風(fēng)力發(fā)電對電力系統(tǒng)一次調(diào)頻的影響及解決措施

馬 進，王 闖

（中廣核新能源投資（深圳）有限公司遼寧分公司，遼寧 沈陽110000）

近年來，在國家政府、發(fā)電商、電網(wǎng)公司、全體電力用戶的多方努力下，我國新能源行業(yè)得到了迅速的發(fā)展，并在新時代提出了“雙碳”目標(biāo)。伴隨著常規(guī)機組被新能源發(fā)電機組大量替代，新的挑戰(zhàn)又一次擺在電網(wǎng)安全運行的面前。多年前，國外就開始了新能源發(fā)電裝機的大規(guī)模投入，盲目追求清潔能源的發(fā)展，忽視了新能源的弊端，導(dǎo)致發(fā)生了一些大停電事故。

清潔能源發(fā)電設(shè)備中包含了成千上萬的電力、電子、機械設(shè)備，電能質(zhì)量耐受標(biāo)準(zhǔn)相對較低。所以，在系統(tǒng)電壓、頻率、波形發(fā)生較大波動時，清潔能源發(fā)電設(shè)備容易發(fā)生大規(guī)模解列，使故障范圍擴大。另外，與傳統(tǒng)同步電網(wǎng)不同的是，電力、電子設(shè)備的快速響應(yīng)特征，以工頻作為同步電網(wǎng)的基礎(chǔ)，相對穩(wěn)定。但是電力電子設(shè)備的靈活性，產(chǎn)生了寬頻帶，可達到5～300Hz，由此產(chǎn)生了新的振蕩穩(wěn)定問題。

面對這樣的問題，新能源機組并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的完善，以及涉網(wǎng)性能標(biāo)準(zhǔn)，依靠電力、電子設(shè)備的靈活運用，動態(tài)有功、無功調(diào)節(jié)能力在新能源場站本身的優(yōu)勢下將發(fā)揮重要作用。為了防止新能源機組大規(guī)模脫網(wǎng)引發(fā)的連鎖故障，并網(wǎng)的新能源場站必須參與一次頻率調(diào)整、電壓調(diào)整。這樣，新能源的發(fā)展才能得到保障，降低電網(wǎng)運行風(fēng)險，保障供電可靠性。

1 風(fēng)電的發(fā)展

1.1 風(fēng)電發(fā)展的現(xiàn)狀

2020年，是我國“十三五”規(guī)劃的最后一年，也是實現(xiàn)國家對清潔能源消納問題的三年行動計劃目標(biāo)的最后一年。面對嶄新的“十四五”規(guī)劃，我們國家的發(fā)展依舊很強大，新增容量有翻倍的希望。全網(wǎng)總裝機中新能源發(fā)電的占比不斷增加。由于新冠肺炎疫情在全球蔓延，嚴重影響了電力需求，需要多方面合力、多種措施并舉，保證新能源發(fā)展。風(fēng)電發(fā)展前景廣闊。

1.2 我國風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展目標(biāo)

我國清潔能源發(fā)電總計的并網(wǎng)容量預(yù)計在2025年會超過7.5億千瓦，全國電源總裝機中光伏及風(fēng)電總發(fā)電所占的比例將可能超過26%。

2 大規(guī)模清潔能源發(fā)電帶來的挑戰(zhàn)

2.1 對系統(tǒng)備用容量的影響

大規(guī)模發(fā)展清潔能源發(fā)電，電力系統(tǒng)對備用容量的需求大增。所以，備用容量的配置對電力系統(tǒng)的支撐是十分必要的。這種功率不平衡現(xiàn)象會受到風(fēng)電的隨機性波動而加劇。雖然風(fēng)電預(yù)測系統(tǒng)準(zhǔn)確性漸漸提高，但隨著全球氣候的變化，世界各地極端天氣時有發(fā)生，我們?nèi)祟惖念A(yù)測系統(tǒng)在大自然面前顯得微不足道，所以電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行離不開更大的火電機組、水電機組，這些機組提供的旋轉(zhuǎn)備用容量可以保證電力系統(tǒng)更加可靠地運行。

2.2 對頻率質(zhì)量和穩(wěn)定性的影響

大規(guī)模風(fēng)電的并網(wǎng)的同時，部分火力發(fā)電機組逐步退出運行。這不僅使電力系統(tǒng)中的慣性響應(yīng)能力下降，也使一次調(diào)頻能力降低。雙饋型風(fēng)機和直驅(qū)型風(fēng)機是現(xiàn)有風(fēng)電機組中的主流機型，其并網(wǎng)原理為通過變頻器的調(diào)整達到并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)后并網(wǎng)發(fā)電，對轉(zhuǎn)速的要求較低。

