1、風電并網(wǎng)有關(guān)問題探究,徐楓 2012.12.08,目 錄,壹. 引 言,風力發(fā)電是21世紀重要的綠色能源，也是化石能源的重要替代能源之一。加快發(fā)展風力發(fā)電，是世界許多國家解決能源可持續(xù)利用的重要舉措。 近年來，全球風電產(chǎn)業(yè)持續(xù)快速增長，2010年全球風電新增裝風機裝機容量近0.36億KW，累計裝機容量達到1.94億KW，同比增長22.5%，增長較往年出現(xiàn)較明顯的下滑，從增長分布來看，諸如中國、印度、巴西的新興風電市場新增裝機容量逐漸占據(jù)了主導(dǎo)地位，傳統(tǒng)歐美風電市場新增裝機容量均較2009年有所下滑。 截止2011年底，世界風電裝機總量達到2.38億KW ，中國和印度仍是世界風電增長的主要驅(qū)動力

2、。在許多國家風電強勁增長的帶動下，2011年世界風電增速有所恢復(fù)。,中國繼2009年超越美國成為全球新增風電裝機容量最多的國家以后，2010年中國累計風電裝機容量也實現(xiàn)了對美國的超越 ， 成為全球風電裝機容量最多的國家，累計裝機容量0.42億KW，約占全球總?cè)萘康?21.5%。然而，中國并網(wǎng)風電裝機容量僅為0.31億KW，并網(wǎng)比例只有74%，明顯低于歐美國家的90%以上的并網(wǎng)比例；中國風電裝機質(zhì)量、風電發(fā)電效率、 海上風電裝機容量、自主研發(fā)能力以及風電裝機出口等指標仍與國際先進水平有一定的差距 ，中國風電的發(fā)展仍需謀求質(zhì)的突破。,貳. 中國風電并網(wǎng)狀況,圖1.近年來中國風機裝機容量增長狀況,2

3、.1 風電并網(wǎng)比例分析,結(jié)論：中國風電裝機容量快速增長的背后是風電資源的嚴重浪費，未并網(wǎng)風電裝機容量持續(xù)增長，棄風現(xiàn)象嚴重并在短時間內(nèi)難以解決 。 2.2 風電并網(wǎng)瓶頸分析 造成風電并網(wǎng)率低下的原因一方面是缺乏風電消納方案，與風電并網(wǎng)相關(guān)的發(fā)電項目輸送線路架結(jié)構(gòu)電網(wǎng)建設(shè)相對滯后，繁瑣的并網(wǎng)工作以及并網(wǎng)后電網(wǎng)效益的不確定性也致使電網(wǎng)公司對于接納風電投資的積極性低下；另一方面 ，過度集中的風電分布使得電網(wǎng)難以消納 。,叁. 風電大規(guī)模并網(wǎng)帶來的問題,概述：風能由于其自身特性使得它未被人們充分利用。風能資源通常遠離負荷中心，風電場的輸出隨著風速風向的變化而變化，風力發(fā)電的特性目前尚未完全明確，所以制

4、約了風力發(fā)電的發(fā)展。 由于風的不可控性和不可預(yù)知性，風電場不能像常規(guī)電廠一樣擁有穩(wěn)定的可靠性。同時，系統(tǒng)需要有與風電場額定容量相當?shù)膫溆萌萘?，在風停時替代風電場。這樣的話，風電在電網(wǎng)中占的比率將會限制在較小的范圍內(nèi)，由于其與電網(wǎng)相聯(lián)成本較高，這往往會超出能量本身的價值。 隨著風電場的容量越來越大, 對系統(tǒng)的影響也越來越明顯。風電場所在地區(qū)往往人口稀少, 處于供電網(wǎng)絡(luò)的末端, 承受沖擊的能力很弱, 因此, 風電很有可能給配電網(wǎng)帶來諧波污染、電壓波動及閃變問題；風電的隨機性給發(fā)電和運行計劃的制定帶來很多困難；需要重新評估系統(tǒng)的發(fā)電可靠性, 分析風電的容量可信度；研究新的無功調(diào)度及電壓控制策略，以保

