肖碩霜 尹忠東

（華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗室，北京 102206）

相較于其他形式的能源，風(fēng)電以其清潔、高效、可再生性與低廉的建設(shè)成本贏得了各國政府與市場的廣泛關(guān)注。風(fēng)電場規(guī)模的不斷擴(kuò)大也帶來了不可避免的并網(wǎng)問題。隨著風(fēng)電熱的不斷升溫，風(fēng)電場逐漸表現(xiàn)出發(fā)電場容量增大、并入電網(wǎng)的等級增加的特點(diǎn)，單個風(fēng)電場裝機(jī)容量攀升至百萬千瓦，并由配網(wǎng)接入發(fā)展為直接接入高壓電網(wǎng)。可以看到，增加的容量和接入電壓等級將使得風(fēng)電對所并入的電網(wǎng)影響更加深遠(yuǎn)。

風(fēng)電機(jī)組的輸出功率受不可控的隨機(jī)自然風(fēng)力驅(qū)動會頻頻波動。由于風(fēng)電資源豐富的地方往往在電力系統(tǒng)薄弱的偏遠(yuǎn)地區(qū)和沿海，其單一的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和薄弱的電氣聯(lián)系又使得其輸出功率一旦受到波動則會造成電網(wǎng)局部的電能質(zhì)量顯著改變，穩(wěn)定性也受到干擾。在風(fēng)電穿透率較低時，風(fēng)電場的間歇性與波動性系統(tǒng)都可以耐受。超過8%的風(fēng)電穿透水平，便需要切除機(jī)組舍棄部分風(fēng)電?，F(xiàn)代風(fēng)電占電網(wǎng)比例迅速上升，這樣一來舍棄風(fēng)電量將相當(dāng)可觀。為盡量避免棄風(fēng)的經(jīng)濟(jì)損失，保障大容量風(fēng)電場并網(wǎng)的安全運(yùn)行，研究風(fēng)速波動的對其造成的并網(wǎng)影響迫在眉睫。

1 大容量風(fēng)電場風(fēng)速波動下的影響

經(jīng)過各國對風(fēng)電場并網(wǎng)問題的研究探索，風(fēng)速的波動主要體現(xiàn)在風(fēng)機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩改變造成的電磁轉(zhuǎn)矩的非額定運(yùn)行。此間發(fā)電機(jī)有功輸出波動，電能質(zhì)量改變乃至影響到整個風(fēng)電系統(tǒng)的并網(wǎng)潮流亦會隨之改變。

1.1 風(fēng)速波動的并網(wǎng)電壓影響

風(fēng)速波動產(chǎn)生的有功輸出波動從根本上引起了并網(wǎng)點(diǎn)電壓的波動與閃變，其中電壓波動也是 IEC標(biāo)準(zhǔn)對并網(wǎng)風(fēng)電考察的重點(diǎn)。其余的原因還有電網(wǎng)狀態(tài)、機(jī)組類型、機(jī)組控制等原因，并不贅述。

在高滲透率的電網(wǎng)中，主流的恒頻恒速風(fēng)電機(jī)組直接與電網(wǎng)耦合，風(fēng)電產(chǎn)生功率特性將直接體現(xiàn)在電網(wǎng)中。另外，其異步發(fā)電機(jī)在輸出波動有功時將會吸收大量的無功。風(fēng)速的變動直接影響到無功吸收的大小，無功吸收減少導(dǎo)致并網(wǎng)點(diǎn)電壓降低，而風(fēng)機(jī)側(cè)固定電容器補(bǔ)償?shù)臒o功容量則與電壓相關(guān)，從而導(dǎo)致了電壓的進(jìn)一步惡化。如若任由發(fā)展，降低的電磁轉(zhuǎn)矩造成轉(zhuǎn)矩不平衡，軸系松弛功率無法送出，異步發(fā)電機(jī)將會轉(zhuǎn)速飛升，甚至可能引起母線電壓崩潰造成電量損失與失穩(wěn)。

圖1 單相風(fēng)電機(jī)組輸出電壓虛擬電網(wǎng)模擬

而顯然式中風(fēng)電機(jī)組有功如下

設(shè)最初風(fēng)速23m/s，當(dāng)出現(xiàn)持續(xù)6s、以±6m/s速率逐漸變化的典型陣風(fēng)時，十萬千瓦裝機(jī)容量風(fēng)電場出口母線電壓變化幅度為-5%～4%。研究表明，風(fēng)電機(jī)組端電壓的波動與閃變隨平均風(fēng)速的增加而增加。風(fēng)速超過額定值又繼續(xù)增加時，變轉(zhuǎn)速機(jī)組由于具有可平滑有功波動使得電壓波動減小，恒轉(zhuǎn)速機(jī)組的波動仍舊增大。湍流強(qiáng)度與電壓波動與閃變的關(guān)系幾乎可表示為正斜率特性。

