風(fēng)電并網(wǎng)相關(guān)問(wèn)題的研究

標(biāo)簽：智能電網(wǎng)  風(fēng)力發(fā)電 新能源

一：國(guó)內(nèi)外風(fēng)電發(fā)展的現(xiàn)狀

作為一種新型的可再生能源, 現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)在20世紀(jì)80年代初始發(fā)于美國(guó)加利福尼亞州。風(fēng)力發(fā)電具有環(huán)境友好、技術(shù)成熟、全球可行的特點(diǎn), 并且具有超過(guò)20年的良好運(yùn)行記錄, 越來(lái)越被人們所認(rèn)可。隨著全球氣候持續(xù)變暖, 無(wú)論是在發(fā)展中國(guó)家還是發(fā)達(dá)國(guó)家都開(kāi)始大力發(fā)展風(fēng)電。

1、國(guó)外風(fēng)力發(fā)電發(fā)展概況：

20世紀(jì)初，法國(guó)出現(xiàn)了第一臺(tái)用現(xiàn)代快速風(fēng)輪驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)。到了20世紀(jì)30年代，各國(guó)已開(kāi)始研制中型、大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。1973年由于受到“石油危機(jī)11的沖擊，許多發(fā)達(dá)國(guó)家都在探索能源多樣化的途徑，以解決石油資源日益枯竭的問(wèn)題。

能源危機(jī)的出現(xiàn)使得人們對(duì)新能源技術(shù)越來(lái)越感興趣。許多的個(gè)人和政府機(jī)構(gòu)都參與到了新能源事業(yè)中。當(dāng)時(shí)的美國(guó)能源部(Department of Energy)資助了許多風(fēng)能項(xiàng)目，并向企業(yè)提供試驗(yàn)設(shè)備。19世紀(jì)80年代，美國(guó)聯(lián)邦政府和州政府出臺(tái)了關(guān)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)備減免稅的政策，刺激了美國(guó)本士風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的發(fā)展。

從1990年到1996年間，全世界范圍內(nèi)安裝的總風(fēng)力發(fā)電機(jī)容量每年增長(zhǎng)20%以上。國(guó)際能源署估計(jì)全球風(fēng)力發(fā)電機(jī)總安裝容量將會(huì)從1990年的200。兆瓦增加到2000年底的12000兆瓦。1997年，德國(guó)的總裝機(jī)容量己達(dá)到2000兆瓦，超過(guò)了美國(guó)躍居世界首位。到21世紀(jì)初，風(fēng)能依舊是世界上發(fā)展最快的能源。據(jù)新華社報(bào)道，2002年8月8日，德國(guó)下薩克森州一批新建風(fēng)力發(fā)電設(shè)備投入運(yùn)營(yíng)，德國(guó)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的總裝機(jī)容量己經(jīng)超過(guò)1萬(wàn)兆瓦，占全球的一半左右。

據(jù)全球風(fēng)能協(xié)會(huì)(GWEC)公布的數(shù)據(jù),2008年全球新增風(fēng)電總投資達(dá)475億美元,新增裝機(jī)容量達(dá)27.26 GW,比上年增長(zhǎng)36%。目前,全球風(fēng)電總裝機(jī)容量累計(jì)已達(dá)121.19GW,與2007年相比增長(zhǎng)了30%。近幾年,全球總裝機(jī)容量快速增長(zhǎng),預(yù)計(jì)至2010年,風(fēng)電總裝機(jī)容量將達(dá)190 GW,將滿(mǎn)足全球12%的能源需求,并減排CO2達(dá)1×1010t。據(jù)世界能源委員會(huì)預(yù)測(cè),2020年全球的風(fēng)電總裝機(jī)容量將達(dá)到474 GW。

