風(fēng)電以微網(wǎng)的形式并入智能電網(wǎng)的研究

王 帥 李 鵬 崔紅芬

（華北電力大學(xué)電力系統(tǒng)保護(hù)與動態(tài)安全監(jiān)控教育部重點實驗室，河北 保定 071003）

1 引言

未來的電網(wǎng)必須能夠提供更加安全、可靠、清潔、優(yōu)質(zhì)的電力供應(yīng)，智能電網(wǎng)（smart grids）通過先進(jìn)的設(shè)備技術(shù)、先進(jìn)的控制方法以及先進(jìn)的決策支持系統(tǒng)等的應(yīng)用，實現(xiàn)電網(wǎng)的可靠、安全、經(jīng)濟、高效、環(huán)境友好和使用安全的目標(biāo)，其主要特征包括自愈、抵御攻擊、提供滿足21世紀(jì)用戶需求的電能質(zhì)量、容許各種不同發(fā)電形式的接入、以及資產(chǎn)的優(yōu)化高效運行。

隨著社會對環(huán)境保護(hù)、節(jié)能減排和可持續(xù)性發(fā)展的要求日益提高，環(huán)境友好型電源如風(fēng)電、太陽能發(fā)電和先進(jìn)的電池系統(tǒng)將在智能電網(wǎng)中發(fā)揮重要的作用。風(fēng)力發(fā)電清潔無污染、施工周期短、投資靈活、建設(shè)周期短、占地面積少、技術(shù)進(jìn)步快、經(jīng)濟性優(yōu)于煤電[1]，具有較好的經(jīng)濟效益和社會效益，是智能電網(wǎng)不可或缺的能源利用形式。但是，由于風(fēng)電具有的隨機性、波動性以及不可控性，使得風(fēng)電的出力波動極大。隨著風(fēng)能的進(jìn)一步開發(fā)，當(dāng)風(fēng)電的容量占到電網(wǎng)總?cè)萘恳欢ū壤龝r，這種波動會對電網(wǎng)造成不良影響[2-3]。為了消除大規(guī)模開發(fā)風(fēng)電對電網(wǎng)的影響，國內(nèi)外提出了多種能源互補系統(tǒng)，如風(fēng)電—水電互補系統(tǒng)[4-5]、風(fēng)電—太陽能發(fā)電互補系統(tǒng)[6]和風(fēng)電—高溫燃料電池發(fā)電互補系統(tǒng)[7]等。

本文提出了一種把風(fēng)電以微網(wǎng)的形式并入智能電網(wǎng)的策略，微網(wǎng)的控制中心結(jié)合多種微電源如微型燃?xì)廨啓C、燃料電池等對風(fēng)電的功率波動進(jìn)行補償控制，實現(xiàn)對智能電網(wǎng)用戶的安全可靠供電。在Matlab/Simulink的環(huán)境下進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果證明了所提出方法的可行性和有效性。

2 風(fēng)電出力的隨機性

2.1 風(fēng)速的數(shù)學(xué)模型

風(fēng)速具有隨機性和間歇性的特點，風(fēng)速模型采用基于四分量疊加法的模擬風(fēng)速模型：

式中，v是模擬風(fēng)速，v0是起始風(fēng)速，vramp是漸變風(fēng)速，vgust是陣風(fēng)，vturbulence是隨機擾動風(fēng)。

（1）基本風(fēng)。基本風(fēng)反映了風(fēng)電場平均風(fēng)速的變化，可根據(jù)風(fēng)電場測風(fēng)所得的實際數(shù)據(jù)采用極大似然法來確定Weibull分布函數(shù)[8]，并由此計算基本風(fēng)v0。

（2）陣風(fēng)。陣風(fēng)用來模擬風(fēng)速突然變化的特性，其表達(dá)式為

式中，Gmax為陣風(fēng)峰值，Tg為陣風(fēng)周期；Ts為陣風(fēng)開始時間。

（3）漸變風(fēng)。用漸變風(fēng)來模擬風(fēng)速的漸變特性，其表達(dá)式為

式中，Rmax為漸變風(fēng)最大值；Tr1為漸變風(fēng)開始時間；Tr2為風(fēng)速漸變結(jié)束的時間；Tr為漸變風(fēng)保持時間。