為評估并網(wǎng)運(yùn)行的電壓波動，可考慮風(fēng)速服從瑞利分布并依據(jù) IEC標(biāo)準(zhǔn)中的閃變值算法進(jìn)行估算。考慮大型風(fēng)電場有多臺風(fēng)機(jī)，則引起的短時與長時間閃變值為[1]

式中， ci（ φk, va）s是每臺機(jī)組閃變系數(shù)，是由閃變系數(shù)在瑞利風(fēng)速下的積累概率函數(shù)計算得出的。

式（3）中，N為并網(wǎng)點(diǎn)連接風(fēng)電機(jī)組數(shù)； Sn,i為每臺機(jī)組額定視在功率； Sk為機(jī)組公共并網(wǎng)點(diǎn)短路容量； Sks為虛擬電網(wǎng)短路容量； Pst是根據(jù)風(fēng)機(jī)輸出電壓按照IEC標(biāo)準(zhǔn)計算得出的短時閃變值。

1.2 風(fēng)速波動的并網(wǎng)頻率影響

現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中越來越多地采取了變速風(fēng)電機(jī)組或者安裝有電力電子變流器的恒速風(fēng)電機(jī)組，這樣的機(jī)組雖然控制性能大大進(jìn)步，但同時使得機(jī)組機(jī)械和電氣聯(lián)系解耦，阻斷了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率變化的響應(yīng)關(guān)系。單純的恒頻機(jī)組采用恒轉(zhuǎn)差運(yùn)行，能夠維持恒定功率水平。因此，當(dāng)電網(wǎng)頻率改變時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率僅與風(fēng)能有關(guān)，不能對系統(tǒng)頻率變化產(chǎn)生響應(yīng)。

綜合目前對風(fēng)速統(tǒng)計分析得出，單臺風(fēng)電機(jī)組輸出的波動功率水平主要為秒級，但量值很?。伙L(fēng)電場由于集群效應(yīng)其波動則更為平緩，秒級的風(fēng)速變化率不大，99.44%的情況下變化率都小于0.3%；而分鐘級以上的功率波動則會對電網(wǎng)的頻率帶來一定的影響。另考慮風(fēng)電的集群平滑作用，當(dāng)風(fēng)電場群入網(wǎng)后，出現(xiàn)大于70%全網(wǎng)風(fēng)電容量的功率波動概率將極低。但若滲透率較高，將會在全網(wǎng)造成系統(tǒng)有功出力和負(fù)荷之間的動態(tài)不平衡，對電網(wǎng)頻率造成很大打擊。我國電力系統(tǒng)的頻率偏差標(biāo)準(zhǔn)為50±0.2Hz，這是風(fēng)電引起的頻率波動必須控制的范圍。

在我國風(fēng)電場并網(wǎng)導(dǎo)則中規(guī)定風(fēng)電是不需要參與調(diào)頻的。這是由于風(fēng)電功率無法控制，做備用的可靠性極低。電網(wǎng)的調(diào)頻重任必須由傳統(tǒng)水火電廠承擔(dān)。

對于數(shù)分鐘至小時級功率波動的二次調(diào)頻，在其他國家的風(fēng)電導(dǎo)則中，提出了風(fēng)電在系統(tǒng)頻率受到影響時需要限制風(fēng)電出力來參與二次調(diào)頻。如愛爾蘭則要求風(fēng)電場需要將 3%～5%的出力進(jìn)行控制來參加系統(tǒng)調(diào)頻、丹麥規(guī)定風(fēng)電場需要采用棄風(fēng)方式來留出一定的調(diào)頻容量。我國電網(wǎng)導(dǎo)則沒有提出相關(guān)要求。二次調(diào)頻是手動或自動根據(jù)事先的預(yù)測值控制風(fēng)電機(jī)組發(fā)出功率的增減。預(yù)測值由風(fēng)電出力預(yù)測和電網(wǎng)調(diào)度預(yù)測（仍考慮負(fù)荷預(yù)測）綜合考慮得出的，如果風(fēng)電的功率波動超出了預(yù)測值，備用無法響應(yīng)時則也會造成系統(tǒng)的功率不平衡和頻率變化。這就需要電網(wǎng)增加更多的調(diào)頻電源容量來應(yīng)對。