全球共有40多個(gè)國(guó)家使用風(fēng)力發(fā)電,其中2008年各國(guó)在新增裝機(jī)容量中的占有率如圖1所示。

圖12008年各國(guó)在風(fēng)電新增裝機(jī)容量中的占有率

2、中國(guó)風(fēng)力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀：

我國(guó)幅員遼闊，海岸線(xiàn)長(zhǎng)，風(fēng)能資源比較豐富。根據(jù)全國(guó)900多個(gè)氣象站陸地上離地10m高度資料進(jìn)行估算，全國(guó)平均風(fēng)功率密度為100W/m2，風(fēng)能資源總儲(chǔ)量約32.26億kW，可開(kāi)發(fā)和利用的陸地上風(fēng)能儲(chǔ)量有2.53億kW，近?？砷_(kāi)發(fā)和利用的風(fēng)能儲(chǔ)量有7.5億kW，共計(jì)約10億kW。如果陸上風(fēng)電年上網(wǎng)電量按等效滿(mǎn)負(fù)荷2000小時(shí)計(jì)，每年可提供5000億千瓦時(shí)電量，海上風(fēng)電年上網(wǎng)電量按等效滿(mǎn)負(fù)荷2500小時(shí)計(jì)，每年可提供1.8萬(wàn)億千瓦時(shí)電量，合計(jì)2.3萬(wàn)億千瓦時(shí)電量。

1986年建設(shè)山東榮成第一個(gè)示范風(fēng)電場(chǎng)至今，經(jīng)過(guò)近20多年的努力，風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)規(guī)模不斷擴(kuò)大截止2004年底，全國(guó)建成43個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，安裝風(fēng)電機(jī)組1292臺(tái)，裝機(jī)規(guī)模達(dá)到76.4萬(wàn)kW，居世界第10位，亞洲第3位。另外，有關(guān)部門(mén)組織編制有關(guān)風(fēng)電前期、建設(shè)和運(yùn)行規(guī)程，風(fēng)電場(chǎng)管理逐步走向規(guī)范化。

2006年到2010年。“十一五規(guī)劃”期間全國(guó)新增風(fēng)電裝機(jī)容量約300萬(wàn)千瓦，平均每年新增60~80萬(wàn)千瓦，2010年底累計(jì)裝機(jī)約400～500萬(wàn)千瓦。提供這樣的市場(chǎng)空間主要目的是培育國(guó)內(nèi)的風(fēng)電設(shè)備制造能力，國(guó)家發(fā)展改革委于2005年7月下發(fā)文件，要求所有風(fēng)電項(xiàng)目采用的機(jī)組本地化率達(dá)到70%，否則不予核準(zhǔn)。此后又下發(fā)文件支持國(guó)內(nèi)風(fēng)電設(shè)備制造企業(yè)與電源建設(shè)企業(yè)合作，提供50萬(wàn)千瓦規(guī)模的風(fēng)電市場(chǎng)保障，加快制造業(yè)發(fā)展。

目前國(guó)家規(guī)劃的主要項(xiàng)目有廣東省沿海和近海示范項(xiàng)目31萬(wàn)千瓦;福建省沿海及島嶼22萬(wàn)千瓦;上海市12萬(wàn)千瓦;江蘇省45萬(wàn)千瓦;山東省21萬(wàn)千瓦;吉林省33萬(wàn)千瓦;內(nèi)蒙古50萬(wàn)千瓦;河北省32萬(wàn)千瓦;甘肅省26萬(wàn)千瓦;寧夏19萬(wàn)千瓦;新疆22萬(wàn)千瓦等。目前各省的地方政府和開(kāi)發(fā)商均要求增加本省的風(fēng)電規(guī)劃容量。

2020年規(guī)劃目標(biāo)是2000～3000萬(wàn)千瓦，風(fēng)電在電源結(jié)構(gòu)中將有一定的比例，屆時(shí)約占全國(guó)總發(fā)電裝機(jī)10億千瓦容量的2～3%，總電量的1～1.5%。

2020年以后隨著化石燃料資源減少，成本增加，風(fēng)電則具備市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力，會(huì)發(fā)展得更快。2030年以后水能資源大部分也將開(kāi)發(fā)完，近海風(fēng)電市場(chǎng)進(jìn)入大規(guī)模開(kāi)發(fā)時(shí)期。