（4）隨機風(fēng)。為描述風(fēng)速變化的隨機特性，可用隨機噪聲風(fēng)速來模擬，其表達(dá)式為

式中，iω是第i個分量的角頻率；Δω為隨機分量的離散間距；iφ為在0～2π之間服從均勻概率分布的隨機變量；Sv(ωi)為i個隨機分量的振幅。

2.2 風(fēng)電機組輸出功率隨風(fēng)速的變化

由于風(fēng)速的隨機性，風(fēng)力發(fā)電機組的出力是一個與風(fēng)速有關(guān)的隨機變量，當(dāng)風(fēng)速低于切入風(fēng)速或者高于切出風(fēng)速時，風(fēng)力發(fā)電機組會停止運行，此時輸出功率為0，在忽略影響風(fēng)力發(fā)電機組出力的非線性因素的情況下，特定風(fēng)速下的風(fēng)電機組可用以下分段函數(shù)表示

式中，v為風(fēng)電機組輪最高度處的風(fēng)速；vin為切人風(fēng)速；vout為切出風(fēng)速；vn為額定風(fēng)速；nP為風(fēng)電機組額定輸出功率。風(fēng)力發(fā)電機組的發(fā)電功率與風(fēng)速間的關(guān)系曲線如圖1所示。

風(fēng)力發(fā)電機的輸出功率隨風(fēng)速的變化如圖2所示，在0～350s之間，風(fēng)速在額定風(fēng)速以下，風(fēng)力發(fā)電機輸出功率隨風(fēng)速變化，在350s附近時風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速，風(fēng)力發(fā)電機輸出功率達(dá)到額定功率，此時風(fēng)速逐漸增大，在槳距角控制下風(fēng)力發(fā)電機仍能保持額定功率。680s時，風(fēng)速下降到額定風(fēng)速以下，風(fēng)機出力又呈現(xiàn)波動特性。

圖1 風(fēng)電機組輸出功率與風(fēng)速的特性曲線

圖2 風(fēng)力發(fā)電機輸出功率隨風(fēng)速的變化

2.3 風(fēng)電功率波動對電網(wǎng)的影響

風(fēng)速的隨機性導(dǎo)致了風(fēng)機出力的隨機性。風(fēng)電作為系統(tǒng)的一個不穩(wěn)定的電源，它的并網(wǎng)與脫網(wǎng)是很難預(yù)測的，風(fēng)電的功率波動對電網(wǎng)的影響主要有以下方面：

（1）風(fēng)電的功率波動對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響。風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)穩(wěn)定性的主要威脅是風(fēng)速的波動性和隨機性引起風(fēng)電場出力隨時間變化且難以準(zhǔn)確預(yù)測，而導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電接入系統(tǒng)時潛在的安全隱患。

（2）風(fēng)電的功率波動對電網(wǎng)頻率的影響。當(dāng)風(fēng)電容量在系統(tǒng)中所占的比例較大時，其輸出功率的隨機波動性對電網(wǎng)頻率的影響就是顯著的，影響了電網(wǎng)的電能質(zhì)量和一些頻率敏感符合的正常工作。這就要求電網(wǎng)中其他常規(guī)機組有較高的頻率響應(yīng)能力，能進(jìn)行跟蹤調(diào)節(jié)，抑制頻率的波動。

（3）風(fēng)電的功率波動對電網(wǎng)電壓的影響。風(fēng)力發(fā)電出力隨風(fēng)速大小等因素而變化，同時由于風(fēng)力資源分布的限制，風(fēng)電場大多假設(shè)在電網(wǎng)的末端，網(wǎng)絡(luò)機構(gòu)比較薄弱（短路容量較小），所以在風(fēng)電場并網(wǎng)運行時必然會影響電網(wǎng)的電壓質(zhì)量和電壓的穩(wěn)定性。風(fēng)力發(fā)電對電網(wǎng)電壓的影響主要有電壓波動，電壓閃變，波形畸變（即諧波），電壓不平衡（即負(fù)序電壓），瞬態(tài)電壓波動（即電壓跌落和凹陷）等。

