风力发电并网相关问题综述.doc

阿不力克木·阿不力米提；电气08-2；20082101406

风力发电并网相关问题综述

Impact o f Large-scale Wind Power Integration on Power System and Suppression Measures

阿布拉.达比提 班级：电气09-3 学号：20082101406
ABSTRACT: With the shortage of resources, environmental pollution, energy shortages, a series of worldwide problem has arised and countries are beginning to look for new alternative to fossil fuels that can be a new source ,wind energy, with its advantages of renewable, clean pollution countries are reaping benifits and wind power technology starts to develop. this paper discusses the impact of wind power grid system .Early wind farms connected to the distribution network or directly to the user supply and it was prone to make problem at some aspects such as harmonic pollution, voltage fluctuations and flicker power quality. With the installed capacity of wind farms increases, the launching of the double-fed variable speed wind turbine research ,the control of the wind power generation process, it can better achieve that wind power grid voltage and reactive power control active scheduling problem is becoming a hot wind power grid study of the problem.
KEY WORDS: wind power; win power grid; wind power generation quality; wind farms modelling;
摘要：随着资源短缺，环境污染，能源匮乏等一系列世界性问题的出现，各国都开始寻找可以替代化石燃料的新型能源，风能以其可再生，洁净无污染等优点开始在各国得到利用，风力发电技术由此开始发展。本文主要论述了风电并网后对系统的影响。早期的风电场与配电网相连或者直接给用户供电，易出现谐波污染、电压波动及闪变等电能质量方面问题。而随着风电场装机容量的增大，同时双馈型变速风力发电机研究的开展，人们可以更好地实现风力发电过程中的控制，风电并网电压和无功控制，有功调度等问题正成为目前风电并网问题研究的热点。
关键词：风力发电；风力发电并网；风力发电电能质量；风电场建模；
0 引言
20 世纪 70 年代发生世界性能源危机以来，许多国家都更加重视新能源和可再生能源的研究、开发和利用工作。而此时风呢以其资源丰富，可再生，不污染环境等一系列优点引起了各国研究者的广泛关注，难得可贵的是，人类还有着长久的利用风能的历史和经验。可以说，在所有新能源、可再生能源利用技术中，风力发电是最成熟、最具规模开发和商业开发前景的方式。