二：風(fēng)電并網(wǎng)的問(wèn)題及研究現(xiàn)狀

1、主要問(wèn)題：

風(fēng)能由于其自身特性使得它未被人們充分利用。風(fēng)能資源通常遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，風(fēng)電場(chǎng)的輸出隨著風(fēng)速風(fēng)向的變化而變化，風(fēng)力發(fā)電的特性目前尚未完全明確，所以制約了風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展。

由于風(fēng)的不可控性和不可預(yù)知性，風(fēng)電場(chǎng)不能像常規(guī)電廠(chǎng)一樣擁有穩(wěn)定的可靠性。同時(shí)，系統(tǒng)需要有與風(fēng)電場(chǎng)額定容量相當(dāng)?shù)膫溆萌萘?，在風(fēng)停時(shí)替代風(fēng)電場(chǎng)。這樣的話(huà)，風(fēng)電在電網(wǎng)中占的比率將會(huì)限制在較小的范圍內(nèi)，由于其與電網(wǎng)相聯(lián)成本較高，這往往會(huì)超出能量本身的價(jià)值。

隨著風(fēng)電場(chǎng)的容量越來(lái)越大, 對(duì)系統(tǒng)的影響也越來(lái)越明顯。早期風(fēng)電的單機(jī)容量較小, 大多采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、并網(wǎng)方便的異步發(fā)電機(jī), 直接和配電網(wǎng)相連。而風(fēng)電場(chǎng)所在地區(qū)往往人口稀少, 處于供電網(wǎng)絡(luò)的末端, 承受沖擊的能力很弱, 因此, 風(fēng)電很有可能給配電網(wǎng)帶來(lái)諧波污染、電壓波動(dòng)及閃變問(wèn)題;風(fēng)電的隨機(jī)性給發(fā)電和運(yùn)行計(jì)劃的制定帶來(lái)很多困難;需要重新評(píng)估系統(tǒng)的發(fā)電可靠性, 分析風(fēng)電的容量可信度;研究新的無(wú)功調(diào)度及電壓控制策略，以保證風(fēng)電場(chǎng)和整個(gè)系統(tǒng)的電壓水平及無(wú)功平衡及對(duì)孤立系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響等。隨著電力電子元件的性?xún)r(jià)比不斷提高, 變速恒頻電機(jī)、雙饋電機(jī)等新型發(fā)電機(jī)組開(kāi)始在風(fēng)機(jī)上推廣應(yīng)用, 風(fēng)電場(chǎng)可以像常規(guī)機(jī)組一樣,承擔(dān)電壓及無(wú)功控制的任務(wù), 正逐漸成為新的研究熱點(diǎn)。

2、研究現(xiàn)狀：

(1)潮流與網(wǎng)損

在電力系統(tǒng)中, 發(fā)電廠(chǎng)一般都接在輸電網(wǎng)上, 負(fù)荷則直接和配電網(wǎng)相連, 電能是從輸電網(wǎng)流向配電網(wǎng)的。輸電網(wǎng)一般呈環(huán)狀結(jié)構(gòu), 電壓等級(jí)高, 網(wǎng)絡(luò)損耗小;配電網(wǎng)則呈樹(shù)狀, 結(jié)構(gòu)松散, 電壓低, 網(wǎng)損較大。風(fēng)電場(chǎng)接入配電網(wǎng)以后, 減少了輸電網(wǎng)向該地區(qū)輸送的電力, 既緩解了電網(wǎng)的輸電壓力, 一般也會(huì)降低系統(tǒng)的網(wǎng)損。