研究表明，穿透功率愈大，風(fēng)電場并網(wǎng)所需的額外備用就愈多。當(dāng)風(fēng)電的穿透水平達(dá)到10%時，功率波動的影響才會明顯地體現(xiàn)在二次調(diào)頻備用容量上來，而額外增加的備用意味著額外增加的成本，這可能造成傳統(tǒng)電力機(jī)組的頻繁啟?；蛭礉M載運(yùn)行造成效率低下、風(fēng)電機(jī)組參與的機(jī)組最優(yōu)組合復(fù)雜化，從而引起調(diào)頻負(fù)擔(dān)加重、調(diào)度困難與運(yùn)行成本增加。

據(jù)以上分析可粗略估算并網(wǎng)風(fēng)電的容量。風(fēng)電出力變化率為一定時，風(fēng)電接入率增大，則所要求的系統(tǒng)調(diào)頻速度越大。依張家口風(fēng)電場數(shù)據(jù)分析[9]，設(shè)若當(dāng)調(diào)頻速度為每分鐘1.2%時，則必須要求風(fēng)電接入率限制在40%以下。

1.3 風(fēng)速波動對電網(wǎng)潮流影響

給定風(fēng)速，風(fēng)電場的有功功率特性可以表示為如下

式中，A、B、C為功率特性系數(shù)，V為風(fēng)速， Vci、Vco、Vr分別代表風(fēng)機(jī)啟動風(fēng)速切除風(fēng)速以及額定風(fēng)速， Pr為額定風(fēng)電出力。

傳統(tǒng)潮流計算中，電網(wǎng)的母線可以劃分為 PQ節(jié)點(diǎn)、PV節(jié)點(diǎn)和平衡節(jié)點(diǎn)三類。對于變速風(fēng)力機(jī)組，無功可以根據(jù)控制策略的設(shè)定或者功率因數(shù)求取。而恒速風(fēng)電機(jī)組則不同，其自身無法進(jìn)行勵磁調(diào)節(jié)不能調(diào)節(jié)電壓免受偏移；其所吸取的無功，又與發(fā)出有功、電壓、滑差有關(guān)，不能保證功率恒定。所以是不能單純將風(fēng)電場母線劃分為某一類節(jié)點(diǎn)的。

采用風(fēng)電場潮流聯(lián)合迭代模型[27]，簡化異步發(fā)電機(jī)的等值電路，如圖2所示。由等值電路可以得到注入電網(wǎng)的有功和無功分別為

由上式可知無功可以辨識為有功和電壓的函數(shù)。改進(jìn)雅克比矩陣并采用牛頓-拉夫遜法，可以得到風(fēng)電場并網(wǎng)系統(tǒng)的潮流。

圖2 簡化異步發(fā)電機(jī)等值電路

動態(tài)系統(tǒng)下中，如果采用了傳統(tǒng)穩(wěn)態(tài)潮流計算方法，風(fēng)速變動強(qiáng)烈的情況下，計算結(jié)果將會產(chǎn)生一定的誤差。可以采用蒙特卡羅法計算概率潮流，將電力系統(tǒng)中負(fù)荷、風(fēng)電機(jī)組出力等概率分布進(jìn)行抽樣，再進(jìn)行穩(wěn)態(tài)潮流計算，得到與抽樣值對應(yīng)的潮流計算結(jié)果后進(jìn)行分析得到系統(tǒng)潮流的概率分布。

另外，潮流結(jié)果也與并網(wǎng)點(diǎn)連接風(fēng)電場之間的風(fēng)速相關(guān)性密切相關(guān)。文獻(xiàn)[25]研究改進(jìn)的IEEE30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)風(fēng)速相關(guān)性高時至少需要22.5Mvar無功補(bǔ)償量來保證各節(jié)點(diǎn)電壓不越限，而設(shè)風(fēng)速無相關(guān)性則僅需6Mvar的補(bǔ)償量；考慮相關(guān)性時的風(fēng)電場的最大裝機(jī)容量比不考慮時超過了34MW，若按后者裝機(jī)容量進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃，則必定會使系統(tǒng)中部分節(jié)點(diǎn)電壓越限的概率大于5%。實(shí)際工程中需要考慮這一點(diǎn)。

