許成哲，辛業(yè)春

（1.長春供電局，吉林長春130031；2.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林吉林132012）

隨著能源問題和環(huán)境問題的日益凸現(xiàn)，世界各國都重新調(diào)整各自的能源策略，大力開發(fā)新能源。風(fēng)能是一種取之不盡、用之不竭的可再生能源，風(fēng)力發(fā)電因為技術(shù)比較成熟，可形成規(guī)模開發(fā)，近年來得到迅速發(fā)展。

目前，我國風(fēng)電發(fā)展進(jìn)入一個快速發(fā)展時期，2006年是我國實施《可再生能源法》的第一年，風(fēng)電建設(shè)步伐明顯加快，到2006年底，裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到約230萬kW[1]。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組常采用不同于傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)組的發(fā)電技術(shù)，其穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)特性都與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)組不同；大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)后，電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性、暫態(tài)穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性都會發(fā)生變化[2]。

不同類型的風(fēng)電機(jī)組，由于其結(jié)構(gòu)不同，對電網(wǎng)的影響也不一樣。恒速恒頻風(fēng)電機(jī)組主要采用風(fēng)力機(jī)驅(qū)動異步感應(yīng)電機(jī)發(fā)電，然后直接接入電網(wǎng)；由于異步感應(yīng)電機(jī)在發(fā)出有功功率的同時，需要從電網(wǎng)吸收無功功率，因此，其電壓穩(wěn)定性較低。變速恒頻風(fēng)電機(jī)組由于可實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲、減少風(fēng)輪機(jī)組機(jī)械應(yīng)力等優(yōu)點(diǎn)，成為主要的發(fā)展方向；其中基于雙饋感應(yīng)電機(jī)的風(fēng)電機(jī)組由于降低了電力電子裝置的容量，近年來，得到了廣泛的發(fā)展；但由于變速恒頻風(fēng)電機(jī)組采用了電力電子裝置，使得電磁功率與機(jī)械功率解耦，無法向電網(wǎng)提供慣性響應(yīng)，對電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

本文就大規(guī)模風(fēng)電場接入電網(wǎng)對電網(wǎng)穩(wěn)定性帶來的問題進(jìn)行研究，力圖反映風(fēng)電場對電網(wǎng)的影響和解決這些不利影響的最新方法。

1 當(dāng)前風(fēng)電機(jī)組技術(shù)

一般地，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可以根據(jù)其速度控制能力和所采取的功率控制類型來進(jìn)行分類；按照速度控制，主要有以下4種不同類型的風(fēng)電機(jī)組，如圖1所示。

圖1 典型風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)

其中，基于鼠籠式異步感應(yīng)發(fā)電機(jī)的恒速風(fēng)電機(jī)組[3]，因為其結(jié)構(gòu)簡單、效率高和需要很少的維護(hù)，一直以來廣泛應(yīng)用。但是，異步感應(yīng)電機(jī)在發(fā)出有功功率的同時吸收無功功率，需要加裝無功補(bǔ)償；另外，感應(yīng)電機(jī)啟動時電流涌流較大，需要安裝軟啟動裝置?；陔p饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的變速風(fēng)電機(jī)組[4]，其優(yōu)點(diǎn)是：淤風(fēng)力機(jī)可以最大限度地捕獲風(fēng)能；于減少了風(fēng)電機(jī)組機(jī)械部件上的應(yīng)力；盂較寬的轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍，以適應(yīng)因風(fēng)速變化引起的風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速變化；榆實現(xiàn)了有功功率和無功功率解耦控制，采用靈活的控制策略可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有功、無功功率；虞只需要25%～30%的發(fā)電機(jī)功率通過電力電子裝置轉(zhuǎn)化接入電網(wǎng)，得到越來越多的推廣。

以上2類風(fēng)電機(jī)組將是目前和將來主要應(yīng)用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組類型，下面主要針對這2類風(fēng)電機(jī)組對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析。

2 電壓穩(wěn)定性

2.1 基于異步感應(yīng)電機(jī)風(fēng)電場靜態(tài)電壓穩(wěn)定性

電網(wǎng)運(yùn)行必須考慮大片區(qū)域風(fēng)電機(jī)組切機(jī)帶來的電壓穩(wěn)定問題。常規(guī)的大容量發(fā)電廠退出運(yùn)行時系統(tǒng)由于突然失去大量無功注入可能存在電壓崩潰的危險。如果被切的風(fēng)電場機(jī)組屬于感應(yīng)發(fā)電機(jī)類型，其切機(jī)后果恰恰相反，可能造成相當(dāng)數(shù)量的無功富余。