根据全球风能委员会（GWEC）的报告，截止2005 年底，世界风电装机总容量为 59322MW，较2004 年同期增长了 25%。风电装机容量最多的国家依次为德国、西班牙、美国、印度和丹麦，显然欧洲仍是风电市场的领导者，其装机总容量占全世界的 69%。但是随着世界风能技术的发展，中国风电技术的研究和应用也进入了一个崭新的阶段。尤其 2005年中国通过了《可再生能源法》，当年新增风电装机容量近 500MW，是 2004 年的两倍多，在全世界新增装机容量中排名第六。这也使得中国风电总装机容量达到 1260MW，成为少数几个风电装机容量达到 1000MW 的国家。预计，到 2006 年底中国将新增 2000MW 风电装机容量，2010 年中国风电装机容量将达 5000MW。
而随着风电装机容量的增大，尤其在大量新型风力发电机组开始投入运行后，风电场装机达到可以和常规机组相比的规模，并且由原来单机容量较小时的直接和配电网相连或者直接给用户供电，改为直接接入输电网，甚至会出现在一个供电系统网络中，风力发电占有较大的比例的情况，其结果就是对系统的影响越来越明显。这使得风力发电并网研究成为一个重要课题。
本文将就风电并网研究中的一些重要问题进行详细地论述。
1 风电场建模
风电场的建模仿真是研究风力发电的重要手段，也是进行并网研究的重要前提。
我们知道，典型的风力发电系统必然包括风，风力机，传动装置和风力发电机几部分，相对应的，风电场建模也涉及到建立风速模型，风力机模型，传动装置模型和风力发电机模型等各个环节。
1.1 风速模型
目前常用的风速模型一般是两种：一种是将风速分解为基本风，阵风，斜坡分量和背景噪声 4 种分量，一种是将风速分解为平均风速分量和湍流分量。前者相对比较容易建立，但通常只能模拟简单的情形。后者则能够更好区分风速中的慢速变化分量和快速变化分量部分，更好反映出一定时间尺度内风速变得化的统计规律和相关特性。

1.2 风力发电机模型
早期的风力发电机多为恒速型风力发电机，是一个与配电网直接相连的异步机。它装机规模小，设计比较简单而且结实耐用，但是它无法控制有功或无功功率的输出；输出功率波动过大；功率波动被转移到转矩波动，会导致机械负荷过大，容易造成齿轮箱的故障。
而相对的，变速型风力发电机能量产出率更高，机械负荷更少，功率输出时波动比较小，电压闪络的几率大大减少，并且它对无功和有功有着广泛的控制力，更能满足并网的要求。除此之外，变速型风力发电机设备中所必需的电力电子元件逐渐变得更加廉价而可靠，这些都决定了在未来一段时间里，变速型风力发电机将取代恒速型风力发电机，广泛应用于风电场。
变速型风力发电机有几种方案可以选择，目前比较常见的有两种：一种是同步电机通过电力电子装置与电网相连，即直驱型变速同步风力发电机，一种是双馈型变速异步风力发电机。前者如果进一步采用多极同步电机, 甚至有可能取消风机上常用的变速齿轮箱, 减少风机的故障率，但是需要大功率、大体积的电力电子转换器，发电机也更加复杂、更加昂贵；后者实现风机以最佳叶尖比运行,比变桨距控制的实现更简单，其电力电子转换器的功率只要风力发电机额定功率的三分之一，但仍然需要一个齿轮箱，使得整机的可靠性有所降低。
风电场联网方式包括接入电网的联网点电压、联网点位置、联网风电规模、交流/直流联网等。根据目前国外和国内的研究成果，这与接入电网的规模、旋转备用、储能系统配置等均有关，这是一个可再生能源与电网的规划问题，目前国内主要依靠仿真软件实现。输电规划问题主要指大规模风电的长距离、弱连接的远距离输电、海上风电并网，以及电力市场情况下风电跨区交易问题。
在建模过程中，同步发电机由于应用较广，其模型相对容易建立。而恒速型风力发电机则往往通过假定该发电机为理想的异步电机，利用反转矩公式建立模型。对于双馈型变速异步风力发电机则可采用电动机的惯例，以定子磁场旋转坐标系[d,q,0]为参考，在忽略定子电磁暂态过程的假设下，由双馈电机电压、磁链标幺值公式建立模型。
1.3 其他模型
当选择的风力发电机为双馈型变速异步风力发电机时，变频器也需要建立相应模型。此变频器一般采用可双向流动的变频装置，其模型多采用理想的交-交或交-直-交变频形式。
除此之外，也有很多研究者建立了控制环节模型，如基于定子磁链定向或转子磁链或定子电压的矢量控制模型，使双馈型变速风力发电机形成闭环并网，达到控制的目的。
2 并网方式
早期的风电场采用的是小型恒速风力发电机，它的优点在于并网研究相对简单，因为感应电机的自然滑动可以轻易的获得很大的阻尼，往往只需增加少量的额定功率既可产生很好效果；缺点在于它必然受困于电抗储能与释放能量的延时性同并网的瞬时性之间的矛盾。但目前这个问题已经得到解决，因为我们总可以通过吸收电抗储能的方法来限制电路中的电压升高。