因此，風(fēng)電場如果代替常規(guī)發(fā)電企業(yè)，就需要具備慣性的響應(yīng)、一次頻率的調(diào)整和二次頻率的調(diào)整等輔助功能。保證電力系統(tǒng)正常運行，可降低風(fēng)電并網(wǎng)后對系統(tǒng)穩(wěn)定性和系統(tǒng)頻率質(zhì)量的影響。

2.3 對電能質(zhì)量的影響

氣候的變化使風(fēng)資源的不確定性增加，這直接影響了風(fēng)電機組的發(fā)電出力，導(dǎo)致風(fēng)力機輸出功率出現(xiàn)波動。在某種角度上來說，它也會影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量，例如電壓波動和閃變、電壓的偏差、產(chǎn)生諧波和周期性電壓的脈動等。

2.4 對電力系統(tǒng)運行的影響

通常情況下，由于電力系統(tǒng)特殊的運行情況，風(fēng)電機組距并網(wǎng)點的距離大不相同，在末端位置的機組就會有一定的不穩(wěn)定因素，電力系統(tǒng)的潮流分布就受到了影響。在大部分電網(wǎng)設(shè)計的早期是沒有考慮這些的。風(fēng)機的裝機規(guī)模越來越大，配電網(wǎng)電壓及并網(wǎng)點功率的波動逐步增大，就有可能達到甚至超過臨界值，嚴重的波動如果不能及時切除，就會進一步引起電網(wǎng)電壓嚴重失調(diào)乃至崩潰，最終導(dǎo)致系統(tǒng)解列，造成大規(guī)模停電。

當(dāng)風(fēng)電機組的運行方式為異步型發(fā)電機狀態(tài)時，處于發(fā)電狀態(tài)的風(fēng)電機組就會源源不斷地向電網(wǎng)輸出有功功率。由于電力系統(tǒng)的同步性，風(fēng)電機組還需要從電網(wǎng)中持續(xù)吸收無功功率。被風(fēng)機吸收的無功功率必須得到補償，這里就需要無功補償設(shè)備的調(diào)節(jié)，現(xiàn)階段比較常用的是動態(tài)無功補償裝置，與其配合使用的部分情況還會配合一定容量的并聯(lián)電容器組。功率恢復(fù)性是異步型發(fā)電機的一種特性，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，如果保護裝置不能將故障點及時切除，也同樣會出現(xiàn)暫態(tài)電壓異常波動的運行狀態(tài)。隨著清潔能源場站新增裝機的不斷提高，小火電廠正在逐漸減少，電力系統(tǒng)受到新能源場站不穩(wěn)定輸出功率的影響進一步增加，當(dāng)電力系統(tǒng)運行平衡達到不能控制的情況就會發(fā)生大規(guī)模脫網(wǎng)事故。

2.5 對保護裝置的影響

風(fēng)電機組的并網(wǎng)頻次是工程師最初設(shè)計好的，如果因為新的要求，其他控制系統(tǒng)接入后，導(dǎo)致風(fēng)機并網(wǎng)接觸器頻繁開關(guān)時，接觸器損壞的概率將大大增加。風(fēng)電機組在并網(wǎng)狀態(tài)前，當(dāng)輪轂高度處風(fēng)速逐漸增加，達到起動風(fēng)速時，該臨界條件情況下，風(fēng)電機組就會以電動機模式短暫運行，導(dǎo)致電網(wǎng)與風(fēng)電機組聯(lián)絡(luò)線的潮流不穩(wěn)定。因此，應(yīng)考慮風(fēng)電機組繼電保護裝置的配置以及定值的整定。

2.6 對電力調(diào)度的影響

電力系統(tǒng)調(diào)度部門發(fā)電計劃的制定，是根據(jù)負荷分配情況及電源可靠性情況綜合制定的。當(dāng)清潔能源容量發(fā)展到一定程度的時候，以前的調(diào)度方式不能滿足現(xiàn)階段的實際情況，會給風(fēng)電的隨機性和不可預(yù)測性帶來困難，影響系統(tǒng)的調(diào)峰難度?，F(xiàn)階段，國家對風(fēng)電等可再生能源的優(yōu)先消納政策的實施，加之火電機組減出力要求、供熱機組的運行等多方面因素，進一步加大了調(diào)度部門調(diào)度管理的難度。

3 風(fēng)力發(fā)電調(diào)頻技術(shù)

3.1 新能源場站一次調(diào)頻的功率調(diào)節(jié)量要求（見圖1）

圖1

（1）新能源場站一次調(diào)頻功率下調(diào)范圍應(yīng)不低于20%Pn（Pn為新能源場站額定功率，下同），轉(zhuǎn)差率暫取2%（參數(shù)可調(diào)），場站功率下調(diào)至10%Pn后可不再向下調(diào)節(jié)。

