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      淺析風電并網對電網影響

         日期:2017-10-31     來源:中國節能在線    瀏覽:66    

        風力發電的主要特點是隨機性與不可控性,主要隨風速變化而變化。因此,風電并網運行對主電網運行帶來諸多不利影響。分析風電場并網對電網影響是風電事業發展的關鍵技術問題,同時也是電網部門安全、經濟運行的一個新課題。

        一、風力發電機的類型

        分析風電并網的影響,首先要考慮風力發電機類型的不同。不同風電機組的工作原理、數學模型都不相同,因此分析方法也有所差異。目前國內風電機組的主要機型有3種,每種機型都有其特點。

        1.1異步風力發電機

        國內已運行風電場大部分機組是異步風電發電機。主要特點是結構簡單、運行可靠、價格便宜。這種發電機組為定速恒頻機沮,運行中轉速基本不變,風力發電機組運行在風能轉換最佳狀態下的幾率比較小,因而發電能力比新型機組低。

        同時運行中需要從電力系統中吸收無功功率。為滿足電網對風電場功率因數的要求,多采用在機端并聯補償電容器的方法,其補償策略是異步發電機配有若干組固定容量的電容器。

        由于風速大小隨氣候環境變化,驅動發電機的風力機不可能經常在額定風速下運行,為了充分利用低風速時的風能,增加全年的發電量,近年廣泛應用雙速異步發電機。這種雙速異步發電機可以改變極對數,有大、小電機2種運行方式。

        1.2雙饋異步風力發電機

        國內還有一些風電場選用雙饋異步風力發電機,大多來源于國外,價格較貴。這種機型稱為變速恒頻發電系統,其風力機可以變速運行,運行速度能在一個較寬的范圍內調節,使風機風能利用系數Cp得到優化,獲得高的利用效率;可以實現發電機較平滑的電功率輸出;發電機本身不需要另外附加無功補償設備,可實現功率因數在一定范圍內的調節,例如功率因數從領先0.95調節到滯后0.95范圍內,因而具有調節無功功率出力的能力。

        1.3直驅式交流永磁同步發電機

        大型風力發電機組在實際運行中,齒輪箱是故障較高的部件。采用無齒輪箱結構能大大提高風電機組的可靠性,降低故障率,提高風電機組的壽命。目前國內有風電場使用了直驅式交流永磁同步發電機,運行時全部功率經A-D-A變換,接入電力系統并網運行。與其他機型比較,需考慮諧波治理問題。

        二、風電并網對主電網運行的影響

        由于風速變化是隨機性的,因此風電場的出力也是隨機的。風電本身這種特點使其容量可信度低,給電網有功、無功平衡調度帶來困難。

        在風電容量比較高的電力網中,可能會產生質量問題。例如電壓波動和閃變、頻率偏差、諧波等問題。更重要的是:系統靜態穩定、動態穩定、暫態穩定、電壓穩定都需要驗證。

        當然,相同裝機容量的風電場在不同的接入點對電網的影響也是不同的。在短路容量大的接入點對系統影響小。反之,影響就大。

        定量分析風電場對主電網運行的影響,要從穩態和動態兩方面進行分析。穩態分析就是對含風電場的電力系統進行潮流計算。在穩態潮流分析中,風電場高壓母線不能簡單視為PQ節點或PU節點。含風電場的電力系統對平衡節點的有功、無功平衡能力提出更高要求,要分別分析含風電場電網在電網大、小運行方式下,是否滿足系統的安全穩定運行的各種約束。

        由于不同的風電機組的工作原理、數學模型都不相同,因此,對不同類型風電場的潮流計算方法也有所差異。對于異步發電機組組成的風電場。采用風電場、主系統分別迭代的方法:首先要設定風速,取值范圍為風機切入風速到切出風速之間。考慮尾流效應,利用RAHMAN模型計算出各臺風機輪轂處風速。根據各臺風機功率風速曲線,計算出各臺發電機出力P,以及整個風電場ΣP。

        再設風電場的電壓初始設定值值Uo,在不考慮風電場內部電壓損耗的情況下,所有風機出口電壓都設為Uo,從而根據Uo、P計算出各臺風機的無功功率Qi以及整個風電場的ΣQ。由于風電場己經計算出P、Q,因此可視為PQ節點,代入主系統進行潮流計算,得出風電場電壓U,將設定值Uo與計算值U進行比較,修正設定值,重新重復迭代,直至計算收斂。

        由雙饋異步發電機組成的風電場:當雙饋異步發電機恒功率因數運行時,要先根據風力機轉速控制規律計算轉差率S,再計算風電場發出或吸收的無功功率Q,然后以PQ節點形式代入主系統進行潮流計算迭代。當雙饋異步發電機恒電壓運行時,以PQ節點形式代入電力系統進行潮流計算。在某個設定風速的計算完成后,改變設定風速,進行新一輪的計算。

        從上述計算過程可以看出,穩態含風電場電力系統潮流計算的結果,實質上是一個各風速下系統的潮流計算分布情況表。其中風電場零出力、最大、最小出力等3種情況需要著重關注。

        動態過程分析,一般采用仿真的方法。要考慮異步發電機、雙饋異步發電機等不同發電機的模型以及風速、風力機、槳距調節等環節,用仿真程序PSS/E、PSCAD、Matlab/Simulink、PSASP等進行分析。分析的關鍵是各種風力發電機模型的選用。

        分析風電并網對主電網的影響,還需考慮風電場無功問題。風電場無功消耗包括:異步風力發電機消耗,雙饋異步發電機和直流永磁同步機沒有此部分;風機出口升壓變壓器,由于整個風電場升壓變數目眾多,有成百上千臺,疊加起來數量不小;風電場升壓變電站主變壓器消耗等。對于由異步風力發電機組成的風電場,應考慮電壓穩定性問題。如有必要,可采用動態電壓控制設備。

        三、風電并網的經濟影響

        風電場的發電成本加上合理的利潤,構成風電的價格。2006年施行的《可再生能源法》中規定,電網企業必須全額收購可再生能源電量。費用高于常規能源發電平均上網電價,其電價之間的差額附加到銷售電價中分攤。

        據統計,全國己建風電場的電價水平在(0.46-1.2)元/(KWh)之間。目前,國內風電上網電價大概分為:成本利潤電價;特許權招標電價;全省統一電價等三種。與火電相比,風電上網電價較高。

        風電場出力的隨機性,可能造成如負荷跟蹤、頻率控制、備用容量、無功功率和電壓調節等電網輔助服務的成本增加,從而影響了電網企業的效益。

        四、結束語

        近年來,中國風力發電事業的高速發展有目共睹,隨著風電裝機容量的不斷增長,風電并網對主電網所帶來的技術和經濟影響越來越大,該領域的研究無論是對風電發電商,還是對電網公司都愈顯其戰略重要性。

       
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