大型海上風(fēng)電場并網(wǎng)對配電網(wǎng)的影響研究

摘? 要：當(dāng)前我國的能源戰(zhàn)略仍然在不斷調(diào)整，在具體運(yùn)行過程清潔能源的比重在不斷增加。但是由于大型海上風(fēng)電場自身的具有一定的不穩(wěn)定性特點(diǎn)，因而在統(tǒng)一并網(wǎng)之后難免會給配電網(wǎng)的統(tǒng)一管理帶來相應(yīng)的影響。本文基于當(dāng)前我國大型海上風(fēng)電網(wǎng)建設(shè)地區(qū)的特點(diǎn)，總結(jié)了其并網(wǎng)對于配電所產(chǎn)生的影響，并結(jié)合現(xiàn)有的案例來分析一些運(yùn)行策略。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電場;電能質(zhì)量;并網(wǎng)管理;電網(wǎng)調(diào)度

中圖分類號：TM614? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? 文章編號：1671-2064（2019）24-0000-00

0引言

風(fēng)能是一種可再生、無污染的綠色能源，得到了人們的廣泛利用，而海上風(fēng)電場的建設(shè)并不需要占用土地資源，可以直接利用海洋區(qū)域上的風(fēng)能，近年來其建設(shè)也得到了我國的重視。與傳統(tǒng)的陸上風(fēng)電場相比起來，海上風(fēng)電場不僅僅有較大的規(guī)模，同時(shí)并網(wǎng)方式方面也需要予以重視，結(jié)合其對電網(wǎng)的影響來分析可行的應(yīng)對之策。

1海上風(fēng)電場接線方式以及短路容量

由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)在機(jī)端電壓上存在較強(qiáng)的不穩(wěn)定性，因而需要在發(fā)電機(jī)的機(jī)艙內(nèi)部裝有一個(gè)箱式變壓器設(shè)備，從而提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)端口的電壓。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)生成電能后，需要經(jīng)由海底電纜來將電能輸送到陸地上，并入電網(wǎng)之中，而無論是風(fēng)力發(fā)電機(jī)之間還是風(fēng)力發(fā)電機(jī)與變電站的連接都需要由電纜完成。與陸上風(fēng)電場相比，海上風(fēng)電場的并網(wǎng)需要經(jīng)過長度較大的海底電纜，因而在傳導(dǎo)過程中就將會產(chǎn)生較大的無功功率，在并網(wǎng)過程中就需要計(jì)算這部分無功功率，并進(jìn)行補(bǔ)償。

短路容量是用于判斷電網(wǎng)強(qiáng)度的重要依據(jù)，如果短路容量大，則該電網(wǎng)就較強(qiáng)，在負(fù)荷與并聯(lián)電容器變化的情況下也不會導(dǎo)致電壓幅值的變化，反之，則表示電網(wǎng)的強(qiáng)度較弱，電壓幅值穩(wěn)定性不強(qiáng)。

對于風(fēng)電并入后的電網(wǎng)性能比較而言，大多是對比風(fēng)電場裝機(jī)容量與電網(wǎng)的強(qiáng)度情況，這也是常見的海上風(fēng)電場并網(wǎng)分析方式。在實(shí)際應(yīng)用中，可以計(jì)算短路容量與風(fēng)電機(jī)裝機(jī)容量的比值，該值也稱為短路比。如果短路比較大，電網(wǎng)性能則較強(qiáng)，如果短路比較小，則該電網(wǎng)的性能就較差，結(jié)合現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，短路比在25以上則電網(wǎng)性能較好，若短路比不足8則電網(wǎng)的性能較差。當(dāng)前我國大型海上風(fēng)電場所在區(qū)域大多人口較少，在供電網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中處于支、末端環(huán)節(jié)，因而接入的配電網(wǎng)處也多為建設(shè)較為薄弱的部位，這就需要在建設(shè)過程中重視其對于整個(gè)配電網(wǎng)絡(luò)的影響[1]。

2 海上風(fēng)電場并網(wǎng)對電能質(zhì)量的影響

風(fēng)力是一種清潔可再生能源，而海上的風(fēng)力資源更加豐富，即便如此，其自身的不穩(wěn)定性也限制了這種能源的普及，同時(shí)海上風(fēng)電場運(yùn)行自身的特殊性也進(jìn)一步加劇了機(jī)組輸出功率的波動性，對于電能質(zhì)量的影響可以分為電壓波動以及諧波兩個(gè)方面。

