據(jù)悉,我國 2008 年風電的裝機容量已突破 1000 萬 KW,全國有投運的風電場 65 座,中國不久將成為最大的風力發(fā)電國家。風力發(fā)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(yè)發(fā)展的樞紐技術題目,同時也是電網部分安全、經濟運行的一個新課題。
一、風力發(fā)電機的類型
分析風電并網的影響,首先要考慮風力發(fā)電機類型的不同。
不同風電機組的工作原理、數(shù)學模型都不相同,因此分析方法也有所差異。
目前海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(fā)電機
海內已運行風電場大部門機組是異步風電發(fā)電機。
主要特點是結構簡樸、運行可靠、價格便宜。這種發(fā)電機組為定速恒頻機組,運行中轉速基本不變,風力發(fā)電機組運行在風能轉換最佳狀態(tài)下的幾率比較小,因而發(fā)電能力比新型機組低。同時運行中需要從電力系統(tǒng)中吸收無功功率。為知足電網對風電場功率因數(shù)的要求,多采用在機端并聯(lián)補償電容器的方法,其補償策略是異步發(fā)電機配有若干組固定容量的電容器。
因為風速大小隨天氣環(huán)境變化,驅動發(fā)電機的風力機不可能常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(fā)電量,近年廣泛應用雙速異步發(fā)電機。這種雙速異步發(fā)電機可以改變極對數(shù),有大、小電機 2 種運行方式。
1.2 雙饋異步風力發(fā)電機
海內還有一些風電場選用雙饋異步風力發(fā)電機,大多來源于國外,價格較貴。這種機型稱為變速恒頻發(fā)電系統(tǒng),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(jié),使風機風能利用系數(shù) Cp 得到優(yōu)化,獲得高的利用效率;可以實現(xiàn)發(fā)電機較平滑的電功率輸出;發(fā)電機本身不需要另外附加無功補償設備,可實現(xiàn)功率因數(shù)在一定范圍內的調節(jié),例如功率因數(shù)從領先 0.95 調節(jié)到滯后 0.95 范圍內,因而具有調節(jié)無功功率出力的能力。
1.3 直驅式交流永磁同步發(fā)電機
大型風力發(fā)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進步風電機組的可靠性,降低故障率,進步風電機組的壽命。目前海內有風電場使用了直驅式交流永磁同步發(fā)電機,運行時全部功率經 A-D-A 變換,接入電力系統(tǒng)并網運行。與其他機型比較,需考慮諧波管理題目。
二、風電并網對主電網運行的影響
因為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托度低,給電網有功、無功平衡調度帶來難題。
在風電容量比較高的電力網中,可能會產生質量題目。例如電壓波動和閃變、頻率偏差、諧波等題目 ⑴。更重要的是:系統(tǒng)靜態(tài)不亂、動態(tài)不亂、暫態(tài)不亂、電壓不亂都需要驗證。
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(tǒng)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(wěn)態(tài)和動態(tài)兩方面進行分析。
穩(wěn)態(tài)分析就是對含風電場的電力系統(tǒng)進行潮流計算。在穩(wěn)態(tài)潮流分析中,風電場高壓母線不能簡樸視為 PQ 節(jié)點或 PU 節(jié)點。含風電場的電力系統(tǒng)對平衡節(jié)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,是否知足系統(tǒng)的安全不亂運行的各種約束。
因為不同的風電機組的工作原理、數(shù)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(fā)電機組組成的風電場。采用風電場、主系統(tǒng)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??紤]尾流效應,利用 RAHMAN 模型計算出各臺風機輪轂處風速。根據(jù)各臺風機功率風速曲線,計算出各臺發(fā)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(jù) Uo、P 計算出各臺風機的無功功率 Qi 以及整個風電場的 ΣQ。因為風電場己經計算出 P、Q,因此可視為 PQ 節(jié)點,代入主系統(tǒng)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 ⑵。
由雙饋異步發(fā)電機組成的風電場:當雙饋異步發(fā)電機恒功率因數(shù)運行時,要先根據(jù)風力機轉速控制規(guī)律計算轉差率 S,再計算風電場發(fā)出或吸收的無功功率 Q,然后以 PQ 節(jié)點形式代入主系統(tǒng)進行潮流計算迭代。當雙饋異步發(fā)電機恒電壓運行時,以 PQ 節(jié)點形式代入電力系統(tǒng)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(wěn)態(tài)含風電場電力系統(tǒng)潮流計算的結果,實質上是一個各風速下系統(tǒng)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(tài)過程分析,一般采用仿真的方法。要考慮異步發(fā)電機、雙饋異步發(fā)電機等不同發(fā)電機的模型以及風速、風力機、槳距調節(jié)等環(huán)節(jié),用仿真程序 PSS/E、PSCAD、Matlab/Simulink、PSASP 等進行分析。分析的樞紐是各種風力發(fā)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題目。風電場無功消耗包括:異步風力發(fā)電機消耗,雙饋異步發(fā)電機和直流永磁同步機沒有此部門;風機出口升壓變壓器,因為整個風電場升壓變數(shù)量眾多,有成百上千臺,疊加起來數(shù)目不?。伙L電場升壓變電站主變壓器消耗等。對于由異步風力發(fā)電機組成的風電場,應考慮電壓不亂性題目。如有必要,可采用動態(tài)電壓控制設備。
三、風電并網的經濟影響
風電場的發(fā)電本錢加上公道的利潤,構成風電的價格。2006 年施行的<<可再生能源法>>中劃定,電網企業(yè)必需全額收購可再生能源電量。用度高于常規(guī)能源發(fā)電均勻上網電價,其電價之間的差額附加到銷售電價中分攤。
據(jù)統(tǒng)計,全國己建風電場的電價水平在 ( 0.46-1.2 ) 元/(KWh) 之間。目前,海內風電上網電價大概分為:本錢利潤電價;特許權招標電價;全省同一電價等 3 種。與火電相,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(jié)等電網輔助服務的本錢增加,從而影響了電網企業(yè)的效益。
四、結束語
近年來,中國風力發(fā)電事業(yè)的高速發(fā)展有目共睹,跟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,該領域的研究不管是對風電發(fā)電商,仍是對電網公司都愈顯其戰(zhàn)略重要性。