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大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)引起的電力系統(tǒng)運(yùn)行與穩(wěn)定問題及對策

趙 龍,汪寧渤,何世恩,劉光途,張金平,王定美,周 強(qiáng),黃 蓉,王明松

(甘肅省電力公司風(fēng)電技術(shù)中心,甘肅蘭州,730050)

摘要：風(fēng)力發(fā)電間歇性強(qiáng)、可控性差、機(jī)組種類多、出力預(yù)測難，大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對電力系統(tǒng)的運(yùn)行與穩(wěn)定有著巨大的影響。本文就大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)引起的電力系統(tǒng)運(yùn)行與穩(wěn)定問題進(jìn)行了研究，并有針對性的提出一些解決策略，對促進(jìn)風(fēng)電并網(wǎng)的安全與穩(wěn)定有一定幫助。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電并網(wǎng)；電網(wǎng)穩(wěn)定；解決策略

0　引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會的進(jìn)步，全球電能缺口越來越大，同時全球能源緊缺和環(huán)境污染也越來越重，急需加強(qiáng)清潔可再生能源的利用。風(fēng)力發(fā)電環(huán)境污染小，利用率高，成本低，具有極高的利用價(jià)值，近年來在全球范圍內(nèi)被迅速推廣，全球裝機(jī)容量迅速攀升。在《可再生能源法》實(shí)施以后，我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)也得到了迅速的發(fā)展，目前裝機(jī)容量已經(jīng)超過丹麥、德國、印度等國家，僅次于美國和西班牙，風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用越來越為廣泛。不過風(fēng)力發(fā)電受風(fēng)速影響，具有明顯的隨機(jī)性、間歇性和不可控性，大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)給電力系統(tǒng)的運(yùn)行與穩(wěn)定帶來很多負(fù)面影響，研究風(fēng)電并網(wǎng)對電力系統(tǒng)運(yùn)行與穩(wěn)定的影響極為重要。下面，本文就大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)引起的電力系統(tǒng)運(yùn)行與穩(wěn)定問題進(jìn)行淺要的研究，并提出一些有針對性的解決策略。

1　大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)給電力系統(tǒng)的影響

由于我國風(fēng)能資源豐富地區(qū)距離負(fù)荷中心較遠(yuǎn)，大規(guī)模的風(fēng)力發(fā)電無法就地消納，需要通過輸電網(wǎng)遠(yuǎn)距離輸送到負(fù)荷中心。在風(fēng)電場的風(fēng)電出力較高時，大量風(fēng)電功率的遠(yuǎn)距離輸送往往會造成線路壓降過大，風(fēng)電場的無功需求及電網(wǎng)線路的無功損耗增大，電網(wǎng)的無功不足，局部電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性受到影響、穩(wěn)定裕度降低。電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定極限限制了風(fēng)電場最大的裝機(jī)容量，在電網(wǎng)規(guī)劃沒有與風(fēng)電規(guī)劃協(xié)調(diào)發(fā)展時，往往電網(wǎng)接納風(fēng)電的能力不能適應(yīng)風(fēng)電規(guī)劃的發(fā)展，接人的風(fēng)電場容量受到電網(wǎng)自身?xiàng)l件的限制。

1.1調(diào)峰調(diào)頻容量的影響

在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，基本上不進(jìn)行調(diào)峰，在接入電網(wǎng)時大多采用軟并網(wǎng)的方式，系統(tǒng)在啟動運(yùn)行過程中，會產(chǎn)生較大的沖擊電流。尤其當(dāng)風(fēng)速超出切出風(fēng)速時，風(fēng)電機(jī)組會從額定出力狀態(tài)解列退出運(yùn)行，大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)時，大量風(fēng)電機(jī)組的解列會給電網(wǎng)造成巨大的沖擊。此外，風(fēng)速變化與塔影效應(yīng)，都會造成風(fēng)電機(jī)組的出力波動，造成電網(wǎng)電壓閃變。雖然單臺風(fēng)電機(jī)組對電網(wǎng)電壓的沖擊較小，但極便是單機(jī)對電網(wǎng)電壓的沖擊也需要持續(xù)一段時間才能基本消失，而大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)所造成的電壓沖擊，則往往會造成電網(wǎng)電壓的驟降。當(dāng)風(fēng)速增大時，系統(tǒng)輸入的有功功率會增加，風(fēng)電場母線電壓先降后升，這種現(xiàn)象在風(fēng)電場與電力系統(tǒng)間等值阻抗較大時產(chǎn)生的電壓波動更為明顯。

