fā)電機輸出功率隨風速的變化

2.3 風電功率波動對電網(wǎng)的影響

風速的隨機性導致了風機出力的隨機性。風電作為系統(tǒng)的一個不穩(wěn)定的電源，它的并網(wǎng)與脫網(wǎng)是很難預測的，風電的功率波動對電網(wǎng)的影響主要有以下方面：

（1）風電的功率波動對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響。風電并網(wǎng)對電網(wǎng)穩(wěn)定性的主要威脅是風速的波動性和隨機性引起風電場出力隨時間變化且難以準確預測，而導致風力發(fā)電接入系統(tǒng)時潛在的安全隱患。

（2）風電的功率波動對電網(wǎng)頻率的影響。當風電容量在系統(tǒng)中所占的比例較大時，其輸出功率的隨機波動性對電網(wǎng)頻率的影響就是顯著的，影響了電網(wǎng)的電能質(zhì)量和一些頻率敏感符合的正常工作。這就要求電網(wǎng)中其他常規(guī)機組有較高的頻率響應能力，能進行跟蹤調(diào)節(jié)，抑制頻率的波動。

（3）風電的功率波動對電網(wǎng)電壓的影響。風力發(fā)電出力隨風速大小等因素而變化，同時由于風力資源分布的限制，風電場大多假設(shè)在電網(wǎng)的末端，網(wǎng)絡(luò)機構(gòu)比較薄弱（短路容量較?。?，所以在風電場并網(wǎng)運行時必然會影響電網(wǎng)的電壓質(zhì)量和電壓的穩(wěn)定性。風力發(fā)電對電網(wǎng)電壓的影響主要有電壓波動，電壓閃變，波形畸變（即諧波），電壓不平衡（即負序電壓），瞬態(tài)電壓波動（即電壓跌落和凹陷）等。

（4）風電的功率波動對繼電保護的影響。風力發(fā)電機組在有風期間都是和電網(wǎng)相連的，當風速在啟動風速附近變化時，為防止風電機組頻繁投切對接觸器的損害，允許風電機組短時電動機運行。此時會改變潮流的方向，給繼電保護裝置的配置帶來了難度。

由此可見，風電接入電網(wǎng)，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性與電能質(zhì)量的影響是不可忽視的，這些問題處理不當不僅會危害用戶的正常用電甚至還會造成整個電網(wǎng)的瓦解，而且也嚴重制約了風能的有效利用，因此，智能電網(wǎng)對風電的吸收急需一種安全有效的方式。

3 風電以微網(wǎng)形式接入智能電網(wǎng)

微網(wǎng)[9-10]是一種由負荷和微電源（微網(wǎng)中的分布式電源）及儲能裝置共同組成的有機系統(tǒng)。采用微網(wǎng)技術(shù)可整合多種形式的分布式電源，并考慮當?shù)嘏潆娋W(wǎng)的特點，在一個局部區(qū)域內(nèi)直接將分布式電源、電力網(wǎng)絡(luò)和本地用戶有機地組合在一起。微網(wǎng)可以方便地實現(xiàn)（冷）熱電聯(lián)供[9-13]，并可以結(jié)合電蓄冷（熱）技術(shù)，緩解電網(wǎng)高峰用電壓力，實現(xiàn)用電的移峰填谷，優(yōu)化和提高能源利用效率，減輕能源動力系統(tǒng)對環(huán)境的影響，實現(xiàn)能源的梯級利用，為將來智能電網(wǎng)的實現(xiàn)提供必備的技術(shù)基礎(chǔ)[14]。

針對光伏發(fā)電系統(tǒng)和風力發(fā)電系統(tǒng)等微電源輸出功率具有波動性、隨機性、間歇性的特點，微網(wǎng)采用微燃機、燃料電池、儲能裝置等實現(xiàn)微網(wǎng)中的功率平衡調(diào)節(jié)，大大降低間歇式分布式電源對電網(wǎng)的影響，增強功率調(diào)節(jié)的可控性[15]。微網(wǎng)的控制中心對微網(wǎng)的運行狀態(tài)進行跟蹤，并通過專門的快速通信網(wǎng)絡(luò)向各個微電源發(fā)出控制信號，各個微電源都服從統(tǒng)一調(diào)度、集中分配。圖1所示的微網(wǎng)結(jié)構(gòu)正是采用了這種控制模式。各個微電源及儲能裝置的響應速度必須能夠確保微網(wǎng)的穩(wěn)定性要求。

