淺談風(fēng)力發(fā)電機(jī)的類(lèi)型及風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)主電網(wǎng)運(yùn)行的影響

風(fēng)力發(fā)電的主要特點(diǎn)是隨機(jī)性與不可控性，主要隨風(fēng)速變化而變化。因此，風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行對(duì)主電網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)諸多不利影響。分析風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)影響是風(fēng)電事業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，同時(shí)也是電網(wǎng)部門(mén)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的一個(gè)新課題。

風(fēng)力發(fā)電的主要特點(diǎn)是隨機(jī)性與不可控性，主要隨風(fēng)速變化而變化。因此，風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行對(duì)主電網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)諸多不利影響。分析風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)影響是風(fēng)電事業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，同時(shí)也是電網(wǎng)部門(mén)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的一個(gè)新課題。

一、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的類(lèi)型

分析風(fēng)電并網(wǎng)的影響，首先要考慮風(fēng)力發(fā)電機(jī)類(lèi)型的不同。不同風(fēng)電機(jī)組的工作原理、數(shù)學(xué)模型都不相同，因此分析方法也有所差異。目前國(guó)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組的主要機(jī)型有3種，每種機(jī)型都有其特點(diǎn)。

1.1異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)

國(guó)內(nèi)已運(yùn)行風(fēng)電場(chǎng)大部分機(jī)組是異步風(fēng)電發(fā)電機(jī)。主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、價(jià)格便宜。這種發(fā)電機(jī)組為定速恒頻機(jī)沮，運(yùn)行中轉(zhuǎn)速基本不變，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行在風(fēng)能轉(zhuǎn)換最佳狀態(tài)下的幾率比較小，因而發(fā)電能力比新型機(jī)組低。

同時(shí)運(yùn)行中需要從電力系統(tǒng)中吸收無(wú)功功率。為滿(mǎn)足電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)功率因數(shù)的要求，多采用在機(jī)端并聯(lián)補(bǔ)償電容器的方法，其補(bǔ)償策略是異步發(fā)電機(jī)配有若干組固定容量的電容器。

由于風(fēng)速大小隨氣候環(huán)境變化，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的風(fēng)力機(jī)不可能經(jīng)常在額定風(fēng)速下運(yùn)行，為了充分利用低風(fēng)速時(shí)的風(fēng)能，增加全年的發(fā)電量，近年廣泛應(yīng)用雙速異步發(fā)電機(jī)。這種雙速異步發(fā)電機(jī)可以改變極對(duì)數(shù)，有大、小電機(jī)2種運(yùn)行方式。

1.2雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)

國(guó)內(nèi)還有一些風(fēng)電場(chǎng)選用雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)，大多來(lái)源于國(guó)外，價(jià)格較貴。這種機(jī)型稱(chēng)為變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)，其風(fēng)力機(jī)可以變速運(yùn)行，運(yùn)行速度能在一個(gè)較寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，使風(fēng)機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)Cp得到優(yōu)化，獲得高的利用效率；可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)較平滑的電功率輸出；發(fā)電機(jī)本身不需要另外附加無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)在一定范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)，例如功率因數(shù)從領(lǐng)先0.95調(diào)節(jié)到滯后0.95范圍內(nèi)，因而具有調(diào)節(jié)無(wú)功功率出力的能力。

1.3直驅(qū)式交流永磁同步發(fā)電機(jī)

大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行中，齒輪箱是故障較高的部件。采用無(wú)齒輪箱結(jié)構(gòu)能大大提高風(fēng)電機(jī)組的可靠性，降低故障率，提高風(fēng)電機(jī)組的壽命。目前國(guó)內(nèi)有風(fēng)電場(chǎng)使用了直驅(qū)式交流永磁同步發(fā)電機(jī)，運(yùn)行時(shí)全部功率經(jīng)A-D-A變換，接入電力系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行。與其他機(jī)型比較，需考慮諧波治理問(wèn)題。

二、風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)主電網(wǎng)運(yùn)行的影響

由于風(fēng)速變化是隨機(jī)性的，因此風(fēng)電場(chǎng)的出力也是隨機(jī)的。風(fēng)電本身這種特點(diǎn)使其容量可信度低，給電網(wǎng)有功、無(wú)功平衡調(diào)度帶來(lái)困難。

在風(fēng)電容量比較高的電力網(wǎng)中，可能會(huì)產(chǎn)生質(zhì)量問(wèn)題。例如電壓波動(dòng)和閃變、頻率偏差、諧波等問(wèn)題。更重要的是：系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定都需要驗(yàn)證。

當(dāng)然，相同裝機(jī)容量的風(fēng)電場(chǎng)在不同的接入點(diǎn)對(duì)電網(wǎng)的影響也是不同的。在短路容量大的接入點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)影響小。反之，影響就大。

定量分析風(fēng)電場(chǎng)對(duì)主電網(wǎng)運(yùn)行的影響，要從穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)兩方面進(jìn)行分析。穩(wěn)態(tài)分析就是對(duì)含風(fēng)電場(chǎng)的電力系統(tǒng)進(jìn)行潮流計(jì)算。在穩(wěn)態(tài)潮流分析中，風(fēng)電場(chǎng)高壓母線(xiàn)不能簡(jiǎn)單視為PQ節(jié)點(diǎn)或PU節(jié)點(diǎn)。含風(fēng)電場(chǎng)的電力系統(tǒng)對(duì)平衡節(jié)點(diǎn)的有功、無(wú)功平衡能力提出更高要求，要分別分析含風(fēng)電場(chǎng)電網(wǎng)在電網(wǎng)大、小運(yùn)行方式下，是否滿(mǎn)足系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行的各種約束。