1.2無功電壓的影響

目前，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中所采用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有多種類型，國內(nèi)應(yīng)用較多的主要有異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)、雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)和直驅(qū)式交流永磁同步發(fā)電機(jī)三種。異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)是我國風(fēng)電系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一種機(jī)型，異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)為定速恒頻機(jī)組，在運(yùn)行中轉(zhuǎn)速基本不變，但機(jī)組運(yùn)行時風(fēng)能轉(zhuǎn)換很難保持在最佳狀態(tài)下，在并網(wǎng)運(yùn)行時需要大量從電力系統(tǒng)中吸收無功功率，當(dāng)大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)時，所需要吸怍的無功功率將極為巨大，嚴(yán)重增加電網(wǎng)的無功負(fù)擔(dān)，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓失穩(wěn)。

1.3電能質(zhì)量的影響

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)電機(jī)組輸出功率具有明顯的波動性，這種波動性除了受風(fēng)速變化的影響，還受風(fēng)電機(jī)組自身的一些固有特性的影響。風(fēng)電系統(tǒng)所帶來的諧波污染，會嚴(yán)重降低電網(wǎng)電能質(zhì)量。機(jī)組本身所配備的各種電力電子裝置，有可能帶來諧波污染。對與恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)，當(dāng)直接與電網(wǎng)并聯(lián)時，雖然在軟啟動階段會產(chǎn)生一定的諧波污染，但過程較短發(fā)生次數(shù)較少，通?？梢院雎浴５珜τ谧兯亠L(fēng)力發(fā)電機(jī)，由于需要利用整流和逆變裝置來接入電力系統(tǒng)，極容易產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波污染降低電力系統(tǒng)電能質(zhì)量。

2　大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行與穩(wěn)定問題解決對策

2.1調(diào)峰調(diào)頻問題解決對策

大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)增加了電力系統(tǒng)的調(diào)峰調(diào)頻難度，需要電力系統(tǒng)具有更大的調(diào)峰調(diào)頻容量，為了解決大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)造成的調(diào)峰調(diào)頻問題，可提高電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)頻備用容量。在實(shí)際應(yīng)用中，可以從多個方面進(jìn)行。一方面調(diào)整電網(wǎng)電源結(jié)構(gòu)從而改善電網(wǎng)的負(fù)荷平衡能力，如降低風(fēng)電機(jī)組比重，提高抽水蓄能和燃?xì)鈾C(jī)組在電網(wǎng)中的比重，對于新接入的風(fēng)電機(jī)組，必須考慮其具有更低的負(fù)載率運(yùn)行能力，從而增加電力系統(tǒng)的調(diào)峰調(diào)頻幅度。另一方面，可以加強(qiáng)對風(fēng)電場出力預(yù)測評估，從源頭來提高風(fēng)電場出力預(yù)測的精確度和準(zhǔn)確度，避免大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)超出電力系統(tǒng)的調(diào)峰調(diào)頻能力。此外，還可以強(qiáng)化風(fēng)電機(jī)組與其它發(fā)電機(jī)組之間的協(xié)調(diào)能力，使其它發(fā)電機(jī)組能與風(fēng)電機(jī)組的切入、切出和出力變化相協(xié)調(diào)，如提高風(fēng)電機(jī)組的靈活性以適應(yīng)快速的啟動和關(guān)停，或者對風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電曲線進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整適應(yīng)電網(wǎng)調(diào)節(jié)速度，必要時還可以控制風(fēng)電機(jī)組的出力以降低系統(tǒng)負(fù)荷水平。

2.2無功電壓問題對策

風(fēng)電場的出力不穩(wěn)定，要解決無功電壓問題的影響，需要電力系統(tǒng)具有更多的容性無功補(bǔ)償。通常情況下，風(fēng)電機(jī)組的利用小時數(shù)較低，當(dāng)機(jī)組滿負(fù)荷發(fā)電時，線路潮流將會超出線路自然功率，使得線路消耗的無功功率迅速遞增。在解決這一問題時，必須考慮兩種不同情況，在無風(fēng)狀態(tài)下風(fēng)電場送出系統(tǒng)輕載，輸電線路充電功率遠(yuǎn)大于系統(tǒng)需要，此時需要利用感性無功補(bǔ)償容量。當(dāng)系統(tǒng)出力增加時，整個風(fēng)電場送出系統(tǒng)重載，此時需要利用容性無功補(bǔ)償容量來進(jìn)行補(bǔ)償。對于分散接入低壓配電網(wǎng)的風(fēng)電機(jī)組，為了保證系統(tǒng)故障情況下的供電能力，還應(yīng)當(dāng)提高風(fēng)電場的低電壓穿越能力。對于通過高壓輸電通道集中外送的風(fēng)電場，此時如果風(fēng)電機(jī)組具有低電壓穿越能力，處于不穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時很可能會造成整個系統(tǒng)的穩(wěn)定問題，應(yīng)當(dāng)使風(fēng)電場盡快從系統(tǒng)中解列，因此可以不具備低電壓穿越能力。