但是随着发展，尤其是为风力发电机中同步发电机的出现，对于如何并网提出了很高的要求。对此人们提出了大量设计方案，例如在驱动装置上采用了可拆卸元件，或是使用弹簧调节器来反应发电机转子和变速箱结构。在适当的功率下这些装置可以很有效的发挥作用，使并网成功。
值得一提的是，现代风力发电机组主要采用的就是由此装置衍生出来的软并网方式，即采用电力电子转换装置在发电机机轴转速同电力网络频率之间建立一种柔性连接。
3 电能质量
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，再者配电网则呈树状, 结构松散, 电压低, 网损较大，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。
3.1 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，影响电能质量。
已有的研究成果表明，闪变对并网点的短路电流水平和电网的阻抗比(也有说是阻抗角) 十分敏感。
3.2 谐波污染
风电给系统带来谐波的途径主要有两种：一种是风力发电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力发电机，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。但是对于变速风力发电机则不然，因为变速风力发电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，这一问题也在逐步得到解决。另一种是风力发电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。为了模拟这种现象，只要采用简单的物理模型（变压器用短路电抗表示，发电机和负荷用阻抗支路表示），就可以得到和实测相当接近的结果。与电压闪变问题相比，风电并网带来的谐波问题不是很严重。
4 系统稳定性
在发电机开断、线路开断、三相短路故障以及风速扰动情况下，系统的电压及频率都可能存在大幅度波动问题。
4.1 电压稳定性
大型风电场及其周围地区，常常会有电压波动大的情况。主要是因为以下三种情况。
风力发电机组启动时仍然会产生较大的冲击电流。单台风力发电机组并网对电网电压的冲击相对较小，但并网过程至少持续一段时间后（约为几十秒）才基本消失，多台风力发电机组同时直接并网会造成电网电压骤降。因此多台风力发电机组的并网需分组进行，且要有一定的间隔时间。
当风速超过切出风速或发生故障时，风力发电机会从额定出力状态自动退出并网状态，风力发电机组的脱网会产生电网电压的突降，而机端较多的电容补偿由于抬高了脱网前风电场的运行电压，从而引起了更大的电网电压的下降。
风电场风速条件变化也将引起风电场及其附近的电压波动。比如当风场平均风速加大，输入系统的有功功率增加，风电场母线电压开始有所降低，然后升高。这是因为当风场输入功率较小时，输入有功功率引起的电压升数值小，而吸收无功功率引起的电压降大；当风场输入功率增大时，输入有功引起的电压升数值增加较大，而吸收无功功率引起的电压降增加较小。 如果考虑机端电容补偿，则风电场的电压增加。
特别的，当风电场与系统间等值阻抗较大时，由于风速变动引起的电压波动现象更为明显。研究发现，使用电力电子转换装置的风力发电机，能够减少电压波动，比如并网时风电场机端若能提供瞬时无功，则启动电流也大大减小，对地方电网的冲击将大大减轻。
值得一提的是，如果采用异步发电机作为风力发电机，除非采取必要的预防措施，如动态无功补偿、加固网络或者采用 HVDC 连接，否则当网络中某处发生三相接地故障时，将有可能导致全网的电压崩溃。
4.2 频率稳定性
有研究者针对小型孤立电网,研究了在诸如发电机开断、线路开断、三相短路故障以及风速扰动情况下系统的稳定性问题,结果表明系统的电压及频率都存在大幅度波动问题,有必要对风电并网后的系统的稳定性进行认真评估。
由于大型电网具有足够的备用容量和调节能力, 一般不必考虑风电进入引起频率稳定性问题。但是对于孤立运行的小型电网, 风电带来的频率偏移和稳定性问题也是不容忽视的。
5 无功控制，有功调度
大型风电场的风力发电机几乎都是异步发电机，在其并网运行时需从电力系统中吸收大量无功功率，增加电网的无功负担，有可能导致小型电网的电压失稳。因此风力发电机端往往配备有电容器组，进行无功补偿，从而提高电网运行质量及降低成本。