5、證風電場和整個系統(tǒng)的電壓水平及無功平衡及對孤立系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響等。隨著電力電子元件的性價比不斷提高, 變速恒頻電機、雙饋電機等新型發(fā)電機組在風機上的推廣應(yīng)用, 風電場可以像常規(guī)機組一樣,承擔電壓及無功控制的任務(wù), 正逐漸成為新的研究熱點。,叁. 風電大規(guī)模并網(wǎng)帶來的問題,4.發(fā)電計劃與調(diào)度,3.穩(wěn)定問題,2.電能質(zhì)量,1.潮流與網(wǎng)損,3.1. 潮流與網(wǎng)損,發(fā)電廠,輸電網(wǎng),負荷,配電網(wǎng),風電場,環(huán)狀結(jié)構(gòu)，電壓等級高，網(wǎng)絡(luò)損耗小,樹狀，結(jié)構(gòu)松散，電壓低，損耗大,P,Q,風電場接入配電網(wǎng)以后，減少了輸電網(wǎng)向該地區(qū)輸 送的電力，既緩解的電網(wǎng)的輸電壓力，一般也會降低系統(tǒng)的網(wǎng)損。,3.2. 電能質(zhì)量,風能

6、,隨機性,不可調(diào)度性,間接性,風電因其隨機性、間接性和不可調(diào)度性的缺點，隨著風電機組單機容量和風電場規(guī)模的增大，并網(wǎng)后對風電機組功率連續(xù)波動和本身產(chǎn)生電力脈動給電力系統(tǒng)的電能帶來負面影響，需要研究風電的特性和評估其對電能質(zhì)量的影響。,3.2.1 電壓波動和電壓閃變,風速變化,風機輸出 功率變化,風電場母線及 附近電網(wǎng)電壓 波動,電壓波動成因,風力機輸出功率隨著風速隨機變化，風電場注入 電網(wǎng)的有功功率和吸收的無功功率也會有所改變， 引起風電場母線及附近電網(wǎng)電壓波動；同時，風 力發(fā)電機組并網(wǎng)和脫網(wǎng)、補償電容器的投切的操 作時對電網(wǎng)電壓造成沖擊。,風機出力 的波動,電壓閃變 （低于25Hz）,風機超

7、出 切除風速,電壓閃變成因,圖2.風電機組并網(wǎng)簡化示意圖,合適的XR比可以使有功功率引起的電壓波動被 無功功率引起的電壓波動補償，使平均閃變值有 所降低。,3.2.2 諧波污染問題,一種是風機本身配備的電力電子裝置, 可能帶來諧波問題 .,諧波污染,風力發(fā)電機的并聯(lián)補償電容器可能和線路的電抗發(fā)生諧振,成因,濾波器,無源濾波器,有源濾波器 （APF）,結(jié)構(gòu)簡單，價格 低廉，運行可靠,主導(dǎo)地位,有些情況下，采用APF和傳統(tǒng)的濾波裝置組合而成 的混合型濾波器，由電容吸收高次諧波，而APF提 高濾波性能，具有較好的性價比。,與閃變問題相比，在實際運行中風電并網(wǎng)帶來的諧 波問題不是很嚴重。,解決方法,3

8、.3 穩(wěn)定問題,3.3.1 無功和電壓問題 大規(guī)模風電場接入電力系統(tǒng)時風電場對無功功率的消耗是導(dǎo)致電網(wǎng)產(chǎn)生電壓問題的主要原因。如果電網(wǎng)不能滿足風電場的無功需求，就會產(chǎn)生電壓問題，這也是限制風電場容量繼續(xù)增長的一個重要因素。 在電網(wǎng)規(guī)劃沒有與風電規(guī)劃協(xié)調(diào)發(fā)展時，往往電網(wǎng)接納風電的能力不能適應(yīng)風電規(guī)劃的發(fā)展，接入的風電場的容量收到電網(wǎng)自身條件限制。 通過采用一定的無功補償手段，可以增加電網(wǎng)電壓穩(wěn)定裕度、提高風電場的最大裝機容量。,解決方法,改善風電接入地區(qū) 電網(wǎng)的電壓水平和 電壓穩(wěn)定性,加強網(wǎng)架結(jié)構(gòu),采用具有電壓 無功控制能力 的雙饋變速風電機組,在風電場內(nèi)安裝能夠 在風速波動時提供快 速的無功補