2 風(fēng)速波動對電網(wǎng)影響的解決措施

就目前而言，解決風(fēng)速波動造成的大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)問題主要還處于理論研究，因為世界范圍內(nèi)具有高極限穿越功率的國家相當(dāng)有限，北歐國家風(fēng)電發(fā)電量僅占電力系統(tǒng)的 1%～2%，美國與我國則更低。但隨著風(fēng)電快速發(fā)展，解決此問題是不可避免的。而以上對風(fēng)速波動造成的并網(wǎng)影響問題的解決方式是相輔相成的，其最根本的就是將風(fēng)電機(jī)組輸出的有功功率進(jìn)行平滑。

盡量準(zhǔn)確預(yù)測風(fēng)速可以相應(yīng)提高風(fēng)電功率輸出的預(yù)測準(zhǔn)確性，從而顯著降低所需調(diào)頻備用。通過合理有效的統(tǒng)籌管理、較準(zhǔn)確地進(jìn)行風(fēng)速和功率的調(diào)節(jié)和控制是發(fā)電調(diào)度計劃制定的重要參考，從而及時提供備用、減少電壓和頻率波動可能性。目前預(yù)測方法主要有隨機(jī)時間序列法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、卡爾曼濾波法等。當(dāng)滲透率為10%時，約需要額外的調(diào)頻備用為2%～8%的風(fēng)電裝機(jī)容量。如果采用先進(jìn)預(yù)測技術(shù)及當(dāng)日甚至小時前調(diào)度，則只需2%～4%的裝機(jī)容量。

由上文分析，備用容量增加意味著經(jīng)濟(jì)和電網(wǎng)調(diào)度的困難。尋找新的平衡方式如功率補(bǔ)償器也是現(xiàn)在的熱點(diǎn)?，F(xiàn)廣泛采用的是安裝無功補(bǔ)償器如SVC、STATCOM 來提供一定無功穩(wěn)定風(fēng)電場出口電壓。在頻率方面，有研究將風(fēng)電場看作負(fù)的負(fù)荷，來通過AGC（自動發(fā)電控制系統(tǒng)）調(diào)節(jié)系統(tǒng)發(fā)出的有功較好的解決其隨機(jī)性的問題[26]。但是其綜合效果卻沒有新興的儲能裝置優(yōu)越，當(dāng)然后者的成本是重要的制約因素。儲能裝置對有功無功都可以進(jìn)行有效補(bǔ)償，其提供的有功有效彌補(bǔ)機(jī)組有功輸出波動、緩解電壓頻率偏差，彌補(bǔ)純無功補(bǔ)償?shù)牟蛔恪?/p>

采用飛輪儲能、超導(dǎo)儲能、蓄電池儲能等在一定程度上能夠平滑風(fēng)電的有功波動。分析風(fēng)電輸出功率頻率知，大部分都處于低頻域，0.01～1Hz頻段對電網(wǎng)影響最大?，F(xiàn)在的研究往往采用高通濾波器得到電池儲能系統(tǒng)的參考輸出[19-20]，即式中， Pw為風(fēng)速。

電池儲能系統(tǒng)的容量可由該功率在時間上的積分求取，而根據(jù)截止頻率 0.01Hz求得時間常數(shù)τ= 1 5.9。研究表明，既可以有效平抑風(fēng)電場功率波動，又可以提升風(fēng)電場的整體備用容量。

另外，由于連接點(diǎn)的短路比與電壓波動呈負(fù)增長關(guān)系，所以優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、增加風(fēng)電場與電網(wǎng)間的電氣聯(lián)系、增大風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)短路容量也將有效減小風(fēng)速改變引起的電壓波動。

3 結(jié)論

通過前文分析，自然不可控風(fēng)速對風(fēng)電場接入系統(tǒng)造成的影響在滲透率（以發(fā)電量計）較低時可以由電力系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行緩解，但能力與效果有限。當(dāng)滲透率較高時，隨機(jī)波動的風(fēng)電出力對電網(wǎng)電壓和頻率、潮流等的影響很可能越限，會造成電網(wǎng)不穩(wěn)定甚至解列、崩潰的后果，加重了發(fā)電調(diào)度負(fù)擔(dān)，大大增加了經(jīng)濟(jì)成本。因此，風(fēng)速造成的功率波動對大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)的進(jìn)一步研究刻不容緩。

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