（4）風(fēng)電的功率波動對繼電保護(hù)的影響。風(fēng)力發(fā)電機組在有風(fēng)期間都是和電網(wǎng)相連的，當(dāng)風(fēng)速在啟動風(fēng)速附近變化時，為防止風(fēng)電機組頻繁投切對接觸器的損害，允許風(fēng)電機組短時電動機運行。此時會改變潮流的方向，給繼電保護(hù)裝置的配置帶來了難度。

由此可見，風(fēng)電接入電網(wǎng)，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性與電能質(zhì)量的影響是不可忽視的，這些問題處理不當(dāng)不僅會危害用戶的正常用電甚至還會造成整個電網(wǎng)的瓦解，而且也嚴(yán)重制約了風(fēng)能的有效利用，因此，智能電網(wǎng)對風(fēng)電的吸收急需一種安全有效的方式。

3 風(fēng)電以微網(wǎng)形式接入智能電網(wǎng)

微網(wǎng)[9-10]是一種由負(fù)荷和微電源（微網(wǎng)中的分布式電源）及儲能裝置共同組成的有機系統(tǒng)。采用微網(wǎng)技術(shù)可整合多種形式的分布式電源，并考慮當(dāng)?shù)嘏潆娋W(wǎng)的特點，在一個局部區(qū)域內(nèi)直接將分布式電源、電力網(wǎng)絡(luò)和本地用戶有機地組合在一起。微網(wǎng)可以方便地實現(xiàn)（冷）熱電聯(lián)供[9-13]，并可以結(jié)合電蓄冷（熱）技術(shù)，緩解電網(wǎng)高峰用電壓力，實現(xiàn)用電的移峰填谷，優(yōu)化和提高能源利用效率，減輕能源動力系統(tǒng)對環(huán)境的影響，實現(xiàn)能源的梯級利用，為將來智能電網(wǎng)的實現(xiàn)提供必備的技術(shù)基礎(chǔ)[14]。

針對光伏發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)等微電源輸出功率具有波動性、隨機性、間歇性的特點，微網(wǎng)采用微燃機、燃料電池、儲能裝置等實現(xiàn)微網(wǎng)中的功率平衡調(diào)節(jié)，大大降低間歇式分布式電源對電網(wǎng)的影響，增強功率調(diào)節(jié)的可控性[15]。微網(wǎng)的控制中心對微網(wǎng)的運行狀態(tài)進(jìn)行跟蹤，并通過專門的快速通信網(wǎng)絡(luò)向各個微電源發(fā)出控制信號，各個微電源都服從統(tǒng)一調(diào)度、集中分配。圖1所示的微網(wǎng)結(jié)構(gòu)正是采用了這種控制模式。各個微電源及儲能裝置的響應(yīng)速度必須能夠確保微網(wǎng)的穩(wěn)定性要求。

圖3 微網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

風(fēng)電場出力隨著來流風(fēng)速的大小而波動，風(fēng)速大小波動變化的比較快速，其基頻大多在0.5～2Hz之間。為了使得互補發(fā)電設(shè)備的出力能夠及時賠償風(fēng)電場的出力波動，就要求微網(wǎng)中互補發(fā)電設(shè)備能夠快速起動和停機，以適應(yīng)來流風(fēng)速大小的自然變化。

燃?xì)廨啓C是以連續(xù)流動的氣體為工質(zhì)帶動葉輪高速旋轉(zhuǎn)，將燃料的能量轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ膬?nèi)燃式動力機械，是一種旋轉(zhuǎn)葉輪式熱力發(fā)動機。燃?xì)廨啓C發(fā)電機組能在無外界電源的情況下迅速起動，機動性好，在電網(wǎng)中用它帶動尖峰負(fù)荷和作為緊急備用，能較好地保障電網(wǎng)的安全運行，所以應(yīng)用廣泛。