值得一提的是，正在被广泛关注的双馈型变速恒频风力发电机对这一系列问题有很好地解决作用，由于添加了控制环节，它具有了一下优良特性：
1．可以实现对无功功率的控制——双馈发电机在实现电压控制的同时还可以从电网中吸收无功功率或是为电网提供无功补偿。
2．可以通过对转子励磁电流的独立控制实现了有功和无功功率的解耦控制。
具体原理是，双馈发电机在转子侧的变频器通过转子电流 d 轴分量实现对转子转速和力矩的控制，无功和励磁则是通过转子电流的 q 轴分量来控制的。同时，电网侧的变频器也以类似的方式工作，d 轴分量通过直流电压媒介电路控制有功功率，实现转子侧与电网侧变频器之间的有功交换。
另外目前国内也有人提出采用无刷双馈发电机系统，无刷双馈发电机定子有两套极数不同的绕组，一个称为功率绕组，直接联入电网，另一个称为控制绕组，通过双向变频器接电网。而转子为笼型结构，采用自行闭合的环路结构。无刷双馈发电机向电网输出的功率由两部分组成，一部分直接从功率绕组输出的功率，另一部分为通过双向变频器从控制绕组输出或者输入的功率。
6 其他研究课题
6.1 电压控制
变速恒频双馈发电机组能够良好运行的前提条件是机组能够顺利并网，而实现变速恒频无冲击电流并网的关键是双馈电机定子电压的控制。为了实现变速恒频双馈风力发电机组顺利并网运行，必须有效地控制电机定子电压和电网电压在幅值、频率及相位上相一致，基于定子磁场定向转子电流开环控制策略，很好地实现了定子电压控制，这种控制策略原理清晰，实现简单，是一种较为理想的实现方案。
6.2 含风电场电力系统的运行计划与调度
传统的发电计划基于电源的可靠性以及负荷的可预测性，以这两点为基础，发电计划的制定和实施有了可靠的保证。
但对风力发电系统来说，为了整个系统能以最低成本实现风力发电供应的最大化，风电场与输电系统必须有规范系统的设备，并且要合理运行管理这些系统。但是由于风能的随机性，风电场出力的预测水平还达不到工程实用的程度，发电计划的制定变得困难起来。
同时需要进行改进和调整的还有传统的电力系统的运行方式和控制手段。这是因为风力发电并网以后，如果电力系统的运行方式不相应地做出调整和优化，系统的动态响应能力将不足以跟踪风电功率的大幅度、高频率的波动，系统的电能质量和动态稳定性将受到显著影响，这些因素反过来又会限制系统准入的风电功率水平[5]。在风力发电系统电力生产预测中应用风速力预测模型，就可以对风电并网以后的系统发电计划进行优化。
至于控制手段，研究者们的主要注意力则是放在风力发电与电网之间的电力电子转换装置上，即如何使转换器的控制系统来实行新的控制算法，随时控制发电量和供电质量，从而使在运行调度整个电力系统时将风力发电系统也包含在内。
6.3 电潮流与网损
我们知道，配电网多呈树状，结构松散，电压低，网损较大。若是风电场接入配电网，则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。也有人建立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。
6.4 容量可信度
目前风电的容量可信度常用的有两种评价方法:一种是计算含风电系统的可靠性指标,在保证系统可靠性不变的前提下,风电能够替代的常规发电机组容量即为其容量可信度,这种方法适合于系统的规划阶段；一种方法是时间序列仿真,选择合适的时间段作为研究对象,通过计算风电场的容量系数(风电场实际出力与理论发电量的比值)来估算容量可信度,在负荷高峰时段,可以认为容量系数等于容量可信度,该方法适用于为系统的运行提供决策支持。
7 结语
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、电压波动及闪变等电能质量方面问题。随着容量的不断增大，风力发电机组达到可以和常规机组相比的规模，改为直接接入输电网，甚至会出现在一个供电系统网络中，风力发电占有较大的比例的情况。同时双馈型变速风力发电机研究的开展，使人们可以更好地实现风力发电过程中的控制，风电并网的研究热点不可避免的转移到电压和无功控制，有功调度等问题上。
参考文献
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