（2）新能源場站一次調(diào)頻功率上調(diào)調(diào)節(jié)能力應(yīng)不低于10%Pn，轉(zhuǎn)差率暫取5%（參數(shù)可調(diào)）。

（3）新能源場站一次調(diào)頻期間應(yīng)維持風(fēng)電機組、光伏逆變器正常運行，避免機組脫網(wǎng)或停機。

對于新能源場站來說當(dāng)電網(wǎng)頻率偏差超過一次調(diào)頻死區(qū)時，場站所提供的一次調(diào)頻服務(wù)應(yīng)滿足如下要求：

（1）一次調(diào)頻穩(wěn)定時間：從系統(tǒng)頻率超出調(diào)頻死區(qū)開始到有功功率穩(wěn)定在預(yù)設(shè)功率誤差范圍內(nèi)（±2%Pn）的最短時間，風(fēng)電、光伏均不大于5s。

（2）一次調(diào)頻有功功率控制偏差：一次調(diào)頻有功功率控制偏差為場站額定有功的±2%。

（3）一次調(diào)頻死區(qū)：暫取±0.05Hz（參數(shù)可調(diào)）。

3.2 風(fēng)電場一次調(diào)頻功率控制

現(xiàn)階段主流風(fēng)機類型有兩種：一是雙饋型風(fēng)機，二是直驅(qū)型風(fēng)機，這兩種風(fēng)機都屬于變速類型的風(fēng)電機組。風(fēng)機發(fā)出的電能經(jīng)過變頻器后，得到可以實現(xiàn)并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的電壓、頻率、波形等，最終實現(xiàn)穩(wěn)定并網(wǎng)發(fā)電。雙饋型風(fēng)機的特點是轉(zhuǎn)子的電磁轉(zhuǎn)速是可以在系統(tǒng)同步轉(zhuǎn)速的30%以內(nèi)波動；直驅(qū)型風(fēng)機的特點是轉(zhuǎn)子的電磁轉(zhuǎn)速是可以在系統(tǒng)同步轉(zhuǎn)速的30%以外波動，范圍會更大。此外，為提高發(fā)電量和發(fā)電效率，風(fēng)機運行于最大功率點附近，風(fēng)機大多采用最大風(fēng)能捕獲控制，調(diào)頻所需的備用容量無法提供，特別是在頻率降低，需要向上調(diào)節(jié)時。

清潔能源發(fā)電系統(tǒng)早期通信協(xié)議是比較落后的，而且其功率控制邏輯是限負荷等特殊情況下的一種調(diào)節(jié)出力的手段，這樣是不能滿足風(fēng)電場參與新形勢下的一次調(diào)頻功能的調(diào)節(jié)要求。為了更好地滿足一次調(diào)頻要求，提高調(diào)頻特性，風(fēng)電機組主控系統(tǒng)需具備相應(yīng)功率控制邏輯和快速通信協(xié)議接口。

一次調(diào)頻控制系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)測量數(shù)據(jù)進行全場有功調(diào)頻支撐，將目標(biāo)指令發(fā)給風(fēng)電場能量管理平臺，由風(fēng)電場能量管理平臺合理分解下發(fā)給單臺風(fēng)機，一次調(diào)頻有功指令與傳統(tǒng)的AGC有功指令在一次調(diào)頻系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生疊加。風(fēng)電場升壓站的有功功率的控制目標(biāo)為AGC有功指令和一次調(diào)頻調(diào)節(jié)量代數(shù)和；當(dāng)電網(wǎng)頻率超出調(diào)節(jié)死區(qū)后，會閉鎖AGC反向調(diào)節(jié)指令。

風(fēng)電場一次調(diào)頻控制系統(tǒng)原理拓撲圖，如圖2所示。

圖2

3.3 發(fā)電機轉(zhuǎn)子超速控制

控制發(fā)電機轉(zhuǎn)子超速運行的方式，其基本原理為：通過相關(guān)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，調(diào)節(jié)槳距角等變量，使風(fēng)機運行在最大出力以下，這樣使得沒有滿發(fā)的多余的一部分有功功率預(yù)留出來，就相當(dāng)于預(yù)留出一部分備用容量。這些備用容量用于參與一次調(diào)頻中，當(dāng)系統(tǒng)頻率下降時，通過控制器將備用容量按照一定的速率發(fā)出，達到提高系統(tǒng)頻率的作用。