對于異步感應(yīng)電機(jī)風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)電場，當(dāng)其輸出有功功率增長時，其吸收的無功功率也增長，同時由于線路送出有功功率的增長還會導(dǎo)致線路電抗消耗的無功增長，且與線路的電流平方成正比，因此，包括風(fēng)電場及其等值線路在內(nèi)的總無功負(fù)荷在風(fēng)電出力較大時其數(shù)量也是很可觀的。當(dāng)機(jī)端并聯(lián)電容器提供的無功功率與線路充電無功功率之和大于風(fēng)電場等值線路消耗的無功時，風(fēng)電場機(jī)端電壓水平能夠得到改善；當(dāng)風(fēng)電場出力增加帶來風(fēng)電場消耗的無功及線路消耗的無功大于機(jī)端并聯(lián)電容器提供的無功功率與線路充電無功功率時，風(fēng)電場機(jī)端電壓水平降低。由于風(fēng)電場無功源都是并聯(lián)電容器性質(zhì)的無功源，輸出無功與電壓平方成正比，因此，電壓降低時其提供的無功也減少，不能夠提供足夠的無功支持，其電壓穩(wěn)定水平降低。

2.2 基于雙饋感應(yīng)電機(jī)風(fēng)電場靜態(tài)電壓穩(wěn)定性

由于雙饋感應(yīng)電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)有功、無功的解耦控制[5-8]，因此基于雙饋感應(yīng)電機(jī)的變速風(fēng)電場的無功特性取決于雙饋風(fēng)電機(jī)組的控制。一般而言，雙饋風(fēng)電機(jī)組構(gòu)成的風(fēng)電場能夠控制其風(fēng)電場出口與電網(wǎng)之間不交換無功功率，即整個風(fēng)電場不發(fā)出也不消耗無功；因此，風(fēng)電場與等值線路中的無功損耗是此系統(tǒng)的無功負(fù)荷，相比于異步感應(yīng)電機(jī)風(fēng)電場，由于其無功消耗變小，其電壓穩(wěn)定性要明顯好于異步感應(yīng)電機(jī)風(fēng)電場。

3 頻率穩(wěn)定性

整個電力系統(tǒng)在一個同步的頻率下運(yùn)行[8]，對于電力系統(tǒng)來說，產(chǎn)生的電能和消耗的電能必須平衡，頻率反映了整個系統(tǒng)中能量的產(chǎn)生和消耗是否平衡。如果電力系統(tǒng)中發(fā)出的電能過剩，同步發(fā)電機(jī)將加速，系統(tǒng)頻率增加；反之，發(fā)電機(jī)將減速，系統(tǒng)頻率下降。

在電網(wǎng)發(fā)生頻率大幅度降低事故時，系統(tǒng)的慣量對于頻率降低的變化率起到了決定性作用——慣量越低，系統(tǒng)頻率降低得越快。當(dāng)電網(wǎng)中增加同步發(fā)電機(jī)時，電網(wǎng)的慣性自然增加；然而，由于電氣特性的不同，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組無法表現(xiàn)出這種自然特性；對于嚴(yán)重的頻率事故，任何慣量響應(yīng)的降低都是危險的。隨著風(fēng)電裝機(jī)容量在系統(tǒng)中所占比重的不斷增加，風(fēng)電并網(wǎng)后對電力系統(tǒng)的頻率安全性和頻率穩(wěn)定性的影響是值得研究的。

在確定增長的風(fēng)力發(fā)電對電力系統(tǒng)的影響時，風(fēng)電機(jī)組慣量響應(yīng)是一個關(guān)鍵因素。大規(guī)模的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組接入電網(wǎng)時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組會替代系統(tǒng)中的一部分常規(guī)發(fā)電機(jī)組；如果風(fēng)電機(jī)組無法表現(xiàn)出其慣量的作用，整個系統(tǒng)的有效慣量會降低，當(dāng)風(fēng)電在電網(wǎng)中所占比例增大時對電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的不利影響也會不斷增大。

