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风电并网相关问题的研究(2)

北极星电力网技术频道    作者:佚名   2012/8/6 11:30:38   

 关键词:  风电并网 风力发电

1、主要问题:

风能由于其自身特性使得它未被人们充分利用。风能资源通常远离负荷中心,风电场的输出随着风速风向的变化而变化,风力发电的特性目前尚未完全明确,所以制约了风力发电的发展。

由于风的不可控性和不可预知性,风电场不能像常规电厂一样拥有稳定的可靠性。同时,系统需要有与风电场额定容量相当的备用容量,在风停时替代风电场。这样的话,风电在电网中占的比率将会限制在较小的范围内,由于其与电网相联成本较高,这往往会超出能量本身的价值。

随着风电场的容量越来越大, 对系统的影响也越来越明显。早期风电的单机容量较小, 大多采用结构简单、并网方便的异步发电机, 直接和配电网相连。而风电场所在地区往往人口稀少, 处于供电网络的末端, 承受冲击的能力很弱, 因此, 风电很有可能给配电网带来谐波污染、电压波动及闪变问题;风电的随机性给发电和运行计划的制定带来很多困难;需要重新评估系统的发电可靠性, 分析风电的容量可信度;研究新的无功调度及电压控制策略,以保证风电场和整个系统的电压水平及无功平衡及对孤立系统的稳定性影响等。随着电力电子元件的性价比不断提高, 变速恒频电机、双馈电机等新型发电机组开始在风机上推广应用, 风电场可以像常规机组一样,承担电压及无功控制的任务, 正逐渐成为新的研究热点。

2、研究现状:

(1)潮流与网损

在电力系统中, 发电厂一般都接在输电网上, 负荷则直接和配电网相连, 电能是从输电网流向配电网的。输电网一般呈环状结构, 电压等级高, 网络损耗小;配电网则呈树状, 结构松散, 电压低, 网损较大。风电场接入配电网以后, 减少了输电网向该地区输送的电力, 既缓解了电网的输电压力, 一般也会降低系统的网损。

在潮流问题上, 主要的研究热点在于风电场的模型。最简单的是P-Q模型, 根据风电场的有功功率和给定的功率因数, 估算风电场吸收的无功功率,然后作为一个普通的负荷节点加入潮流程序。如果考虑感应电机的稳态等值电路, 那么可以把无功功率写成有功功率以及电机阻抗的函数, 甚至可以引入风速作为输入量, 把有功功率表示成风速的函数。还有人建立了所谓的R-X模型, 把感应电机的滑差表示成端电压、有功功率和等值支路阻抗的函数,给定初始滑差和风速, 计算风机的电功率和机械功率, 根据两者的差值修正滑差, 反复迭代, 直至收敛。P-Q模型不需要额外的迭代步骤, 也可以得到相当满意的结果, 而R-X模型的计算量较大。

(2)电能质量

①电压闪变:

风力发电机组大多采用软并网方式, 但是在启动时仍然会产生较大的冲击电流。当风速超过切出风速时, 风机会从额定出力状态自动退出运行。如果整个风电场所有风机几乎同时动作, 这种冲击对配电网的影响十分明显。不但如此, 风速的变化和风机的塔影效应都会导致风机出力的波动, 而其波动正好处在能够产生电压闪变的频率范围之内(低于25 Hz) , 因此, 风机在正常运行时也会给电网带来闪变问题。

尽管研究电压闪变可以采用专门装置实地测量, 但是在实际中, 在风电场的设计阶段就需要预测它可能给电网造成的闪变, 确定电网可以接受的最大风电容量。有文献提出两种预测模型: 一种是基于简单潮流计算的模型, 该方法以等值阻抗表示风机并网点以后的网络, 没有考虑风力发电机组的动态特性, 仅以有功和无功功率表示, 采用这种方法可以判断哪些节点的电压闪变问题最严重;另一种方法是动态仿真, 以3 阶感应电机模型表示风力发电机组, 考虑了实际电力系统的网状结构, 进行了详细的数字仿真, 并采用闪变算法分析仿真程序的输出结果。除了采用数字仿真方法研究闪变问题外, 也有文献提出频域分析方法。这些研究的基本结论主要有如下几点:

a、风机启动和退出、风速的紊流以及风机的塔影效应都可能导致电压闪变, 定桨距风机造成的后果更严重一些。

b、闪变对并网点的短路电流水平和电网的阻抗比十分敏感。

c、系统内常规机组的励磁调节对削弱风电造成的闪变作用不明显, 这可能取决于励磁调节器的响应速度, 不同的励磁调节时间常数会有不同的结果。

d、有文献认为负荷的类型(静态或动态)对闪变的分析结果影响很小, 起作用的只是负荷水平的高低; 而有的却认为动态负荷(以感应电机代表)能够显著降低闪变的发生, 其作用相当于提高了网络的短路电流水平。因此, 这个问题有待进一步研究。

②谐波污染

风电给系统带来谐波的途径主要有两种。一种是风机本身配备的电力电子装置, 可能带来谐波问题。对于直接和电网相连的恒速风机, 软启动阶段要通过电力电子装置与电网相连, 因此会产生一定的谐波, 不过因为过程很短, 发生的次数也不多,通常可以忽略。但是对于变速风机则不然, 因为变速风机通过整流和逆变装置接入系统, 如果电力电子装置的切换频率恰好在产生谐波的范围内, 则会产生很严重的谐波问题, 不过随着电力电子器件的不断改进, 这个问题也在逐步得到解决。另一种是风机的并联补偿电容器可能和线路电抗发生谐振, 在实际运行中, 曾经观测到在风电场出口变压器的低压侧产生大量谐波的现象。与闪变问题相比, 风电并网带来的谐波问题不是很严重, 相关的研究文献也不多。

(3)稳定性

①无功和电压问题

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