2.1造成電壓波動

風(fēng)力發(fā)電對于電網(wǎng)的供電質(zhì)量造成的最明顯影響就是導(dǎo)致電壓波動，造成閃變。當(dāng)前我國海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(yīng)用的并網(wǎng)方式多為軟并網(wǎng)，在啟動的瞬間會產(chǎn)生較大的沖擊電流，若此時(shí)風(fēng)速大于切出風(fēng)速，發(fā)電機(jī)組就會從額定出力狀態(tài)轉(zhuǎn)為停止運(yùn)行狀態(tài)，在風(fēng)電場內(nèi)較多數(shù)量的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組都出現(xiàn)該問題的情況下，就會形成較大的波動，進(jìn)而對配電網(wǎng)的供電造成明顯影響。另外海上風(fēng)速具有較強(qiáng)的多變性，同時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)自身具有的塔影效應(yīng)也會進(jìn)一步造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率的波動情況，該波動的范圍也在25Hz以下，剛好處于電壓閃變頻率之中。因而風(fēng)力風(fēng)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)由于自身存在的閃變問題也會給電能質(zhì)量造成嚴(yán)重影響。

結(jié)合現(xiàn)有的研究理論，海上風(fēng)電場并網(wǎng)過程當(dāng)中，電壓與閃變的最重要影響因素主要有兩個(gè)方面，分別是公共連接點(diǎn)的短路比、電網(wǎng)線路電抗阻比。在既有工程的運(yùn)行情況總結(jié)來看，風(fēng)電機(jī)組公共連接點(diǎn)短路比與造成的電壓波動與閃變呈反比;而如果電網(wǎng)線路當(dāng)中，電抗與電阻處于合理水平，也會在一定程度上抵消無功功率造成的電壓波動，從而降低平均閃變值。

2.2 產(chǎn)生諧波污染

風(fēng)電給系統(tǒng)帶來諧波的途徑主要有兩種：一種是風(fēng)力發(fā)電機(jī)本身配備的電力電子裝置可能帶來諧波;另一種是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并聯(lián)補(bǔ)償電容器可能和線路電抗發(fā)生諧振，會在風(fēng)電場出口變壓器的低壓側(cè)產(chǎn)生諧波。

在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過程中，一方面風(fēng)力發(fā)電機(jī)組自身的電子設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)會導(dǎo)致諧波，同時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)并聯(lián)補(bǔ)償電容設(shè)備也可能在運(yùn)行時(shí)與線路電抗產(chǎn)生諧振效應(yīng)，因而在風(fēng)電場出口的變壓器設(shè)備低壓側(cè)出現(xiàn)諧波，這兩個(gè)方面都是風(fēng)電發(fā)電給配電網(wǎng)系統(tǒng)造成諧波的成因。

如果風(fēng)力發(fā)電機(jī)以交流輸電方式連通電網(wǎng)，在軟啟動階段則需要經(jīng)由電力設(shè)備與電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)連接，因而會產(chǎn)生短暫諧波，但該類諧波正常情況下發(fā)生次數(shù)較少，同時(shí)過程較短，因而不會造成較大影響;若風(fēng)力發(fā)電機(jī)接入電網(wǎng)的形式為直流輸電，由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)在接入系統(tǒng)的過程中需要通過逆變裝置與整流設(shè)備的調(diào)節(jié)，此時(shí)電力電子設(shè)備的切換頻率剛好會導(dǎo)致諧波出現(xiàn)，就會產(chǎn)生諧波，該成因產(chǎn)生的諧波往往較為嚴(yán)重。當(dāng)前我國東南沿海建設(shè)的海上風(fēng)電場大多應(yīng)用交流輸電的方式與電網(wǎng)連接，因而實(shí)際上不會產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波問題。

