關于風電并網的功率補償問題探討

張 明

（山西省電力公司太原供電分公司，山西 太原 030012）

關于風電并網的功率補償問題探討

張 明

（山西省電力公司太原供電分公司，山西 太原 030012）

由于目前風電并網比較困難，風電的發展受到極大的制約，其主要原因是風電的供電質量波動性非常大，其電壓和頻率很難滿足電力系統的可靠性要求?；跉淠芸梢栽O計一種功率補償系統，而通過功率補償系統調節后，可以大大提高風電的穩定性，從而使風電的電能質量達到并網要求，以實現風電并網發電。

風電；氫能；功率補償；并網發電；穩定性

截至2010年底，我國全年風力發電新增裝機達1 600萬kW，累計裝機容量達到4 182.7萬kW，首次超過美國，躍居世界第一。可是并網難的問題一直困擾著風電事業的長期發展，并對風電的經濟效益產生了嚴重的影響，所以文章就風電電網系統的不穩定性進行分析，擬采用一種基于氫循環系統的功率補償方案，使風電電網的供電質量大大提高，以至于實現風電的并網，解決風電的入網難問題。

1 風電的穩定性分析

風電是一種很好的綠色能源?？墒且驗轱L能的不確定性，導致風電的電壓、頻率極其的不穩定，雖然已經在系統中應用了“交—直—交”（即把交流電變成直流，再變成交流的解決方案）系統來對電壓和頻率進行調節，但是對發電機的輸出功率的大小是無法進行調節的，因為風場的風力資源是不穩定的，其時有時無且時大時小，所以不可能對發電機的發出功率進行有效的控制，從而導致風電的電網系統無法給用戶提供穩定可靠的電源，而用戶負荷變動時的調節能力就更沒有了，這極大地限制了風電的發展及應用。而在“交—直—交”系統中的蓄電池對功率的調節有一定的緩沖作用，但因其電池容量非常的有限，還有充電電流及放電深度的限制影響，使得它的調節作用十分有限。

而電網要求具有很高的供電可靠性及供電質量要求，就目前的風電特性是難以滿足電網要求的，這就是風電入網難的問題所在。

2 功率補償系統

那么，怎樣解決電網的這一難題呢？

根據能量守恒定律知道，當電網參數一定時，只要發電機的輸出功率和系統負荷功率相等，那么電網的電壓和頻率就是一定的，即只要保證WG=W負荷+WX恒成立（其中WG為發電機輸出功率；W負荷為系統負荷功率；WX為補償系統發出的功率，由氫能循環系統提供），就能保證電網的電壓和頻率的穩定。所以，工作人員可以給風電電網提供一個功率補償，來使電網的電能質量達到要求。補償系統組成原理見圖1。

圖1 功率補償示意圖

圖2 氫能循環系統原理

在電網的實際運行中，WG和W負荷都是隨機變化的，這就要求WX也具有動態的功率特性，并且是隨電網運行參數同步調節的。當風力資源豐富時，發電機輸出的WG大于電網的基本負荷，或W負荷日負荷曲線處于低谷時，這時WX為正，具有負荷特性，此時消耗功率（并不是純電阻性質的功率消耗，而是把電能轉化成其他形式的能量進行儲存）是W負荷的一部分；當WG較小時，或W負荷大于WG時，WX為負，具有發電機特性，此時向電網提供功率，可算做WG的一部分。這樣，就能使得等式WG=W負荷+WX恒成立，使電網參數得到穩定，從而為風電并網提供條件。

3 氫能循環系統概述

見圖2，該循環系統主要是由電解池和氫燃料電池原理組成的。電解池的作用是充當電網的負荷元件，當WX為正時其投入工作，用于平衡電源測的功率；氫燃料電池是電源元件，可以在電源功率不足或退出運行時充當電網電源，即在WX為負時投入工作。這樣，工作人員就可以把不穩定的風電資源先轉化成氫氣，再根據系統需要，把氫能轉化成電能，從而完成對電力系統的功率補償。

那么，怎么判斷要投入工作的是電解池還是燃料電池呢？這部分的工作可以靠現在的數字智能控制系統來實現。

氫循環系統的技術原理及特性：系統中的主要部件是電解池和燃料電池。利用富余的電能把水電解成氫氣，在電能不足時又用燃料電池將氫氣變成水，從而實現水和氫氣之間的循環，同時實現對電網的功率補償。