燃料電池（Fuel Cell）是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。燃料電池高效率、無污染、建設(shè)周期短、易維護(hù)而且成本低，負(fù)荷響應(yīng)快，運行質(zhì)量高，燃料電池在數(shù)秒鐘內(nèi)就可以從最低功率變換到額定功率，燃料電池的這些特點使其能作為微網(wǎng)中一種重要的微電源，能對風(fēng)電等功率波動電源迅速做出反應(yīng)，保證微網(wǎng)中的功率平衡。

在微網(wǎng)中通過具有快速起停和快速負(fù)荷調(diào)節(jié)特性的燃?xì)廨啓C和燃料電池來補償風(fēng)電場出力的波動，使得整個系統(tǒng)的出力在一段時間內(nèi)有穩(wěn)定的輸出，克服僅僅由風(fēng)電場的出力波動對電網(wǎng)造成的不利影響，解決風(fēng)電對電網(wǎng)穩(wěn)定性所引起的技術(shù)問題，同時通過調(diào)節(jié)燃?xì)廨啓C和燃料電池的輸出，使得整個發(fā)電系統(tǒng)具有良好的可調(diào)度性。這一技術(shù)方案在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，對于風(fēng)電的大規(guī)模開發(fā)具有十分重要的意義。

4 仿真結(jié)果

本文對風(fēng)電以微網(wǎng)方式并入智能電網(wǎng)的策略進(jìn)行了仿真，微網(wǎng)中的微電源配置如表1所示，微網(wǎng)中有一臺10MW的風(fēng)力發(fā)電機，一臺10MW的微型燃?xì)廨啓C和一個容量為5MW的燃料電池。

表1 微網(wǎng)中的微電源配置

微網(wǎng)中微電源的功率輸出之和可表示為

式中，Pw為風(fēng)力發(fā)電機的功率輸出，gP為燃?xì)廨啓C的功率輸出，fP為燃料電池的功率輸出。

燃?xì)廨啓C容量大，但是反應(yīng)速度不如燃料電池快，而燃料電池容量小但是反應(yīng)速度快，因此，用燃?xì)廨啓C平抑陣風(fēng)引起的風(fēng)機功率波動，而用燃料電池平抑隨機風(fēng)引起風(fēng)機的功率波動。對正常情況和風(fēng)機切出兩種情況分別進(jìn)行了仿真。

（1）風(fēng)力發(fā)電機正常運行

風(fēng)電正常運行時的風(fēng)速以及風(fēng)機出力仍如上文中如圖2所示，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速但是不超過切出風(fēng)速時，風(fēng)機出力為額定功率。由于風(fēng)機出力的隨機性，為達(dá)到微網(wǎng)中功率的穩(wěn)定輸出，微型燃?xì)廨啓C和燃料電池必須配合風(fēng)機出力，圖4為配合風(fēng)機出力的燃?xì)廨啓C及燃料電池配合風(fēng)電的出力，由圖可見，燃?xì)廨啓C平抑功率波動較大的部分，而燃?xì)廨啓C平抑功率波動較小的部分。圖5為風(fēng)力發(fā)電機、燃?xì)廨啓C和燃料電池總出力，由圖可見，風(fēng)力發(fā)電機功率的波動性被很好的抑制了。

圖4 正常情況下燃?xì)廨啓C及燃料電池出力

圖5 風(fēng)力發(fā)電機、燃?xì)廨啓C和燃料電池總出力

（2）風(fēng)機切除情況下的仿真

如圖6所示，風(fēng)速在300s以后持續(xù)下降，并在720s時降低為切入風(fēng)速以下，風(fēng)機停機，此時，必須由燃?xì)廨啓C和燃料電池聯(lián)合出力，才能補償由于風(fēng)機切出帶來的功率損失，圖7為風(fēng)機切出前后燃?xì)廨啓C以及燃料電池的出力。圖8為風(fēng)機切出前后微網(wǎng)的總出力，由圖可知，風(fēng)機的意外切出并沒有帶來巨大的功率波動，對配電網(wǎng)的安全運行提供了保證。