在潮流問(wèn)題上, 主要的研究熱點(diǎn)在于風(fēng)電場(chǎng)的模型。最簡(jiǎn)單的是P-Q模型, 根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)的有功功率和給定的功率因數(shù), 估算風(fēng)電場(chǎng)吸收的無(wú)功功率,然后作為一個(gè)普通的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)加入潮流程序。如果考慮感應(yīng)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)等值電路, 那么可以把無(wú)功功率寫(xiě)成有功功率以及電機(jī)阻抗的函數(shù), 甚至可以引入風(fēng)速作為輸入量, 把有功功率表示成風(fēng)速的函數(shù)。還有人建立了所謂的R-X模型, 把感應(yīng)電機(jī)的滑差表示成端電壓、有功功率和等值支路阻抗的函數(shù),給定初始滑差和風(fēng)速, 計(jì)算風(fēng)機(jī)的電功率和機(jī)械功率, 根據(jù)兩者的差值修正滑差, 反復(fù)迭代, 直至收斂。P-Q模型不需要額外的迭代步驟, 也可以得到相當(dāng)滿(mǎn)意的結(jié)果, 而R-X模型的計(jì)算量較大。

(2)電能質(zhì)量

①電壓閃變：

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大多采用軟并網(wǎng)方式, 但是在啟動(dòng)時(shí)仍然會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊電流。當(dāng)風(fēng)速超過(guò)切出風(fēng)速時(shí), 風(fēng)機(jī)會(huì)從額定出力狀態(tài)自動(dòng)退出運(yùn)行。如果整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)所有風(fēng)機(jī)幾乎同時(shí)動(dòng)作, 這種沖擊對(duì)配電網(wǎng)的影響十分明顯。不但如此, 風(fēng)速的變化和風(fēng)機(jī)的塔影效應(yīng)都會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)出力的波動(dòng), 而其波動(dòng)正好處在能夠產(chǎn)生電壓閃變的頻率范圍之內(nèi)(低于25 Hz) , 因此, 風(fēng)機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)也會(huì)給電網(wǎng)帶來(lái)閃變問(wèn)題。

盡管研究電壓閃變可以采用專(zhuān)門(mén)裝置實(shí)地測(cè)量, 但是在實(shí)際中, 在風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)計(jì)階段就需要預(yù)測(cè)它可能給電網(wǎng)造成的閃變, 確定電網(wǎng)可以接受的最大風(fēng)電容量。有文獻(xiàn)提出兩種預(yù)測(cè)模型: 一種是基于簡(jiǎn)單潮流計(jì)算的模型, 該方法以等值阻抗表示風(fēng)機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)以后的網(wǎng)絡(luò), 沒(méi)有考慮風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性, 僅以有功和無(wú)功功率表示, 采用這種方法可以判斷哪些節(jié)點(diǎn)的電壓閃變問(wèn)題最嚴(yán)重;另一種方法是動(dòng)態(tài)仿真, 以3 階感應(yīng)電機(jī)模型表示風(fēng)力發(fā)電機(jī)組, 考慮了實(shí)際電力系統(tǒng)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu), 進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)字仿真, 并采用閃變算法分析仿真程序的輸出結(jié)果。除了采用數(shù)字仿真方法研究閃變問(wèn)題外, 也有文獻(xiàn)提出頻域分析方法。這些研究的基本結(jié)論主要有如下幾點(diǎn):

a、風(fēng)機(jī)啟動(dòng)和退出、風(fēng)速的紊流以及風(fēng)機(jī)的塔影效應(yīng)都可能導(dǎo)致電壓閃變, 定槳距風(fēng)機(jī)造成的后果更嚴(yán)重一些。

b、閃變對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)的短路電流水平和電網(wǎng)的阻抗比十分敏感。

c、系統(tǒng)內(nèi)常規(guī)機(jī)組的勵(lì)磁調(diào)節(jié)對(duì)削弱風(fēng)電造成的閃變作用不明顯, 這可能取決于勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的響應(yīng)速度, 不同的勵(lì)磁調(diào)節(jié)時(shí)間常數(shù)會(huì)有不同的結(jié)果。

d、有文獻(xiàn)認(rèn)為負(fù)荷的類(lèi)型(靜態(tài)或動(dòng)態(tài))對(duì)閃變的分析結(jié)果影響很小, 起作用的只是負(fù)荷水平的高低; 而有的卻認(rèn)為動(dòng)態(tài)負(fù)荷(以感應(yīng)電機(jī)代表)能夠顯著降低閃變的發(fā)生, 其作用相當(dāng)于提高了網(wǎng)絡(luò)的短路電流水平。因此, 這個(gè)問(wèn)題有待進(jìn)一步研究。