其特點是，參與系統(tǒng)一次頻率調(diào)節(jié)時，其響應(yīng)速度快，對風(fēng)機本身機械性能的影響小，但是控制區(qū)域不全面。在額定風(fēng)速情況，風(fēng)機處于滿發(fā)狀態(tài)，功率不變，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速無法提高，所以額定風(fēng)速以下的運行狀態(tài)適合用超速控制。但利用這樣的減小出力的發(fā)電狀態(tài)，風(fēng)機就不能運行在最佳的風(fēng)能利用效率下，這樣就從某種程度上減少了風(fēng)電場的發(fā)電量，同時也降低了風(fēng)機的可利用率，同步影響的還有風(fēng)機的功率曲線等一系列風(fēng)機相關(guān)指標(biāo)。

3.4 調(diào)節(jié)風(fēng)機葉片角度控制

控制風(fēng)機槳距角的方式叫做調(diào)節(jié)風(fēng)機葉片角度控制。調(diào)節(jié)槳葉的迎風(fēng)角度，可以控制風(fēng)能輸入的機械能量大小，計算出最大功率點后，讓風(fēng)機的槳距角大于最佳的發(fā)電運行槳距角。風(fēng)況不變的情況下，機組的備用容量越多，槳距角就越大。

其特點是，不僅調(diào)節(jié)能力強而且調(diào)節(jié)的范圍還大，可實現(xiàn)各種風(fēng)速下對功率的控制。但是由于其執(zhí)行機構(gòu)是機械的變槳系統(tǒng)，所以響應(yīng)速度相對較慢；頻率調(diào)整較為頻繁，使槳距角變化也會過于頻繁，會加劇機組的機械磨損，縮短運行壽命。當(dāng)實際風(fēng)速大于額定風(fēng)速時，變槳控制的作用更大，當(dāng)系統(tǒng)頻率下降時，變槳控制產(chǎn)生的備用支撐頻率會較為有效，其響應(yīng)時間也必將迅速。

3.5 組合控制

根據(jù)各種調(diào)頻方式的特點，在組合控制研究方面，分風(fēng)速區(qū)段控制。在低風(fēng)速時：通過變槳控制策略實現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)；在中風(fēng)速時：則采用降低負載運行產(chǎn)生一部分有功功率備用的容量；在高風(fēng)速時：采用改變?nèi)~輪轉(zhuǎn)速的設(shè)定點或者調(diào)節(jié)風(fēng)機葉片角度控制，用以產(chǎn)生一部分預(yù)留的容量，將其儲備起來，當(dāng)需要的時候再將該部分預(yù)備容量釋放出來。

綜上，不同的控制策略都有著各自的優(yōu)缺點，風(fēng)力發(fā)電機組的運行需要綜合考慮風(fēng)速變化和機組運行狀態(tài)的影響，在實際運行中多數(shù)控制方式均難以達到要求。因此，現(xiàn)階段可實施的控制方式為上述第一種一次調(diào)頻功率控制方式及要求。

4 結(jié)論

隨著時代的發(fā)展，加之我國風(fēng)電裝機規(guī)模的逐年增加，電網(wǎng)建設(shè)成為制約風(fēng)電發(fā)展新的“瓶頸”。為此，清潔能源發(fā)電被視為電網(wǎng)未來規(guī)劃的重要發(fā)電電源之一，合理分配規(guī)劃投運火電、水電等傳統(tǒng)電源，安全穩(wěn)定運行核電，根據(jù)地域資源規(guī)劃風(fēng)電、光伏，新型的光熱發(fā)電也要統(tǒng)籌考慮全面。這樣全面的電源接入，可以使電力系統(tǒng)從電源類型上優(yōu)化電網(wǎng)整體的性能，包括安全性、可靠性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行給社會帶來更好的發(fā)展空間。

本文簡明扼要地介紹了風(fēng)力發(fā)電機組的運行特點，也對清潔能源現(xiàn)階段的發(fā)展情況以及未來的發(fā)展方向做了簡潔明了地分析，介紹了風(fēng)力發(fā)電機組的基本運行原理，也分析了風(fēng)電場裝機容量的大幅度增加對電網(wǎng)帶來的影響。重點介紹了風(fēng)力發(fā)電大規(guī)模并網(wǎng)對電力系統(tǒng)一次調(diào)頻的影響及解決措施。需要明確，提高風(fēng)電機組的可信容量系數(shù)是從根本上解決風(fēng)力發(fā)電的電網(wǎng)接入問題的重要手段，這樣備用容量對電力系統(tǒng)的影響相對來說就會降低，對整個電力系統(tǒng)來說都是十分有必要的。

時代的發(fā)展推動了人類的進步，電力系統(tǒng)也是一樣，新的時代就要有新的改變，一味地尋求快速發(fā)展，必將帶來新的問題。我們要做的就是順應(yīng)這些變化，解決產(chǎn)生的問題，才能有更多的高新科技研發(fā)出來，相信新能源的明天一定會更加光明。