圖3 微網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

風電場出力隨著來流風速的大小而波動，風速大小波動變化的比較快速，其基頻大多在0.5～2Hz之間。為了使得互補發(fā)電設(shè)備的出力能夠及時賠償風電場的出力波動，就要求微網(wǎng)中互補發(fā)電設(shè)備能夠快速起動和停機，以適應來流風速大小的自然變化。

燃氣輪機是以連續(xù)流動的氣體為工質(zhì)帶動葉輪高速旋轉(zhuǎn)，將燃料的能量轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ膬?nèi)燃式動力機械，是一種旋轉(zhuǎn)葉輪式熱力發(fā)動機。燃氣輪機發(fā)電機組能在無外界電源的情況下迅速起動，機動性好，在電網(wǎng)中用它帶動尖峰負荷和作為緊急備用，能較好地保障電網(wǎng)的安全運行，所以應用廣泛。

燃料電池（Fuel Cell）是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。燃料電池高效率、無污染、建設(shè)周期短、易維護而且成本低，負荷響應快，運行質(zhì)量高，燃料電池在數(shù)秒鐘內(nèi)就可以從最低功率變換到額定功率，燃料電池的這些特點使其能作為微網(wǎng)中一種重要的微電源，能對風電等功率波動電源迅速做出反應，保證微網(wǎng)中的功率平衡。

在微網(wǎng)中通過具有快速起停和快速負荷調(diào)節(jié)特性的燃氣輪機和燃料電池來補償風電場出力的波動，使得整個系統(tǒng)的出力在一段時間內(nèi)有穩(wěn)定的輸出，克服僅僅由風電場的出力波動對電網(wǎng)造成的不利影響，解決風電對電網(wǎng)穩(wěn)定性所引起的技術(shù)問題，同時通過調(diào)節(jié)燃氣輪機和燃料電池的輸出，使得整個發(fā)電系統(tǒng)具有良好的可調(diào)度性。這一技術(shù)方案在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，對于風電的大規(guī)模開發(fā)具有十分重要的意義。

4 仿真結(jié)果

本文對風電以微網(wǎng)方式并入智能電網(wǎng)的策略進行了仿真，微網(wǎng)中的微電源配置如表1所示，微網(wǎng)中有一臺10MW的風力發(fā)電機，一臺10MW的微型燃氣輪機和一個容量為5MW的燃料電池。

表1 微網(wǎng)中的微電源配置

微網(wǎng)中微電源的功率輸出之和可表示為

式中，Pw為風力發(fā)電機的功率輸出，gP為燃氣輪機的功率輸出，fP為燃料電池的功率輸出。

燃氣輪機容量大，但是反應速度不如燃料電池快，而燃料電池容量小但是反應速度快，因此，用燃氣輪機平抑陣風引起的風機功率波動，而用燃料電池平抑隨機風引起風機的功率波動。對正常情況和風機切出兩種情況分別進行了仿真。

（1）風力發(fā)電機正常運行

風電正常運行時的風速以及風機出力仍如上文中如圖2所示，當風速達到額定風速但是不超過切出風速時，風機出力為額定功率。由于風機出力的隨機性，為達到微網(wǎng)中功率的穩(wěn)定輸出，微型燃氣輪機和燃料電池必須配合風機出力，圖4為配合風機出力的燃氣輪機及燃料電池配合風電的出力，由圖可見，燃氣輪機平抑功率波動較大的部分，而燃氣輪機平抑功率波動較小的部分。圖5為風力發(fā)電機、燃氣輪機和燃料電池總出力，由圖可見，風力發(fā)電機功率的波動性被很好的抑制了。