圖6 風(fēng)力發(fā)電機切出情況下風(fēng)速及風(fēng)力發(fā)電機出力

圖7 風(fēng)力發(fā)電機切出情況下燃?xì)廨啓C及燃料電池出力

圖8 風(fēng)力發(fā)電機切出情況下風(fēng)力發(fā)電機、燃?xì)廨啓C和燃料電池總出力

5 結(jié)論

風(fēng)電并入智能電網(wǎng)后，其功率的波動性可能給智能電網(wǎng)的安全運行帶來不良影響，本文提出了一種把風(fēng)電以微網(wǎng)形式并入智能電網(wǎng)的策略，仿真結(jié)果表明，在風(fēng)電正常運行和意外切出情況下，可以很好的平抑功率的波動性，為智能電網(wǎng)的安全運行提供保證。

[1] 施鵬飛.從世界發(fā)展趨勢展望我國風(fēng)力發(fā)電前景[J].中國電力,2003,36(9):54-62.

[2] P Gardner,H Snodin,A Higgins,S McGoldrick.The impacts of increased levels of wind penetration on the electricity systems of the Republic of Ireland and Northern Ireland: Final Report[R].Garrad Hassan and Partners Limited. 2003:1-39.

[3] S. Neris,N.A. Vovos,G.B.Giannakopoulos.A variable speed wind energy conversion scheme for connection to weak ac systems[J]. IEEE Trans on Energy Conv,1999,14(1): 122-127.

[4] O.A. Jaramillo,M.A. Borja, J.M. Huacuz. Using hydropower to complement wind energy: a hybrid system to provide firm power.Renewable Energy[J].2004,29: 1887-1909.

[5] George C.Bakos.Feasibility study of a hybrid wind/hydro power-system for low-cost electricity production[J]. Applied Energy,2002,72:599-608.

[6] vFrancois Giraud.Analysis of a utility-interactive windphotovoltaic hybrid system with battery storage using neural network[D].Doctor dissertation. University of Massachusetts Lowell,1999.

[7] M.T. Iqbal. Modeling and control of a wind fuel cell hybrid energy system [J]. Renewable Energy,2003,28(2): 223-237.

[8] Larsson A. Flicker emission of wind turbine caused by switching operations[J]. IEEE Trans on Energy Conversion, 2002,17(1):119-123.

[9] LASSETER B.Microgrids [distributed power generation][C]. Proceedings of the IEEE Power Engineering Society Winter Meeting: Vol1,January 28-February1,2001,Columbus, OH,USA:146-149.

[10] LASSETER RH.MicroGrids[C].Proceedings of the IEEE Power Engineering Society Winter Meeting:Vol1,January27-31,2002,New York,NY,USA:305-308.

[11] MARNAY C, VENKATARAMANAN G, STADLER M,et al.Optimal technology selection and operation of commercial building microgrids[J].IEEE Trans on Power Systems,2008,23(3):975-982.

[12] MARNAY C,ASANO H,PAPATHANASSIOU S,et al.Policy making for microgrids.IEEE Power and Energy Magazine,2008,6(3):66-77.

[13] BURGIO A,MENNITI D,PINNARELLI A,et al. The reliability studies of a novel integrated configuration for Micro2 Grids[J]. Proceedings of the Third International Conference on Electric Utility Deregulation and Restructuring and Power Technologies,April 6-9,2008,Nanjing,China:2634-2639.

[14] 余貽鑫,欒文鵬.智能電網(wǎng).電網(wǎng)與清潔能源,2009,25(1):7-11.

[15] PIAGI P,LASSETER R H.Autonomous control of Microgrids[J].Proceedings of the IEEE Power Engineering Society General Meeting,June 18-22,2006, Montreal, Canada:8p.