2.3電能質(zhì)量問題對策

大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)引起的電力系統(tǒng)電能質(zhì)量問題，主要受風(fēng)電場功率波動的影響。為了解決大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)引起的電力系統(tǒng)電能質(zhì)量問題，可以采用輕型直流輸電并入電力系統(tǒng)的方法，即使用電壓源換流器技術(shù)、門極可關(guān)斷晶閘管及絕緣柵極昌體管構(gòu)建基于PWM控制的VSC結(jié)構(gòu)，構(gòu)建輕型直流輸電系統(tǒng)，利用直流輸電的優(yōu)點(diǎn)來解決分散電源接入的輸電走廊問題，提升無功、電壓調(diào)節(jié)能力，改善交流系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量。此外，還可以采用變速恒頻電機(jī)、雙饋電機(jī)等新型機(jī)組，使風(fēng)電場發(fā)電機(jī)組可以和常規(guī)機(jī)組一樣承擔(dān)電壓和無功控制任務(wù)，從而降低大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的負(fù)面影響。

2.4儲能技術(shù)解決大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)問題

儲能應(yīng)用于電力系統(tǒng)，無論是應(yīng)對負(fù)荷波動問題還是系統(tǒng)穩(wěn)定問題，都受到國內(nèi)外工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的長期關(guān)注。已獲得大規(guī)模應(yīng)用的儲能技術(shù)目前還僅限于抽水蓄能。截至2008年底，世界抽水蓄能電站總裝機(jī)容量約130 GW,而其他儲能技術(shù)的總裝機(jī)容量約在數(shù)百兆瓦，且多為示范應(yīng)用。大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)后，電力系統(tǒng)在供電充裕性及運(yùn)行穩(wěn)定性方面所面臨的新挑戰(zhàn)為儲能在電力系統(tǒng)中的規(guī)模化應(yīng)用提供了新的機(jī)遇。儲能作為一種可調(diào)度資源是解決風(fēng)電波動性和不確定性問題對系統(tǒng)影響的途徑之一。大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)增加了系統(tǒng)對調(diào)頻及負(fù)荷跟蹤備用的需求，解決這2種問題要求儲能的充放電周期在分鐘至小時級，適用的儲能技術(shù)包括鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳金屬氫化物電池、鋰離子電池等儲能形式。同時，大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)也增加了系統(tǒng)中基荷機(jī)組組合的挑戰(zhàn)。解決這個問題要求儲能的充放電周期在小時至日級，適用的儲能技術(shù)包括鈉硫電池、液流電池、抽水蓄能、壓縮空氣蓄能、熱能儲能等儲能形式。中國國家能源局及美國能源部都已規(guī)劃大力推動大規(guī)模儲能尤其是抽水蓄能電站的建設(shè)。

3　結(jié)論

風(fēng)電的快速發(fā)展和大規(guī)模接人電網(wǎng)賦予了電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)

定新的研究內(nèi)容。不同的系統(tǒng)面臨的電壓穩(wěn)定問題可能有較大的差異，即使同一個電力系統(tǒng)，不同的發(fā)展時期，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的差異、負(fù)荷特性的差異以及風(fēng)電接人容量的差異均使系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定問題變得不同，需要區(qū)別對待和解決。為了風(fēng)電接人系統(tǒng)后的電壓穩(wěn)定應(yīng) 選擇技術(shù)性能好的風(fēng)機(jī)、盡可能地將風(fēng)電場分散接人系統(tǒng)、風(fēng)電場及系統(tǒng)其他節(jié)點(diǎn)的無功電源的快速有效響應(yīng)、完善低壓和低頻減載 裝置。另外，還應(yīng)深人研究風(fēng)機(jī)建模和進(jìn)行風(fēng)電接人系統(tǒng)后的長過程仿真。

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Power system operation and stability problems and Countermeasures Caused by large-scale wind power grid

Zhao Long,Wang Ningbo,He Shien,Liu Guangtu,Zhang Jinping,Wang Dingmei,Zhou Qiang,Huang Rong, Wang Mingsong

(Gansu province electric power company wind power technology center,Gansu Lanzhou City,730050)

Abstract：Intermittent wind power, strong controllability,unit variety,output prediction difficult,has the huge impact of large-scale wind power operation and stability of power system.The power system operation and stability problems of the large-scale wind power grid caused are studied,and put forward some solving strategies,is helpful to promote the safety and stability of wind power grid.

Keywords：Wind power grid;grid stability;Solutions