3 無功功率與繼電保護(hù)的影響

3.1 無功功率

前文已經(jīng)提到，由于海上風(fēng)電場輸電線纜較長，因而在運(yùn)行中會產(chǎn)生較大的無功功率，同時(shí)在機(jī)組系統(tǒng)運(yùn)行過程中也需要從電網(wǎng)中吸收無功功率，進(jìn)一步增加了電網(wǎng)系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，影響能源利用率。但現(xiàn)階段投入使用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組方面大多已經(jīng)配備了電容器設(shè)備，可以結(jié)合發(fā)電機(jī)組的出力變化情況來進(jìn)行補(bǔ)償，降低無功功率。也有部分風(fēng)電場在并網(wǎng)發(fā)電過程中無需從電網(wǎng)當(dāng)中吸取無功功率，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，接入變電站的形式也開始在小范圍內(nèi)應(yīng)用架空線路與海底電纜聯(lián)用的形式，因而電纜產(chǎn)生的無功功率傳入到電網(wǎng)當(dāng)中，反而會升高變電站的母線電壓。當(dāng)前我國建設(shè)的大型海上風(fēng)電場與臨港地帶仍然以應(yīng)用純電纜輸電為主，在這種情況下這些電纜也會產(chǎn)生較大的無功功率，這就需要采取相應(yīng)的技術(shù)手段來抵消這部分無功功率，保證電網(wǎng)系統(tǒng)的高效運(yùn)行。

3.2 繼電保護(hù)

現(xiàn)階段投入使用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組多配有微機(jī)保護(hù)，因而對于電網(wǎng)的電壓也有極高的敏感度。如果由于設(shè)備故障導(dǎo)致電壓出現(xiàn)較大的故障，風(fēng)力側(cè)開關(guān)就會自動關(guān)閉，這樣的設(shè)計(jì)也可以讓繼電保護(hù)配置得到一定程度的簡化。在微機(jī)保護(hù)技術(shù)的支持下，電網(wǎng)與風(fēng)電場的繼電保護(hù)僅需要設(shè)置速斷保護(hù)與過流保護(hù)即可保證系統(tǒng)安全，在功能上只需實(shí)現(xiàn)躲過風(fēng)電場最大負(fù)荷電流。因而在整定電流保護(hù)的過程中，可以將保護(hù)動作時(shí)間的閾值設(shè)置為0.1s：如果保護(hù)動作時(shí)間在0.1s以上，由于風(fēng)電短路電流會以很快的速度衰減，因而無需考慮對于電流保護(hù)的影響;如果保護(hù)動作時(shí)間在0.1s內(nèi)，則需要采取必要的應(yīng)對措施。

繼電保護(hù)的配置需要基于雙電源來進(jìn)行考慮，如有必要也可以設(shè)置方向保護(hù)，如果風(fēng)力發(fā)電場的容量較小，則電網(wǎng)繼電保護(hù)整定過程中則無需考慮風(fēng)電短路電流的影響，可將其視為電力終端用戶。但是對于大型海上風(fēng)電場而言，短路電流對繼電保護(hù)的影響作用明顯，同時(shí)大型海上風(fēng)電場大多應(yīng)用異步電機(jī)，并沒有配備勵(lì)磁電源，周期分量會以較高的速度衰減，大多在0.08s內(nèi)即結(jié)束，所以需要按照以上方法進(jìn)行整定，保證系統(tǒng)穩(wěn)定性[2]。

4大型風(fēng)電場運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

隨著我國能源戰(zhàn)略的不斷調(diào)整，風(fēng)電的利用率不斷提高，在部分技術(shù)與經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展基礎(chǔ)較好的地區(qū)，風(fēng)電裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到十萬千瓦級，并與當(dāng)?shù)氐妮斪冸娋€路相連，實(shí)現(xiàn)對區(qū)域的供電。當(dāng)前對于大型海上風(fēng)電場的運(yùn)行，我國也積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，可以為未來一段時(shí)間海上風(fēng)電場的建設(shè)提供一些有效的借鑒與指導(dǎo)。具體來說，當(dāng)前海上大型風(fēng)電場對于區(qū)域配電網(wǎng)絡(luò)的影響主要體現(xiàn)在電壓波動方面，對于區(qū)域電能質(zhì)量的影響則較小。

我國的大型海上風(fēng)電場大多建設(shè)于東南地區(qū)沿岸海域，多處于東海，夏季多受臺風(fēng)侵?jǐn)_，由于臺風(fēng)的風(fēng)力較大， 因此風(fēng)電場風(fēng)力發(fā)電機(jī)處于滿載狀態(tài)運(yùn)行;同時(shí)在風(fēng)力不斷提高的情況下，逐漸高于風(fēng)電機(jī)設(shè)備的切出風(fēng)速，此時(shí)，風(fēng)電場內(nèi)部的所有風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)備都會處于停轉(zhuǎn)狀態(tài)。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行情況的驟變會給電網(wǎng)造成較為明顯的電壓波動與沖擊，風(fēng)電場規(guī)模越大，該影響作用也愈加惡劣。即便部分情況下沒有對電網(wǎng)形成明顯沖擊，但風(fēng)力發(fā)電機(jī)停止運(yùn)行時(shí)也會從電網(wǎng)當(dāng)中吸取部分無用功，這部分無用功也會直接輸送到變電站，影響電能的正常供應(yīng)。