②諧波污染

風(fēng)電給系統(tǒng)帶來(lái)諧波的途徑主要有兩種。一種是風(fēng)機(jī)本身配備的電力電子裝置, 可能帶來(lái)諧波問(wèn)題。對(duì)于直接和電網(wǎng)相連的恒速風(fēng)機(jī), 軟啟動(dòng)階段要通過(guò)電力電子裝置與電網(wǎng)相連, 因此會(huì)產(chǎn)生一定的諧波, 不過(guò)因?yàn)檫^(guò)程很短, 發(fā)生的次數(shù)也不多,通常可以忽略。但是對(duì)于變速風(fēng)機(jī)則不然, 因?yàn)樽兯亠L(fēng)機(jī)通過(guò)整流和逆變裝置接入系統(tǒng), 如果電力電子裝置的切換頻率恰好在產(chǎn)生諧波的范圍內(nèi), 則會(huì)產(chǎn)生很?chē)?yán)重的諧波問(wèn)題, 不過(guò)隨著電力電子器件的不斷改進(jìn), 這個(gè)問(wèn)題也在逐步得到解決。另一種是風(fēng)機(jī)的并聯(lián)補(bǔ)償電容器可能和線(xiàn)路電抗發(fā)生諧振, 在實(shí)際運(yùn)行中, 曾經(jīng)觀(guān)測(cè)到在風(fēng)電場(chǎng)出口變壓器的低壓側(cè)產(chǎn)生大量諧波的現(xiàn)象。與閃變問(wèn)題相比, 風(fēng)電并網(wǎng)帶來(lái)的諧波問(wèn)題不是很?chē)?yán)重, 相關(guān)的研究文獻(xiàn)也不多。

(3)穩(wěn)定性

①無(wú)功和電壓?jiǎn)栴}

大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)時(shí)風(fēng)電場(chǎng)對(duì)無(wú)功功率的消耗是導(dǎo)致電網(wǎng)產(chǎn)生電壓?jiǎn)栴}的主要原因。如果電網(wǎng)不能滿(mǎn)足風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功需求，就會(huì)產(chǎn)生電壓?jiǎn)栴}，這也是限制風(fēng)電場(chǎng)容量繼續(xù)增長(zhǎng)的一個(gè)重要因素。

風(fēng)電場(chǎng)所采用的風(fēng)機(jī)類(lèi)型不同對(duì)于電壓穩(wěn)定性的影響有很大的區(qū)別。其中對(duì)電網(wǎng)電壓最為不利的是采用基于普通異步機(jī)的恒速風(fēng)電機(jī)組。這類(lèi)機(jī)組不具有電壓控制能力，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行消耗大量無(wú)功功率，在系統(tǒng)發(fā)生故障后的電壓恢復(fù)期間消耗的無(wú)功功率更大，導(dǎo)致地區(qū)電網(wǎng)出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)電壓穩(wěn)定性問(wèn)題。

對(duì)風(fēng)電來(lái)講，長(zhǎng)期電壓穩(wěn)定非常重要，因?yàn)橐话泔L(fēng)電接入弱系統(tǒng)，并且風(fēng)電場(chǎng)需要大量無(wú)功功率。風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功電壓特性可以用P-V曲線(xiàn)和Q-V曲線(xiàn)進(jìn)行分析。一般在風(fēng)電場(chǎng)安裝可分組投切的電容器或電抗器來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功功率，提高電壓穩(wěn)定性。在風(fēng)電比較集中的地區(qū)，為了提高風(fēng)電場(chǎng)電壓穩(wěn)定性，可以考慮安裝SVC或STATCOM。

