探討風電并網對主電網的影響

??? 據悉，我國2008年風電的裝機容量已突破1000萬千瓦，全國有投運的風電場65座，中國不久將成為最大的風力發電國家。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⑴。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⑵。

??? 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。

??? <參考文獻>

??? (1)王承熙，張源.風力發電.北京：中國電力出版社，2003.

??? (2)王偉勝.風電場并網運行穩定特性研究.風力發電2001(3)