電解池所用的電解液采用硫酸鈉溶液。硫酸鈉是強電解質鹽，其無毒且幾乎沒有腐蝕性，對設備和環境都非常好，且價格便宜。這樣，電解過程中在炭電極上就只生成氫氣和氧氣，不會造成環境污染。

燃料電池這種重要的新型發電方式可以大大降低空氣污染及解決電力供應、電網調峰問題，2 MW、4.5 MW、11 MW成套燃料電池發電設備已進入商業化生產，各等級的燃料電池發電廠相繼在一些發達國家建成。我國北京富原公司已能接受燃料電池訂貨，這為循環系統的推廣應用提供了有利條件。

不過，電解得到了氫氣，利用方式也就能夠多樣化，可以直接將氫氣用于燃氣輪機發電，或按一定比例混入天然氣管道輸送到城市利用，解決電網輸送難的問題。這樣氫循環系統的應用在技術上的限制就會小很多，可在很大程度上降低成本，有利于技術的設計及推廣。

4 系統運行及經濟性評價

氫循環功率補償系統原理見圖2。系統要對風力電網進行功率補償，那么系統特性受到哪些方面的制約呢？

在電網的運行中，要求數字智能控制系統具有很高的響應速度，同時電解池和燃料電池的調節比率和響應速度也是至關重要的。然而，因為電解池和燃料電池的組成原理和工作特性可以知道，它們在應響速度和功率容量上都是可以勝任的，可以通過多個單元并聯運行的方式得到想要的任何功率數值，同時工作可靠性也很高。

其實就氫能循環系統的功能而言，用蓄電池也是可以實現的，可是蓄電池用于該系統的最大缺點是充電容量有限，要靠蓄電池來組裝一個兆瓦級別的補償系統，其投資成本是現階段難以接受的，并且蓄電池維護工作也是很繁重的，而且各個電池組的工作壽命、動態工作特性也是很難滿足大容量運行要求的。

氫能循環系統還可以和抽水蓄能電站作比較。抽水蓄能電站的主要作用就是為電力系統提供功率補償，但是它的建造費用高，對環境的影響大，并且效率相對較低，而且受到我國南北水資源分布不均的影響，特別是將來核電等新能源電站的大量建設以后，在北方等少水地區用抽水蓄能電站來作為電力系統的功率補償就顯得不太現實了。并且為了盡量減少輸電線路的傳輸功率，以減小網損，采用就近補償原則也是受到限制的。

那么，采用氫循環的功率補償系統具有哪些優勢呢？①占地面積小，節約寶貴的土地資源；②建設安裝地點選擇靈活,可以根據電力系統的需要靈活設計安裝；③對環境可以做到零污染零排放、無噪聲；④系統組成模塊化、積木化程度高，運行可靠、效率高；⑤調節容量大，擴建、改造方便，能跟上電力系統的發展需要；⑥兼容性好，可以利用多種可燃物質，實現多種清潔能源混合發電。

5 發展前景

縱觀當今世界的能源格局，全世界都在積極發展諸如風能、太陽能、生物質能等形式的清潔能源，但是這些新能源都有著“不穩定”這一致命缺點。而目前我國的風電事業正深受并網難的困擾，一旦這一問題得以解決，將會給我們帶來巨大的經濟效益，同時也給其他的清潔能源的并網提供可能性，另外在氫能研究與應用領域也會使我國走在世界前列，為將來的國家發展增添動力，特別是為在氫動力這一領域的突破提供可能性，使汽車（3 kg氫氣能量可以使一般轎車行駛500 km）、飛機用上氫能，讓人們的生活更綠色、更環保，同時也更高效。

Study the Problem about the Power Com pensation of Grid Integation of W ind Power

Zhang Ming

Wind power development has been greatly restricted due to the current wind power grid is more difficult，the main reason is the quality of power supply fluctuations in wind power is very large，the voltage and frequency is difficult to meet the requirements of power system reliability.Hydrogen can be designed based on a power compensation system，and through the adjustment of power compensation system，can greatly improve the stability of wind power，in order to make wind power quality reach grid requirements，achieving wind power grid generation.

Wind power；Hydrogen；Power compensation；combined to the grid；stability

TM 614

A

1000-8136(2011)08-0034-02