在海上風(fēng)電場并網(wǎng)對無功管理的影響方面：由于海上風(fēng)電場的電能輸送需要經(jīng)由海底電纜來完成，海底電纜長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于陸上風(fēng)電場的電能傳輸距離，因而提高了電網(wǎng)無功管理的難度。如果海上風(fēng)力較小，風(fēng)電機(jī)設(shè)備就會集團(tuán)，此時(shí)風(fēng)電場的無功需求保持在很低的水平，此時(shí)電纜所傳輸?shù)臒o用功也會倒流到電網(wǎng)系統(tǒng)中，對電壓穩(wěn)定造成影響。這就需要電力調(diào)度人員密切關(guān)注海域天氣情況，尤其是風(fēng)速變化情況，結(jié)合風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行需要來對無功補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行調(diào)整，保持設(shè)備的最佳運(yùn)行狀態(tài)。

在并網(wǎng)后的調(diào)峰與調(diào)頻方面：由于風(fēng)能的產(chǎn)生難以預(yù)測，其分布情況也有較強(qiáng)的隨機(jī)性，因而風(fēng)電的產(chǎn)能也是一個(gè)動態(tài)的變化過程，無法控制。而風(fēng)電的出力變化情況也與電網(wǎng)的負(fù)荷變化情況呈反比，如果風(fēng)力發(fā)電量減少，其電網(wǎng)負(fù)荷則會提高。我國東南沿海地帶夏季炎熱，因而空調(diào)的使用需求較為旺盛，電能負(fù)荷明顯提高，然而此時(shí)海上的風(fēng)力則持續(xù)偏低，進(jìn)一步擴(kuò)大了供電缺口。因而在大型海上風(fēng)電場并網(wǎng)之后，調(diào)度人員需要及時(shí)掌握電網(wǎng)運(yùn)行情況，基于當(dāng)前的負(fù)調(diào)峰情況來調(diào)整設(shè)備的運(yùn)行情況，并定期檢修。

東南沿海地帶對電能的需求量大，因而當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)具有數(shù)量較多的備用容量，具有較強(qiáng)的調(diào)節(jié)能力，在并入電網(wǎng)后并不會對頻率穩(wěn)定性造成較大影響。然而在臺風(fēng)登陸期間海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組則會迅速從運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)為停轉(zhuǎn)狀態(tài)，在嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)跀?shù)分鐘的時(shí)間里減少100MW的電能輸出，對電網(wǎng)造成較大的影響，嚴(yán)重時(shí)甚至造成電壓崩潰，引發(fā)大規(guī)模斷電。因而調(diào)度人員需要密切關(guān)注天氣變化情況，如有必要可以與氣象部門合作，共同制定預(yù)案。在強(qiáng)臺風(fēng)影響期間，不宜借助臺風(fēng)提高電機(jī)的出力，而需要有選擇性地關(guān)停部分機(jī)組，避免現(xiàn)場風(fēng)力過大造成的瞬間多臺設(shè)備停轉(zhuǎn)，影響電壓穩(wěn)定性。

在風(fēng)電功率的預(yù)測方面，可以選擇合適的預(yù)測方法與預(yù)測周期，在一定程度上提高預(yù)測精度。當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的預(yù)測法為持續(xù)法，可以將最近一點(diǎn)的功率觀測值設(shè)定為下一步預(yù)測值。在具體的預(yù)測方法應(yīng)用上，主要有卡爾漫濾波、時(shí)間序列以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等等。

5 結(jié)語

大型海上風(fēng)電場的建設(shè)不僅僅證明我國對能源多樣化的探索與努力，同時(shí)也標(biāo)志我國對于風(fēng)電的開發(fā)從陸域向海洋的拓展。在未來，海上大型風(fēng)電場的規(guī)模越來越大，也可能在一個(gè)供電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中成為主要電能來源。但是大型海上風(fēng)電場對于電網(wǎng)調(diào)度有較高的技術(shù)要求，如何實(shí)現(xiàn)無功控制與確保電能穩(wěn)定性也成為了行業(yè)內(nèi)的熱點(diǎn)問題。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2019-11-18

作者簡介：王德星（1989—），男，河南濮陽人，本科，助理工程師，研究方向：繼電保護(hù)。