陳凱陽(yáng)

（佛山供電局，廣東 佛山 510600）

0 引 言

風(fēng)力發(fā)電作為可再生能源的主要利用方式，近年來(lái)得到了快速發(fā)展。過(guò)去10年，世界范圍內(nèi)風(fēng)力發(fā)電年均增長(zhǎng)28%。中國(guó)不斷加大對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的投資建設(shè)，到2020年力爭(zhēng)使風(fēng)力裝機(jī)容量達(dá)到30 GW[1]。隨著大型風(fēng)電場(chǎng)在電網(wǎng)中并網(wǎng)比例的增多，風(fēng)電場(chǎng)給電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。

目前，電網(wǎng)運(yùn)行通常采用自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）進(jìn)行管理。經(jīng)驗(yàn)表明，在風(fēng)電穿透率高的電網(wǎng)中，若仍采用以往的管理方式，將影響電網(wǎng)的安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。由于風(fēng)電場(chǎng)具有一定的特殊性，與常規(guī)調(diào)峰調(diào)頻電廠相比，能做出的有功調(diào)整十分有限。風(fēng)電場(chǎng)只能在發(fā)電功率小于風(fēng)電機(jī)組最大發(fā)電容量的情況下才能參與調(diào)峰調(diào)頻，這顯然違反了最優(yōu)發(fā)電原則。

此外，風(fēng)電場(chǎng)的并入導(dǎo)致電網(wǎng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量降低，使系統(tǒng)的頻率特性惡化。在電網(wǎng)正常運(yùn)行中，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大，頻率調(diào)節(jié)特性越好。當(dāng)電網(wǎng)頻率大幅度下降時(shí)，系統(tǒng)慣量對(duì)頻率穩(wěn)定起決定作用，慣量越低系統(tǒng)頻率下降變快[2]。在嚴(yán)重頻率事故中，系統(tǒng)慣量的下降不利于維持系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定。由于風(fēng)電機(jī)組缺乏針對(duì)電網(wǎng)頻率變化的有功調(diào)節(jié)，使得風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)后電網(wǎng)的穩(wěn)定性下降。

1 風(fēng)力發(fā)電運(yùn)行的特點(diǎn)

隨著大型風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行，并入電網(wǎng)的風(fēng)電容量急劇增加，大型風(fēng)電場(chǎng)已然成為電力系統(tǒng)電源的重要組成部分。風(fēng)力發(fā)電與常規(guī)能源發(fā)電有所不同，現(xiàn)代大型風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電具有以下幾方面特點(diǎn)[3]：（1）無(wú)污染，可再生，投產(chǎn)快，運(yùn)行管理自動(dòng)化程度高；（2）大型風(fēng)電場(chǎng)多建于風(fēng)能充足的“三北”地區(qū)，遠(yuǎn)離沿海負(fù)荷中心，具有大規(guī)模、集中化及遠(yuǎn)距離的特點(diǎn)；（3）風(fēng)電出力無(wú)規(guī)律且大小變化快，具有很強(qiáng)的隨機(jī)性與間歇性，波動(dòng)幅度大，波動(dòng)頻率無(wú)規(guī)律，部分時(shí)段與電網(wǎng)負(fù)荷呈現(xiàn)明顯的反調(diào)節(jié)特性；（4）異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的大量使用，會(huì)導(dǎo)致實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中風(fēng)電機(jī)組發(fā)出的有功功率大量吸收電網(wǎng)的無(wú)功功率，造成機(jī)端電壓波動(dòng)大；（5）風(fēng)電功率的調(diào)節(jié)能力較差，若不采用棄風(fēng)運(yùn)行方式，只能進(jìn)行有限的功率調(diào)節(jié)，而由于機(jī)組的運(yùn)行特性和風(fēng)能的不確定性，風(fēng)力發(fā)電不具備常規(guī)火電機(jī)組的功率調(diào)節(jié)能力。

2 風(fēng)電機(jī)組的概念

并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組可分為恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組兩大類(lèi)。由于恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組要求風(fēng)力轉(zhuǎn)速恒定，使得轉(zhuǎn)速不能跟隨風(fēng)速變化而變化，造成風(fēng)能利用系數(shù)偏低。但是，該類(lèi)機(jī)組出現(xiàn)較早且控制技術(shù)較成熟，在風(fēng)電發(fā)展初期進(jìn)行了大量的研究和投產(chǎn)使用。隨著現(xiàn)代大容量電力電子技術(shù)的成熟，變速恒頻風(fēng)電機(jī)組逐漸取代了恒速恒頻風(fēng)電機(jī)組，成為風(fēng)力發(fā)電的主流。