由于不同的風(fēng)電機(jī)組的工作原理、數(shù)學(xué)模型都不相同，因此，對(duì)不同類(lèi)型風(fēng)電場(chǎng)的潮流計(jì)算方法也有所差異。對(duì)于異步發(fā)電機(jī)組組成的風(fēng)電場(chǎng)。采用風(fēng)電場(chǎng)、主系統(tǒng)分別迭代的方法：首先要設(shè)定風(fēng)速，取值范圍為風(fēng)機(jī)切入風(fēng)速到切出風(fēng)速之間?？紤]尾流效應(yīng)，利用RAHMAN模型計(jì)算出各臺(tái)風(fēng)機(jī)輪轂處風(fēng)速。根據(jù)各臺(tái)風(fēng)機(jī)功率風(fēng)速曲線(xiàn)，計(jì)算出各臺(tái)發(fā)電機(jī)出力P，以及整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)ΣP。

再設(shè)風(fēng)電場(chǎng)的電壓初始設(shè)定值值Uo，在不考慮風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部電壓損耗的情況下，所有風(fēng)機(jī)出口電壓都設(shè)為Uo，從而根據(jù)Uo、P計(jì)算出各臺(tái)風(fēng)機(jī)的無(wú)功功率Qi以及整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的ΣQ。由于風(fēng)電場(chǎng)己經(jīng)計(jì)算出P、Q，因此可視為PQ節(jié)點(diǎn)，代入主系統(tǒng)進(jìn)行潮流計(jì)算，得出風(fēng)電場(chǎng)電壓U，將設(shè)定值Uo與計(jì)算值U進(jìn)行比較，修正設(shè)定值，重新重復(fù)迭代，直至計(jì)算收斂。

由雙饋異步發(fā)電機(jī)組成的風(fēng)電場(chǎng)：當(dāng)雙饋異步發(fā)電機(jī)恒功率因數(shù)運(yùn)行時(shí)，要先根據(jù)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速控制規(guī)律計(jì)算轉(zhuǎn)差率S，再計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)發(fā)出或吸收的無(wú)功功率Q，然后以PQ節(jié)點(diǎn)形式代入主系統(tǒng)進(jìn)行潮流計(jì)算迭代。當(dāng)雙饋異步發(fā)電機(jī)恒電壓運(yùn)行時(shí)，以PQ節(jié)點(diǎn)形式代入電力系統(tǒng)進(jìn)行潮流計(jì)算。在某個(gè)設(shè)定風(fēng)速的計(jì)算完成后，改變?cè)O(shè)定風(fēng)速，進(jìn)行新一輪的計(jì)算。

從上述計(jì)算過(guò)程可以看出，穩(wěn)態(tài)含風(fēng)電場(chǎng)電力系統(tǒng)潮流計(jì)算的結(jié)果，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)各風(fēng)速下系統(tǒng)的潮流計(jì)算分布情況表。其中風(fēng)電場(chǎng)零出力、最大、最小出力等3種情況需要著重關(guān)注。

動(dòng)態(tài)過(guò)程分析，一般采用仿真的方法。要考慮異步發(fā)電機(jī)、雙饋異步發(fā)電機(jī)等不同發(fā)電機(jī)的模型以及風(fēng)速、風(fēng)力機(jī)、槳距調(diào)節(jié)等環(huán)節(jié)，用仿真程序PSS/E、PSCAD、Matlab/Simulink、PSASP等進(jìn)行分析。分析的關(guān)鍵是各種風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型的選用。

分析風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)主電網(wǎng)的影響，還需考慮風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功問(wèn)題。風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功消耗包括：異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)消耗，雙饋異步發(fā)電機(jī)和直流永磁同步機(jī)沒(méi)有此部分；風(fēng)機(jī)出口升壓變壓器，由于整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)升壓變數(shù)目眾多，有成百上千臺(tái)，疊加起來(lái)數(shù)量不??；風(fēng)電場(chǎng)升壓變電站主變壓器消耗等。對(duì)于由異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成的風(fēng)電場(chǎng)，應(yīng)考慮電壓穩(wěn)定性問(wèn)題。如有必要，可采用動(dòng)態(tài)電壓控制設(shè)備。

三、風(fēng)電并網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)影響

風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電成本加上合理的利潤(rùn)，構(gòu)成風(fēng)電的價(jià)格。2006年施行的《《可再生能源法》》中規(guī)定，電網(wǎng)企業(yè)必須全額收購(gòu)可再生能源電量。費(fèi)用高于常規(guī)能源發(fā)電平均上網(wǎng)電價(jià)，其電價(jià)之間的差額附加到銷(xiāo)售電價(jià)中分?jǐn)偂?/p>

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)己建風(fēng)電場(chǎng)的電價(jià)水平在（0.46-1.2）元/（KWh）之間。目前，國(guó)內(nèi)風(fēng)電上網(wǎng)電價(jià)大概分為：成本利潤(rùn)電價(jià)；特許權(quán)招標(biāo)電價(jià)；全省統(tǒng)一電價(jià)等三種。與火電相比，風(fēng)電上網(wǎng)電價(jià)較高。

風(fēng)電場(chǎng)出力的隨機(jī)性，可能造成如負(fù)荷跟蹤、頻率控制、備用容量、無(wú)功功率和電壓調(diào)節(jié)等電網(wǎng)輔助服務(wù)的成本增加，從而影響了電網(wǎng)企業(yè)的效益。

四、結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，中國(guó)風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的高速發(fā)展有目共睹，隨著風(fēng)電裝機(jī)容量的不斷增長(zhǎng)，風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)主電網(wǎng)所帶來(lái)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)影響越來(lái)越大，該領(lǐng)域的研究無(wú)論是對(duì)風(fēng)電發(fā)電商，還是對(duì)電網(wǎng)公司都愈顯其戰(zhàn)略重要性。
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