②暫態(tài)穩(wěn)定性問(wèn)題

電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的必要條件是所有發(fā)電機(jī)保持同步，電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析就是分析遭受大干擾后系統(tǒng)中各發(fā)電機(jī)維持同步運(yùn)行的能力。嚴(yán)格來(lái)講定速風(fēng)電機(jī)組和雙饋?zhàn)兯亠L(fēng)電機(jī)組本身不存在暫態(tài)穩(wěn)定性問(wèn)題，但是對(duì)于有大量風(fēng)電的系統(tǒng)，因?yàn)榇罅啃T量的風(fēng)電機(jī)組代替了常規(guī)機(jī)組，系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性也發(fā)生了一些變化。有大量文獻(xiàn)對(duì)風(fēng)電機(jī)組的模型進(jìn)行了研究，表明定速風(fēng)電機(jī)組對(duì)系統(tǒng)的功率震蕩有一定的阻尼作用，而變速風(fēng)電機(jī)組因?yàn)樽兞髌鞯淖饔茫L(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率解耦，阻尼作用被減弱了。另外，系統(tǒng)故障時(shí)，風(fēng)電機(jī)組可能因?yàn)殡妷涸较藁蜣D(zhuǎn)速越限導(dǎo)致保護(hù)動(dòng)作而跳閘，這就是說(shuō)，系統(tǒng)可能遭受失去大量風(fēng)電功率的第二次沖擊。對(duì)此有人提到了用SVC和STATCOM來(lái)提高風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力(LVRT)，防止機(jī)組跳閘，還有用槳距角調(diào)節(jié)來(lái)提高風(fēng)電場(chǎng)的低電壓穿越能力，以及通過(guò)改變轉(zhuǎn)子回路勵(lì)磁方式來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的功能。

③頻率穩(wěn)定問(wèn)題

頻率穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)維持系統(tǒng)頻率于某一規(guī)定的運(yùn)行極限內(nèi)的能力。大量風(fēng)電功率的波動(dòng)增加了系統(tǒng)調(diào)頻的難度，而系統(tǒng)頻率的變化又會(huì)影響風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。各國(guó)風(fēng)電接入系統(tǒng)導(dǎo)則都要求風(fēng)電機(jī)組能夠在一定的頻率范圍內(nèi)正常運(yùn)行，頻率超過(guò)一定范圍后限制出力運(yùn)行或延遲一定時(shí)間后退出運(yùn)行，以維護(hù)系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定。愛(ài)爾蘭國(guó)家電網(wǎng)公司要求風(fēng)電場(chǎng)通過(guò)控制輸出功率的3%~5%參與系統(tǒng)的頻率調(diào)整，其它并網(wǎng)導(dǎo)則也要求風(fēng)電場(chǎng)參與系統(tǒng)的二次調(diào)頻。當(dāng)系統(tǒng)頻率過(guò)高時(shí)，可以通過(guò)控制系統(tǒng)使部分風(fēng)電機(jī)組停機(jī)或通過(guò)槳距角控制減少風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率。在正常情況下限制風(fēng)電場(chǎng)的出力，可保證在系統(tǒng)頻率降低時(shí)調(diào)高風(fēng)電場(chǎng)的出力，讓風(fēng)電功率參與系統(tǒng)二次調(diào)頻。

(4) 發(fā)電計(jì)劃與調(diào)度

傳統(tǒng)的發(fā)電計(jì)劃基于電源的可靠性以及負(fù)荷的可預(yù)測(cè)性, 以這兩點(diǎn)為基礎(chǔ), 發(fā)電計(jì)劃的制定和實(shí)施有了可靠的保證。但是, 如果系統(tǒng)內(nèi)含有風(fēng)電場(chǎng), 因?yàn)轱L(fēng)電場(chǎng)出力的預(yù)測(cè)水平還達(dá)不到工程實(shí)用的程度, 發(fā)電計(jì)劃的制定變得困難起來(lái)。如果把風(fēng)電場(chǎng)看做負(fù)的負(fù)荷, 不具有可預(yù)測(cè)性;如果把它看做電源,可靠性沒(méi)有保證。

