風電穿透功率及風電最大可接入容量分析

雷 鈞

(山西省機電設計研究院有限公司,山西 太原 030009)

0 引言

近年來，化石能源將要面臨的短缺危機與其燃燒產生的溫室氣體造成的環境惡化不斷刺激著人們加大對可再生能源的開發與利用。風電是一種清潔的可再生能源,隨著風電技術的進步與日益下降的建造成本，其獲得了非常快的發展。但是，風電是不穩定的，由于風速時時刻刻都在變化，有的時候無法達到最低轉速條件而無法發電；而有的時候會出現突然的風速上升，觀察發現，雖然這種突然的迸發持續時間不超過20 s，但最高風速最少能達到29.632 km/h，峰谷風速差最少16.668 km/h[1]。風速的不斷變化造成風力發電機的輸出有功功率不斷變化,目前風電的裝機容量越來越大，如果將其并入電網，其出力的不斷變化可能會給電網的穩定性和可靠性帶來巨大的挑戰,并且接入的風電容量越高，給系統造成的安全隱患就越大[2]。因此，我們需要對一個電力系統能夠承受的風電容量進行評估。

1 風電穿透功率與風電最大可接入容量

風電穿透功率指電力系統(以下簡稱系統)中的風電裝機容量占系統總負荷的比例，學術界用風電穿透功率來表示風電接入容量與系統負荷之比，那么風電穿透功率極限就是風電最大裝機容量占系統總負荷的比例[3]，即：

(1)

因此分析系統的風電穿透功率極限也就是分析風電最大可接入容量。

2 風電穿透功率對電力系統的影響

風電對系統的影響可分為兩類：①對當地的影響，指發生在風電場附近的，比如風電機所在支路的潮流、節點電壓、保護策略、故障電流和諧波等；②對于廣泛系統的影響，這種影響是大范圍的，由風電接入電網造成的，也是與風電穿透功率密切相關的，風電穿透功率不同，風電接入容量的大小不同，對電網的影響也不同，主要包括對動態和穩定性、無功功率發生、電壓控制、頻率控制、傳統發電方式的調度等的影響[4]，尤其是對頻率穩定性和電壓穩定性的影響。

2.1 風電穿透功率對頻率穩定性的影響

風力發電由兩個基本過程組成,首先由轉子吸取風中的動能，將其轉變成機械轉矩;然后由發電系統將機械轉矩轉變成電能,風力發電機與電網連接，從而將發出的能量傳遞給電網中的負載。

風力發電機本身與傳統的同步發電機不同，它與電網不同步，與系統的頻率是不耦合的[5]。但是，為了讓風力發電機與電網同步，會使用鎖相環。如果電網中出現擾動，鎖相環能夠不受電網中擾動的影響，快速地度過暫態過程，讓風力發電機正常運行。但是，這也會給發電機本身帶來弊端。對于由普通的同步發電機和負荷組成的系統來說，如果負荷增加，或發電量減少，系統的頻率將會降低。同時，由于普通的同步發電機的頻率與電網存在耦合關系，電網頻率由于發電量小于需求而會降低，發電機的轉速也會降低。因此發電機轉子動能減小，減小的這部分動能將轉變為電能輸送到電網中，幫助電網恢復頻率的穩定,這個過程被稱為慣性響應。但是，使用鎖相環的風力發電機完全沒有這個過程，當電力系統中接入的風電機越來越多時，系統的慣性響應能力越來越弱，遇到擾動造成頻率的變化時，將很難恢復。因此，有風力發電機接入的電力系統允許工作的頻率范圍比傳統發電機的頻率范圍要小。

暫態頻率的不穩定可能在幾秒鐘內造成系統斷電、低頻工作還有機械共振的危險。為了防止系統損壞，系統還配備有低頻繼電器，如果風力發電機頻率跳出了所規定的閾值范圍，就會被低頻繼電器切除，從而系統發出的有功功率減少，頻率進一步下降，引發更多的設備被切除，惡性循環可能讓系統崩潰。也就是說，設備的切除造成了暫態頻率不穩定。隨著風電穿透功率的不斷提高，慣性響應能力變弱，允許工作的頻率范圍變小。一旦頻率降低，風力發電機會比傳統發電機更早地被切除。如果風力發電機的切除造成的有功功率減少、頻率下降等惡果，導致更多的風力發電機或者傳統發電機被切除、暫態頻率不穩定，系統斷電就很有可能發生了。

為了改善頻率響應特性，可以安裝額外的儲能裝置，或者使用專門的閉環控制策略,這樣能夠快速改變有功功率的注入來減小頻率的改變。這種快速頻率響應措施又被稱為慣性仿真(IE),IE使用的能源通常來自于風力發電機中的儲能裝置，再通過閉環控制回路讓風力發電機在頻率發生變化的10 s內釋放能量，使頻率迅速恢復。

2.2 風電穿透功率對電壓穩定性的影響

當電力系統中負荷增大時，也有可能出現電壓降低的現象。電壓失穩與無功是密切相關的,風力發電機在發出有功功率的同時，也是個無功負荷，吸收無功功率。風電加入電網后，系統本身的擾動比起風力發電機由于風速的變化造成的出力變化來說已經很小，因此，風電的大規模并網，主要應該考慮的擾動是風力發電機本身的出力擾動。

當風電場輸出的有功功率上升時，它消耗的無功功率也增大,同時，線路消耗的無功也會增加。為了對無功進行補償，需要在發電機端并聯電容器。正常工作時，并聯電容器和線路發出的無功大于風電場和線路消耗的無功，風電場的電壓能夠保持穩定。如果風電場的出力上升，比如說出現如上文所說的風速迸發，風電場這些無功負荷增大，而大于并聯電容器所能提供的無功，因此風電場機端電壓降低。同時，機端并聯的電容器由于其兩端電壓降低，所發出的無功更加減少，造成更壞的結果。