圖4 正常情況下燃氣輪機及燃料電池出力

圖5 風力發(fā)電機、燃氣輪機和燃料電池總出力

（2）風機切除情況下的仿真

如圖6所示，風速在300s以后持續(xù)下降，并在720s時降低為切入風速以下，風機停機，此時，必須由燃氣輪機和燃料電池聯(lián)合出力，才能補償由于風機切出帶來的功率損失，圖7為風機切出前后燃氣輪機以及燃料電池的出力。圖8為風機切出前后微網(wǎng)的總出力，由圖可知，風機的意外切出并沒有帶來巨大的功率波動，對配電網(wǎng)的安全運行提供了保證。

圖6 風力發(fā)電機切出情況下風速及風力發(fā)電機出力

圖7 風力發(fā)電機切出情況下燃氣輪機及燃料電池出力

圖8 風力發(fā)電機切出情況下風力發(fā)電機、燃氣輪機和燃料電池總出力

5 結(jié)論

風電并入智能電網(wǎng)后，其功率的波動性可能給智能電網(wǎng)的安全運行帶來不良影響，本文提出了一種把風電以微網(wǎng)形式并入智能電網(wǎng)的策略，仿真結(jié)果表明，在風電正常運行和意外切出情況下，可以很好的平抑功率的波動性，為智能電網(wǎng)的安全運行提供保證。

[1] 施鵬飛.從世界發(fā)展趨勢展望我國風力發(fā)電前景[J].中國電力,2003,36(9):54-62.

[2] P Gardner,H Snodin,A Higgins,S McGoldrick.The impacts of increased levels of wind penetration on the electricity systems of the Republic of Ireland and Northern Ireland: Final Report[R].Garrad Hassan and Partners Limited. 2003:1-39.

[3] S. Neris,N.A. Vovos,G.B.Giannakopoulos.A variable speed wind energy conversion scheme for connection to weak ac systems[J]. IEEE Trans on Energy Conv,1999,14(1): 122-127.

[4] O.A. Jaramillo,M.A. Borja, J.M. Huacuz. Using hydropower to complement wind energy: a hybrid system to provide firm power.Renewable Energy[J].2004,29: 1887-1909.

[5] George C.Bakos.Feasibility study of a hybrid wind/hydro power-system for low-cost electricity production[J]. Applied Energy,2002,72:599-608.

[6] vFrancois Giraud.Analysis of a utility-interactive windphotovoltaic hybrid system with battery storage using neural network[D].Doctor dissertation. University of Massachusetts Lowell,1999.

[7] M.T. Iqbal. Modeling and control of a wind fuel cell hybrid energy system [J]. Renewable Energy,2003,28(2): 223-237.

[8] Larsson A. Flicker emission of wind turbine caused by switching operations[J]. IEEE Trans on Energy Conversion, 2002,17(1):119-123.

[9] LASSETER B.Microgrids [distributed power generation][C]. Proceedings of the IEEE Power Engineering Society Winter Meeting: Vol1,January 28-February1,2001,Columbus, OH,USA:146-149.

[10] LASSETER RH.MicroGrids[C].Proceedings of the IEEE Power Engineering Society Winter Meeting:Vol1,January27-31,2002,New York,NY,USA:305-308.

[11] MARNAY C, VENKATARAMANAN G, STADLER M,et al.Optimal technology selection and operation of commercial building microgrids[J].IEEE Trans on Power Systems,2008,23(3):975-982.

[12] MARNAY C,ASANO H,PAPATHANASSIOU S,et al.Policy making for microgrids.IEEE Power and Energy Magazine,2008,6(3):66-77.

[13] BURGIO A,MENNITI D,PINNARELLI A,et al. The reliability studies of a novel integrated configuration for Micro2 Grids[J]. Proceedings of the Third International Conference on Electric Utility Deregulation and Restructuring and Power Technologies,April 6-9,2008,Nanjing,China:2634-2639.

[14] 余貽鑫,欒文鵬.智能電網(wǎng).電網(wǎng)與清潔能源,2009,25(1):7-11.

[15] PIAGI P,LASSETER R H.Autonomous control of Microgrids[J].Proceedings of the IEEE Power Engineering Society General Meeting,June 18-22,2006, Montreal, Canada:8p.