風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)以后, 如果電力系統(tǒng)的運(yùn)行方式不相應(yīng)地做出調(diào)整和優(yōu)化, 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力將不足以跟蹤風(fēng)電功率的大幅度、高頻率的波動(dòng), 系統(tǒng)的電能質(zhì)量和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性將受到顯著影響, 這些因素反過(guò)來(lái)會(huì)限制系統(tǒng)準(zhǔn)入的風(fēng)電功率水平, 因此有必要對(duì)電力系統(tǒng)傳統(tǒng)的運(yùn)行方式和控制手段做出適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)和調(diào)整, 研究隨機(jī)的發(fā)電計(jì)劃算法和AGC算法, 以便正確考慮風(fēng)電的隨機(jī)性和間歇性特性。有文獻(xiàn)的研究表明, 旋轉(zhuǎn)備用的容量和類(lèi)型對(duì)系統(tǒng)的可靠性、安全性指標(biāo)的影響都是至關(guān)重要的。燃?xì)廨啓C(jī)組和柴油機(jī)組反應(yīng)速度快, 很適合作為旋轉(zhuǎn)備用機(jī)組配合風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行, 但是其燃料費(fèi)用昂貴, 這種方案明顯提高了系統(tǒng)正常的運(yùn)行成本, 風(fēng)電的價(jià)值也因此大打折扣。有人研究了較高水平的風(fēng)電穿透功率對(duì)系統(tǒng)的發(fā)電計(jì)劃、經(jīng)濟(jì)調(diào)度、調(diào)頻和調(diào)峰等控制手段的影響, 討論了修改發(fā)電計(jì)劃的方法、成本及修改發(fā)電計(jì)劃可能帶來(lái)的收益。提出一種梯度穿透功率約束的概念,其實(shí)質(zhì)是限制風(fēng)電功率的變化率, 防止水火電機(jī)組頻繁調(diào)整出力, 增加運(yùn)行及維護(hù)成本。還有文獻(xiàn)提出對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)以后的系統(tǒng)發(fā)電計(jì)劃進(jìn)行優(yōu)化的算法,該算法基于對(duì)風(fēng)速和負(fù)荷的預(yù)測(cè)。實(shí)踐表明: 對(duì)風(fēng)柴混合電力系統(tǒng)的運(yùn)行計(jì)劃進(jìn)行優(yōu)化以后, 能夠避免頻繁啟動(dòng)和調(diào)整柴油機(jī)組, 有效防止柴油機(jī)組過(guò)度疲勞, 減少了維護(hù)成本和運(yùn)行成本。

(5) 容量可信度

發(fā)電容量的價(jià)值往往體現(xiàn)在負(fù)荷高峰期, 由于風(fēng)電場(chǎng)無(wú)法保證可靠的出力, 一度被認(rèn)為只能提供能源, 不能提供有效的發(fā)電容量。風(fēng)電的容量可信度有兩種評(píng)價(jià)方法: 一種是計(jì)算含風(fēng)電系統(tǒng)的可靠性指標(biāo), 在保證系統(tǒng)可靠性不變的前提下, 風(fēng)電能夠替代的常規(guī)發(fā)電機(jī)組容量即為其容量可信度, 這種方法適合于系統(tǒng)的規(guī)劃階段;另一種方法是時(shí)間序列仿真, 選擇合適的時(shí)間段作為研究對(duì)象, 通過(guò)計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)的容量系數(shù)(風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際出力與理論發(fā)電量的比值)來(lái)估算容量可信度, 在負(fù)荷高峰時(shí)段, 可以認(rèn)為容量系數(shù)等于容量可信度, 該方法適用于為系統(tǒng)的運(yùn)行提供決策支持。要評(píng)價(jià)風(fēng)電對(duì)系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)的影響, 首先要知道風(fēng)電場(chǎng)所在地的氣象信息, 獲得風(fēng)資源數(shù)據(jù);了解風(fēng)機(jī)的技術(shù)參數(shù), 根據(jù)風(fēng)速計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)出力;最后根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)出力與負(fù)荷的相關(guān)性, 計(jì)算供電可靠性等指標(biāo), 也可以計(jì)算節(jié)省的發(fā)電成本等。蒙特卡洛仿真技術(shù)是可靠性分析中常用的計(jì)算方法。