9、償,3.3.2 暫態(tài)穩(wěn)定性問題,或是通過在風電場安 裝動態(tài)無功補償裝置、 及利用變速風電機組 的動態(tài)無功支撐能力 在暫態(tài)過程中及故障 后電網(wǎng)的恢復(fù)過程中 支撐電網(wǎng)電壓，保證 區(qū)域電網(wǎng)的暫態(tài)電壓 穩(wěn)定,如不穩(wěn)定，需利用風 電場或風電機組的保 護將風電場或風電機 組切除以保證區(qū)域電 網(wǎng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。,3.4 發(fā)電計劃與調(diào)度,傳統(tǒng)的發(fā)電計劃基于電源的可靠性以及負荷的可預(yù)測性, 以這兩點為基礎(chǔ), 發(fā)電計劃的制定和實施有了可靠的保證。但是, 如果系統(tǒng)內(nèi)含有風電場, 因為風電場出力的預(yù)測水平還達不到工程實用的程度, 發(fā)電計劃的制定變得困難起來。如果把風電場看做負的負荷, 不具有可預(yù)測性；如果把它看做電

10、源,可靠性沒有保證。 一般而言，我國風力資源豐富的地區(qū)不甚發(fā)達，無法消納大規(guī)模的風電電力，且地區(qū)負荷特性往往與風電場風電功率特性相反，或稱之為風電的反調(diào)峰特性，導(dǎo)致大規(guī)模風電接入后往往會增加電網(wǎng)調(diào)度的難度，需要電網(wǎng)留有更多的備用電源和調(diào)峰容量，這必將給電網(wǎng)帶來附加的經(jīng)濟投入，增加電網(wǎng)運行的費用。,肆. 風電機組的低壓穿越能力,低電壓穿越(LVRT)，指在風力發(fā)電機并網(wǎng)點電壓跌落的時候，風機能夠保持并網(wǎng)，甚至向電網(wǎng)提供一定的無功功率，支持電網(wǎng)恢復(fù)，直到電網(wǎng)恢復(fù)正常，從而“穿越”這個低電壓時間(區(qū)域)。 LVRT是對并網(wǎng)風機在電網(wǎng)出現(xiàn)電壓跌落時仍保持并網(wǎng)的一種特定的運行功能要求，也是風電機組實現(xiàn)暫

11、態(tài)穩(wěn)定的一種表現(xiàn)。 各國低電壓穿越標準 美國風能協(xié)會和德國E.ON 公司的標準是當系統(tǒng)電壓跌落到15%額定電壓時，風機必須為系統(tǒng)提供一定的無功支持，持續(xù)并網(wǎng)625毫秒。 澳大利亞要求電壓跌落到0時，風機必須并網(wǎng)不間斷運行175ms。,中國低電壓穿越標準,圖3.中國低電壓穿越標準,4.1 低電壓穿越能力的必要性,當風電在電網(wǎng)中所占比例較低時，若電網(wǎng)出現(xiàn)故障， 風機就實施被動式自我保護而立即解列，不用考慮故 障的持續(xù)時間和嚴重程度，從而最大限度地保障風機 安全，這種情況是可以接受的。,當風電在電網(wǎng)中占得比例較大時，若風機在系統(tǒng)發(fā)生 故障時，如果風機在系統(tǒng)發(fā)生故障時仍采取被動保護 式解列方式，系統(tǒng)將

12、失去大量電源，造成系統(tǒng)的二次 沖擊，增加了系統(tǒng)的恢復(fù)難度，甚至可能加劇故障， 導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。此時對風電機組必須要求風電機組具 有相應(yīng)的低壓穿越能力，且必須采取有效的低電壓穿 越措施，以維護風場電網(wǎng)的穩(wěn)定。,4.2 電網(wǎng)故障期間風力發(fā)電機的原理分析,電網(wǎng)故障,機端電壓 下降,定子回路 電壓跌落,電磁轉(zhuǎn)矩 減小,定子端通過變壓器直接掛網(wǎng),以增加crowbar保護電路的 雙饋風力發(fā)電機為例,風機不斷 加速,機械轉(zhuǎn)矩瞬時不變,無低壓穿越能力,風機解列,轉(zhuǎn)子側(cè)感應(yīng) 電流增大,轉(zhuǎn)子被crowbar 保護電路短接,實現(xiàn)風機 的低壓穿越,4.3 低電壓穿越的技術(shù)實現(xiàn),轉(zhuǎn)子短路保護技術(shù)（crowbar保護電路）：,圖4.crowbar保護電路,引入新型拓撲結(jié)構(gòu),采用合理的勵磁控制算法,伍. 結(jié) 論,隨著我國風電裝機容量的不斷增長，風機與電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題、風電對電網(wǎng)電能和穩(wěn)定性的影響等問題也