變速恒頻發(fā)電機(jī)組依照風(fēng)速的變動(dòng)而改變轉(zhuǎn)速，關(guān)鍵技術(shù)在于變頻裝置的使用。目前，大型風(fēng)電場(chǎng)使用的變速恒頻機(jī)組主要有兩種。一種是裝有多級(jí)齒輪箱的雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其葉片采用變漿距調(diào)節(jié)，發(fā)電機(jī)定子直接饋入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子則通過(guò)變頻器與電網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)了功率的雙向流動(dòng)。通過(guò)變頻器實(shí)現(xiàn)有功和無(wú)功功率的解耦控制，使得這類(lèi)變速風(fēng)電機(jī)組能夠?qū)崿F(xiàn)最大風(fēng)能捕獲，并減少部分機(jī)械部件的應(yīng)力。另一種是多極永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，省去了齒輪箱，減少了二次傳動(dòng)導(dǎo)致的效率降低及故障問(wèn)題，但變頻器的控制較復(fù)雜。對(duì)比恒速恒頻機(jī)組，變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)能提高風(fēng)能利用效率，應(yīng)用靈活，能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

風(fēng)電機(jī)組對(duì)電網(wǎng)的注入功率是由風(fēng)速?zèng)Q定的。如何解決風(fēng)電產(chǎn)生的電網(wǎng)波動(dòng)，是學(xué)術(shù)界的重要研究課題。隨著并網(wǎng)的風(fēng)電容量越來(lái)越大，功率波動(dòng)帶來(lái)的問(wèn)題日益明顯，其中風(fēng)力發(fā)電對(duì)系統(tǒng)電壓的影響問(wèn)題尤為突出。

3 風(fēng)電對(duì)電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的影響

電壓穩(wěn)定性是指電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行中受到擾動(dòng)，維持系統(tǒng)所有母線電壓保持允許范圍內(nèi)的能力。當(dāng)電力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)負(fù)荷增加或改變系統(tǒng)條件時(shí)，電壓可能會(huì)連續(xù)或失控地衰減，導(dǎo)致系統(tǒng)電壓不穩(wěn)定。根本原因在于無(wú)法滿足電力系統(tǒng)無(wú)功功率要求，通常是因負(fù)荷變化或是聯(lián)絡(luò)線傳輸功率過(guò)大造成無(wú)功損耗過(guò)大而引起的。

從各國(guó)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行現(xiàn)狀看，電壓穩(wěn)定性問(wèn)題仍然存在，這是由風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功特性決定的。在高出力階段，并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組由本來(lái)的受端系統(tǒng)轉(zhuǎn)為送端系統(tǒng)，對(duì)電網(wǎng)輸出功率。風(fēng)電場(chǎng)引起的電壓穩(wěn)定性降低、電壓崩潰及常規(guī)電力系統(tǒng)失穩(wěn)的機(jī)理一致[4]。

風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電壓穩(wěn)定性的影響是多方面的。恒速異步機(jī)組在運(yùn)行中同時(shí)進(jìn)行有功與無(wú)功的出力，無(wú)功需求量較多，導(dǎo)致風(fēng)電在并入電網(wǎng)時(shí)電壓不穩(wěn)定。此外，并網(wǎng)地區(qū)的短路容量、輸出線路的R/X比以及風(fēng)電場(chǎng)采取的無(wú)功補(bǔ)償方式也會(huì)影響電壓的穩(wěn)定。風(fēng)電場(chǎng)的主力機(jī)型仍是恒速風(fēng)電機(jī)組。因無(wú)功需求量較高所引發(fā)的電壓不穩(wěn)定問(wèn)題尤為突出，所以恒速機(jī)組并網(wǎng)電壓穩(wěn)定問(wèn)題是一項(xiàng)值得研究的課題。具體地，可以考慮發(fā)揮SVC、STATCOM等電氣設(shè)備的無(wú)功補(bǔ)償優(yōu)勢(shì)，增強(qiáng)電網(wǎng)電壓的暫態(tài)穩(wěn)定性。

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相比于恒速風(fēng)電機(jī)組，具有風(fēng)能利用最大化、無(wú)功需求少等優(yōu)點(diǎn)。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)電壓不穩(wěn)導(dǎo)致電網(wǎng)故障，會(huì)使風(fēng)力機(jī)組大面積脫網(wǎng)運(yùn)行，致使電網(wǎng)電壓崩潰[5]。因此，要提高故障期間風(fēng)力風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力，需關(guān)注以下兩個(gè)方面：（1）優(yōu)化控制策略，提高風(fēng)電機(jī)組對(duì)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁鏈的同步跟蹤準(zhǔn)確性，保證機(jī)組在電網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)不脫網(wǎng)運(yùn)行；（2）在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，適時(shí)啟用Crowbar電路，減少風(fēng)電機(jī)組對(duì)電網(wǎng)無(wú)功功率的吸收，同時(shí)利用STATCOM裝置進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，避免電網(wǎng)電壓進(jìn)一步降低。

