試論風力發電新技術及并網穩定問題

杜春寶，成明明

（國家電投集團河北電力有限公司張家口分公司，河北 張家口 075000）

風力發電是近年發展非常迅速的清潔能源，有著比太陽能高50%效率的優勢。風力發電開始于20世紀70年代的丹麥，經過幾十年的發展，已經從丹麥逐漸地發展到了整個歐盟同時也成為了重要的清潔能源。因為我國的能源結構特征方面的原因導致風力發電在我國起步比較晚的同時，還扮演著調節者的角色，還無法將其視作主要能源。因此，為了強化風電在我國的應用，增加其在我國能源供給中的占比，對其涉及到的新技術以及并網后對我國電網的影響進行研究是非常必要的。

1 風力發電新技術

1.1 氣動風輪建模

氣動風輪的機械功率共有葉片元素動量算法和功率系數算法兩種計算方式，使用葉片元素動量算法需要掌握氣動風輪葉片上的空氣動力數據，使用功率系數算法需要掌握氣動風輪的功率系數曲線，功率系數曲線通常都由生產廠商提供。該曲線的表現形式通常為Cp（λ,β），λ和β分別代表葉尖速比以及槳距角。另外通過葉片元素動量也能夠得到功率系數曲線。葉片元素動量算法以及功率系數算法都屬于靜態算法，在氣動風輪高速變槳時的計算精度會有所下降，因此為了提高這兩種算法的精度需采用相應的動態模型。另外，如果風電機組使用的是變速風輪，還應考慮風速的影響并用區間法建立氣動風輪模型。

1.2 軸系建模技術

軸系將風電機組的各個部分連接，其中風輪側的軸系轉矩為Tm，在發電機側的軸系轉距為Te，因軸系關系到風力發電系統是否能夠穩定運行，因此在研究整個發電系統之前，必須對軸系進行明確。軸系可依據剛度進行分類，共有兩質量塊模型和集總質量模型，其中兩質量塊模型在風電機組的研究中使用較多，這種模型精度比較高但是特別復雜，而且數量也特別多，因此如果軸系剛度足夠也可以使用集中質量模型。軸系感應電機模型共有三種，分別為8階、5階和3階。其中8階最為精確，但是計算的難度非常高，5階的計算難度適中，雖然精度不如8階但是應用較為廣泛，3階使用的是接近值算法，在對精度要求不是非常嚴格的時候會使用。

1.3 大型風電場建模

在大型風電場的建模中通常會使用詳細模型或者是綜合模型，使用哪個模型要以具體研究的焦點為準，如果對大型風電場和電網故障的關系進行研究可以使用綜合模型，它的好處就是模型簡單，相應的計算過程并不復雜，不需要投入過多的時間，缺點是計算結果的準確程度可能會有所降低，因此如果使用綜合模型，必須盡量提升計算結果的準確性。

為了更好地分析大型風電場介入電網時的穩定性，還可以使用等值建模，使用的方式有一臺風機和一臺發電機與多臺風機和一臺發電機以及多臺風機和多臺發電機之間的關系，等值的具體過程如下：首先，構建兩臺風機間的出力關系，并分析兩臺風機在一起的時候具體的出力效果，進而分析風機出力和電機間的具體聯系。其次，如果確定了風機對發電機的影響，就可以通過一對一、多對一以及多對多的方式進行等值建模，接下來就可以對風電場結網點的穩定性進行分析。

1.4 風電接入電網

風電接入電網的方式特別重要，如果選擇的方式有誤，那么將會對穩定性造成嚴重的影響，而選擇接入電網的方法都要從容量、輸電距離、電壓、成本等方面做綜合考慮。一般大型風電場和風電站之間的距離都在100km以上，因此從風電場傳輸出來的電力會有很大損耗，所以風電場中同行都會使用高壓供電的方式來減少傳輸過程中產生的損耗。風電場使用的高壓供電共有兩種，分別為高壓直流電和高壓交流電，其中高壓直流電分為了電流源型和電壓源型兩種。