由于雙饋感應電機效率高，因此是目前使用最廣泛的風力發電機，它能夠實現有功和無功的解耦控制，即可以讓風力發電機在發出有功功率的同時通過特定控制手段不消耗無功，這無疑是好的，有益于整個系統的電壓穩定。但是風電場出力大時，線路消耗的無功增大，也會引起風電場電壓的降低，造成電壓的不穩定,可以嘗試讓風力發電機發出一定量的無功對線路消耗的無功進行補償[6]。

3 風電穿透功率極限的評估

考慮到電網能夠承受的風電接入容量有限，需要對風電穿透功率極限進行評估。至今，學者們已經提出了很多計算穿透功率極限的方法。文獻[7]中提出，由于節點輸出的有功功率上升時電壓會下降，可以使用PV(P為風電場發電功率，V為母線電壓)曲線確定風電最大可接入容量。當風電輸出有功功率較低時，部分負荷需求被滿足，電壓將上升,但當風電場出力繼續增大，全部的負荷需求被滿足后，還有多余的有功功率將會導致電壓降低，吸收的無功功率也會增加,當電壓降低到崩潰電壓時，會造成電壓的不穩定。實際上，不可以把崩潰電壓作為臨界值，為了維持電壓穩定應該留有一部分預留電壓，國家標準將其規定為額定電壓的10%～15%。根據最低的電壓值找到PV曲線中對應的風電場發電功率，即可確定風電最大可接入容量。

在文獻[8]中提出，自然界的風速是不斷變化的，因此，風力發電機的輸出功率也在不斷發生變化，可以將風速視為隨機變量來考慮，根據風速與輸出功率的對應關系得到表示輸出功率的隨機變量。假設風速服從Weibull分布，而負荷服從正態分布，求出表示風速、風電裝機容量、傳統發電機裝機容量、負荷功率的表達式，用蒙特卡洛方法得到滿足約束條件的概率，根據所要求的置信程度確定風電裝機容量。

在文獻[9]中提出，為了保持頻率穩定對風電穿透功率的限制，需要研究單位有功出力的變化是如何影響頻率變化的。風電場發出的功率并不是全部都有用，有些要被濾掉，因此產生了濾波效率μW。功率變化引起的頻率波動應該有閾值，設頻率在這個閾值內變化所對應的功率的變化量為Pfreq_lim。風電穿透功率又可近似表示為風力接入容量與所有發電容量的比值，用μfreq_lim來表示Pfreq_lim與除了風電外其他發電方式容量之比，其物理意義是表示其他發電方式承受的功率波動。經過推導，可以得到風電穿透功率的表達式：

(2)

文獻[10]給出了同時考慮電壓和頻率約束的風電穿透功率極限計算方法，即在電壓和頻率變化范圍的兩個約束條件下，優化搜尋風電功率的最大值，其數學模型為：

maxF(p)=p.

(3)

(4)

其中：p為風電場容量；u(p)為系統節點電壓標幺值；f(p)為系統節點頻率標幺值；umin、umax分別為系統節點電壓標幺值的上、下限；fmin、fmax分別為系統節點頻率標幺值的上、下限。

這個系統數學模型涉及沒有風電場時和加入風電場后的變化，因此進行變換后為：

maxg(p)=xu(p)+xf(p).

(5)

(6)

其中：xu(p)、xf(p)分別為系統電壓、頻率可能越限的程度，當其值為1時相應的電壓或頻率達到約束條件的邊界值；um(p)為系統節點電壓所能達到的最值；u0為系統節點電壓的邊界值；um(0)為系統沒有接入風電場時電壓能達到的最值；fm(p)為系統節點頻率所能達到的最值;fm(0)為系統沒有接入風電場時頻率能達到的最值；f0為系統節點頻率的邊界值。

公式(6)的求解方法是在將約束條件展開近似成泰勒二次展開式后，先對沒有接入風電場的系統進行仿真，然后對于某次迭代的接入功率進行仿真，直到滿足收斂條件，得到近似的系統所能承受的風電功率最大值。

4 結語

風電出力的不穩定性會給電力系統造成巨大的挑戰，因此風電并網的容量有一個限度，不能超出電力系統的承受范圍。本文分析了風電對系統的影響，將影響分為兩大類，一是對風電機及其附近設備的影響，二是對廣泛系統的影響；指出風電對廣泛系統的影響與本文研究的風電穿透功率十分密切，并在頻率和電壓穩定性上分析了風電穿透功率是如何影響廣泛系統的。在頻率穩定性方面，如果用風電機代替傳統發電機，會大大削弱系統的慣性響應能力，從而使得系統發生功率的變化而導致頻率變化時難以復原。由于風電的加入，系統的工作頻率范圍變小，更容易出現超出頻率范圍閾值而切除發電機的情況，易引發惡性循環造成系統崩潰。可在風電機安裝儲能裝置和閉環控制單元來對發生波動的功率進行調節，以改善功率波動的問題。在電壓穩定性方面，主要分析了風電機出力的增大造成風電機本身及等效線路消耗的無功功率增大，從而產生較大壓降。提出控制DFIG發出一定量無功，進行無功補償，以改善無功消耗增大的問題。最后總結了風電穿透功率極限評估的方法，從電壓和頻率的變化范圍兩個限制方面來考慮，在這兩種約束條件下，迭代找出風電并網功率最大值。