不同類型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，由于結(jié)構(gòu)的不同，接入電網(wǎng)后對電網(wǎng)頻率穩(wěn)定產(chǎn)生的影響也不盡相同。恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用感應(yīng)發(fā)電機(jī)將風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，此類型的發(fā)電機(jī)組頻率控制和電壓調(diào)節(jié)比較困難；然而，由于轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)頻率之間通過變速箱的耦合關(guān)系，當(dāng)系統(tǒng)頻率下降時，能夠向電網(wǎng)提供慣性響應(yīng)，響應(yīng)的大小由儲存在轉(zhuǎn)子上能量和頻率的變化率來決定。變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，直驅(qū)式同步發(fā)電機(jī)風(fēng)電機(jī)組將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，然后通過電力電子裝置并入電網(wǎng)；基于雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)（DFIG）風(fēng)電機(jī)組，其定子側(cè)直接接入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子側(cè)通過電力電子裝置接入電網(wǎng)。大量電力電子裝置的使用，使得變速風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械功率和電磁功率解耦，當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生變化時無法向系統(tǒng)提供任何慣性響應(yīng)。

然而與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)相似，風(fēng)輪機(jī)也有巨大的動力學(xué)能量存儲在旋轉(zhuǎn)的葉輪上。研究表明，采用合適的控制策略[10]，通過增加輔助控制能夠讓雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)風(fēng)電機(jī)組向電網(wǎng)提供慣性響應(yīng)，使其“隱含慣性”對電網(wǎng)可用。

4 結(jié)語

1）基于普通異步感應(yīng)電機(jī)的恒速恒頻風(fēng)電機(jī)組，由于在發(fā)送有功功率時，需要從系統(tǒng)吸收無功功率，降低了電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性；因此，有必要在這類風(fēng)電場的接入點(diǎn)選擇性地安裝快速無功補(bǔ)償設(shè)備，如SVC(靜止無功補(bǔ)償器)、STATCOM(靜止無功發(fā)生器)等,以提供必要的無功和電壓控制。

2）基于雙饋感應(yīng)電機(jī)的變速恒頻風(fēng)電機(jī)組，由于其機(jī)械功率與電磁功率解耦，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生頻率事件時，無法向電網(wǎng)提供慣性響應(yīng)，對電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響；研究表明，通過增加輔助的頻率控制環(huán)節(jié)，使得電網(wǎng)頻率降低時，雙饋感應(yīng)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組降低轉(zhuǎn)速，釋放其轉(zhuǎn)子和風(fēng)輪機(jī)上的能量，提高電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性。

[1]薛桁,朱瑞兆,楊振斌,等.中國風(fēng)能資源貯量估算[J].太陽能學(xué)報,2001,22（2）:167-170.

[2]李鋒,陸一川.大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電對電力系統(tǒng)的影響[J].中國電力,2006,39（11）:80-84.

[3]CLEMENS J,ANCA D H,POUL S.Simulation Model of an Active-Stall Fixed-Speed Wind Turbine Controller[J].Wind Engineering,2004,28（2）:177-195.

[4]徐鋒,王輝,楊韜儀.兆瓦級永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變流技術(shù)[J].電力自動化設(shè)備,2007,27（7）:57-61.

[5]JANAKA B E,LEE H,WU Xue-guang.Dynamic Modeling of Doubly Fed Induction Generator Wind Turbines[J].IEEE Transactions on Power Systems,2003,18（2）:803-809.

[6]LEI Ya-zhou,ALAN M,GORDON L.Modeling of the Wind Turbine with a Doubly Fed Induction Generator for Grid Integration Studies[J].IEEE Transaction on Energy Conversion,2006,20（1）:257-264.

[7]YVONNE C,SMITH P,MULLANE A.Wind Turbine Modelling for Power System Stability Analysis-A System Operator Perspective[J].IEEE Transactions on Power Systems，2007,22（3）:929-936.

[8]申洪.變速恒頻風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行模型研究及其應(yīng)用[D].北京:中國電力科學(xué)研究院,2003.

[9]袁季修.電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制[M].中國電力出版社,1996.

[10]POUL S,ANCA D.Wind Farm Models and Control Strategies[R].Riso National Laboratory,2005.