高壓直流電的缺點是控制系統太過復雜，因此穩定性會有所降低；功率變換器會受距離影響且成本較高。高壓交流電的優點是投資成本低，雖然其輸電成本要高于高壓直流電，但是從整體的效率來看，高壓交流電要比高壓直流電更有優勢。例如有一座風電場其容量為500MW，輸電距離為100km，其高壓直流電的換流器損耗在6%到10%之間，真實效率在90%以下，高壓交流電的效率為92%。但是高壓交流電受距離的影響較為明顯，隨著輸電線路的增加，其產生的無用功率也更多，這樣在長距離輸電以后真實功率會降低很多。

另外，高壓交流電會在電纜上出現過電壓，這樣當給電和斷電時，電纜面臨的風險比較大，特別是當電纜比價弱的時候風險更大，因此如果輸電距離大于200km，通常都會使用高壓直流電。傳統的風電場高壓直流電使用的是晶管相控換流技術，通常情況下這種技術會在1000MW以上的遠距離輸電中使用，在接入電網的時候要通過換流變壓器進行連接，為了減少無功損耗，通常都會選擇使用電容器或者是調相機。

電壓源型的高壓直流電以絕緣柵雙極型晶體管為基礎，使用的是脈沖寬度調制，這種類型的高壓直流電不僅可以控制高壓電壓，還可以控制有功和無管控，其連接電網的時候使用小型電抗器，其中小容量在供電時會經常被使用。但是電壓源型高壓直流電存在高頻開關損耗、高頻震蕩等方面的缺陷，因此對高壓直流和高壓交流進行綜合考慮，可使用低頻交流輸電技術，這種輸電技術不僅具備高壓直流和高壓交流的優點，同時也完美地避免了二者的缺陷。

2 風電對電網穩定性的影響

2.1 功角

對功角進行觀察，是判斷風電接入電網之后對電網穩定性造成影響的重要標志。因風電的感應發電機存在功率變化，并且其和電網頻率會彼此聯合在一起，因此功角的變化并不是非常明顯。通常情況下，對功角造成影響的有風電機組的類型及其所介入電網類型，經過研究發現，如果電網承受的發電壓力比較高，且有很多的發電機組，那么風電接入時基本不會對其造成影響；如果接入電網比較分散、每個位置接入的風電容量也不是很高也不會對電網造成影響，如果風電接入電網的位置處于最大負荷點，那么此時電網的穩定性最高。

2.2 頻率

頻率指的是風電在接入電網后對電網穩定性造成影響時的系統頻率，此時將頻率鎖定在一定的范圍內非常重要，并且系統頻率會因為風電機組的變化而變化。如果風電機組發生了故障，同時因為故障的原因而無法停止其功能，此時，系統的有功缺額就會出現，如果此時系統無法再繼續聽有功支持，頻率就會出現一定變化。

從另一方面看，由于風電是無序變化的，那么保持運行的穩定也相對比較困難，此時，風能預測就顯得尤為重要，同時利用加熱泵對風電的不確定性進行調節，提升系統的穩定性。另外有研究也發現，風電的電壓發生變化也會對接入點的頻率產生較大影響，但這個影響是局部的。

2.3 電壓

當大型風電接入電網時，電壓對電網穩定性造成的影響也比較明顯，其中電力系統靜態穩定器以及自動電壓調節的作用非常重要。通過靜態穩定器以及自動電壓調節并使用高壓直流或者高壓交流的方式接入電網，可以使雙饋感應風電機組向電網發出一定的無功，這樣風電機組和電網發電機組就具備了同樣的特性，也就能將電壓控制在一定范圍內，如果同時結合動態無功補償，對電壓的控制將更為理想。

另外，高壓交流電在接入電網時會出現電壓方面問題，此時對電壓穩定性將造成非常嚴重的影響，因此我國也對電網規范做了更改，這樣風電機組就可以幫助因為意外而出現電壓跌落的電網恢復正常。通常情況下，導致電壓波動的主要原因都為風速，而且這個波動的大小和風電的容量關系密切，如果風電的容量很大，那么風速變化對電壓造成的影響就很小，反之則會對電壓造成比較大的影響。

3 結語

綜上所述，風能是非常優秀的可再生能源，風力發電在全世界都受到了非常廣泛的關注，但是利用風力發電也有比較多的技術難題。本文對風力發電新技術以及并網時風電對電網穩定性的影響，旨在通過本次分析強化對風電的利用，進而使我國在發展的同時減輕對環境造成破壞，從而真正實現可持續性的發展。