4 風(fēng)電對(duì)電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的影響

電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定與有功功率的平衡緊密相連。在電網(wǎng)有功功率與負(fù)荷不平衡時(shí)，如短路、斷線故障及解列機(jī)組等問(wèn)題，均會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)頻率出現(xiàn)波動(dòng)。由于風(fēng)電發(fā)電功率難以預(yù)測(cè)，風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量與負(fù)荷量間的平衡需要其他發(fā)電機(jī)組來(lái)調(diào)節(jié)，如傳統(tǒng)的火電、水電。隨著風(fēng)電在電網(wǎng)中的比例逐漸增大，風(fēng)電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)頻率的影響不容忽視。

當(dāng)電網(wǎng)因功率不平衡引起電網(wǎng)頻率下降時(shí)，系統(tǒng)慣量大小對(duì)系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性將起到關(guān)鍵作用。慣量降低會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)頻率進(jìn)一步降低，擴(kuò)大頻率事故的不良影響范圍。當(dāng)電網(wǎng)頻率不正常時(shí)，恒速風(fēng)電機(jī)組與雙饋風(fēng)電機(jī)組的頻率響應(yīng)特性截然不同。恒速異步機(jī)組由于系統(tǒng)頻率與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速耦合程度較高，系統(tǒng)頻率降低，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也隨之降低，部分動(dòng)能被釋放，提高了機(jī)組的慣量響應(yīng)能力，有利于電網(wǎng)頻率故障的恢復(fù)。雙饋風(fēng)電機(jī)組因其轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率能實(shí)現(xiàn)完全解耦，所以當(dāng)電網(wǎng)頻率故障時(shí)機(jī)組難以提供慣量，需要通過(guò)增加功率裕度、增設(shè)儲(chǔ)能裝置及混合型風(fēng)電場(chǎng)等手段，提高風(fēng)電并網(wǎng)頻率的穩(wěn)定性[6]。

5 其他相關(guān)穩(wěn)定性問(wèn)題

大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)不僅影響系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性，還在原有系統(tǒng)中注入了風(fēng)電功率，改變了系統(tǒng)原有的潮流分布。因此，風(fēng)電機(jī)組代替部分同步機(jī)組改變了系統(tǒng)慣量，傳統(tǒng)的同步機(jī)組功角穩(wěn)定性分析也因此發(fā)生變化。研究風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響，針對(duì)不同的機(jī)組，利用DigSilent/Powerfactory建立風(fēng)電場(chǎng)的動(dòng)態(tài)模型并進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，恒速異步風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)定性較差，雙饋風(fēng)電機(jī)組和直驅(qū)式交流永磁利于電網(wǎng)穩(wěn)定。此外，將小干擾穩(wěn)定和儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)電并網(wǎng)，改善穩(wěn)定性是目前國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。建立雙饋風(fēng)電機(jī)組的聚合風(fēng)電場(chǎng)模型，在不同風(fēng)速下對(duì)機(jī)組進(jìn)行小信號(hào)穩(wěn)定性的動(dòng)態(tài)分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)主振蕩模式變化的跟蹤。研究超導(dǎo)儲(chǔ)能、超級(jí)電容及傳統(tǒng)儲(chǔ)能裝置對(duì)風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越極限與功率穩(wěn)定的影響，結(jié)果表明，儲(chǔ)能系統(tǒng)能有效改善風(fēng)電場(chǎng)輸出的可控性，提升風(fēng)電并網(wǎng)的穩(wěn)定性。

6 結(jié) 論

風(fēng)電場(chǎng)接入對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性影響主要包括電壓失穩(wěn)和頻率波動(dòng)兩個(gè)方面，但二者產(chǎn)生機(jī)理有所不同。電壓失穩(wěn)主要是由于風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中吸收大量的無(wú)功功率，導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)功缺額，進(jìn)而造成電壓的不穩(wěn)定，使得機(jī)組脫網(wǎng)運(yùn)行。頻率失恒主要是因?yàn)轱L(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)使系統(tǒng)慣量減少，在風(fēng)電出力波動(dòng)的共同作用下，系統(tǒng)頻率快速降落，最終導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。為系統(tǒng)裝設(shè)SVC、STATCOM等無(wú)功補(bǔ)償裝置，能對(duì)系統(tǒng)提供無(wú)功支撐，改善風(fēng)電系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性。此外，需加大儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究力度，以期減少系統(tǒng)頻率波動(dòng)，減少風(fēng)電場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)的負(fù)面影響。