三:風(fēng)電并網(wǎng)問(wèn)題的新動(dòng)態(tài)

目前變速風(fēng)機(jī)將逐漸取代恒速風(fēng)機(jī), 以達(dá)到最大限度地提高風(fēng)能的利用效率。而使用變速風(fēng)機(jī)有幾種方案可供選擇: 采用通過(guò)電力電子裝置與電網(wǎng)相連的同步電機(jī), 如果進(jìn)一步采用多極同步電機(jī), 甚至有可能取消風(fēng)機(jī)上常用的變速齒輪箱, 減少風(fēng)機(jī)的故障率;或者采用雙饋感應(yīng)電機(jī), 實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)以最佳葉尖比運(yùn)行, 比變槳距控制的實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單、更經(jīng)濟(jì)。

由于電力電子元件的性能價(jià)格比不斷提高, 以IGBT為代表的新型電力電子器件的最大功率已經(jīng)達(dá)到MVA級(jí), 開(kāi)關(guān)頻率達(dá)到10kHz, 脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)的采用有效地抑制了電力電子器件容易帶來(lái)的諧波。如果把這些技術(shù)用于同步電機(jī)與電網(wǎng)的接口, 可以屏蔽掉風(fēng)機(jī)固有的隨機(jī)特性對(duì)電網(wǎng)的影響, 提高捕獲風(fēng)能的效率, 較少對(duì)槳葉和驅(qū)動(dòng)軸的應(yīng)力損傷, 降低空氣動(dòng)力噪聲水平, 改進(jìn)風(fēng)機(jī)運(yùn)行的靈活性。同樣, 電力電子器件性能價(jià)格比的不斷提高為雙饋電機(jī)在風(fēng)電領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可能。普通的感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路是短路的, 轉(zhuǎn)子電壓為0, 雙饋電機(jī)是在感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子回路中加入一個(gè)可控電壓源, 通過(guò)改變其電壓幅值或相角, 實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)速度和功率因數(shù)的控制。在風(fēng)速變化及風(fēng)機(jī)端電壓變化的情況下, 保證風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定高效運(yùn)行。當(dāng)然, 這種控制策略并不局限于感應(yīng)電機(jī)和采用電壓源, 在同步電機(jī)上也可以實(shí)現(xiàn)這種控制, 根據(jù)控制算法的不同, 也可以采用電流源。仿真表明, 只要對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn), 它同樣可以承擔(dān)有功及無(wú)功電壓調(diào)節(jié)的任務(wù), 在系統(tǒng)中起到常規(guī)發(fā)電機(jī)組的作用, 這也是風(fēng)電發(fā)展到一定規(guī)模以后的必然要求。

四：結(jié)論

以前風(fēng)電場(chǎng)的主要特點(diǎn)是采用感應(yīng)發(fā)電機(jī), 裝機(jī)規(guī)模較小, 與配電網(wǎng)直接相連, 對(duì)系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)為電能質(zhì)量?，F(xiàn)在隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展, 大量新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開(kāi)始投入運(yùn)行, 風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)達(dá)到可以和常規(guī)機(jī)組相比的規(guī)模, 直接接入輸電網(wǎng), 與風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)有關(guān)的電壓及無(wú)功控制、有功調(diào)度及穩(wěn)定性的問(wèn)題越來(lái)越受到人們的關(guān)注。而對(duì)于風(fēng)電并網(wǎng)的很多問(wèn)題還沒(méi)有好的解決方法，這些問(wèn)題的解決將是風(fēng)力發(fā)電未來(lái)發(fā)展的關(guān)鍵。