概述风电并网的特点及问题

2011-2012学年第1学期课程名称：风电并网控制概述风电并网的特点及问题ABSTRACT:Sincethe1980s,windpowergridtypewithitsuniqueadvantagesofenergy,environmentalprotectionandscaleofbenefit,getrapiddevelopment.Duetothewindfarmisakindofdependsonnaturalenergyofthedispersionofasourceofpower,andnowisusedmostlyconstantspeedconstantfrequencyinductionwindpowersystems,theparalleloperationreducesthegridstabilityandpowerquality.Withtheconstantexpansionofwindpower,windpowercharacteristicsofthenegativeeffectofthegridmoresignificant,andconstrainswindfarmsoftheconstructionscaleseriousobstacle.Sofurtherresearchwindfarmstothegridinteractionbefurtherdevelopmentbypressingforwindpowertosolvetheproblems.Focusongridwindfarmsandthegridtheinteractionbetween,especiallyforstabilityofthesystemandtheinfluenceonthequalityofelectricpower,forlargewindfarmsintheparalleloperation,somebasictechnicalproblemisstudied.摘要：二十世纪八十年代以来，并网型风力发电以其独特的能源、环保优势和规模化效益，得到长足发展。由于风电场是一种依赖于自然能源的分散电源，同时目前大多采用恒速恒频异步风力发电系统，其并网运行降低了电网的稳定性和电能质量。随着风电场规模的不断扩大，风电特性对电网的负面影响愈加显著，成为制约风电场建设规模的严重障碍。因此深入研究风电场与电网的相互作用成为进一步开发风电所迫切要求解决的问题。着眼于并网风电场与电网之间的相互影响，特别是对系统稳定性以及电能质量的影响，对大型风电场并网运行中的一些基础性的技术问题进行了研究。关键词：风电场；并网；现状分析0引言二十世纪七十年代世界范围内的能源危机爆发后，环境污染和能源短缺成为现代文明社会的世纪性难题。人们的环保意识和危机感不断加强，各国政府纷纷制定自己的能源政策，给风能、太阳能、潮汐能、地热能等新能源带来了发展的契机。如今的风力发电正逐步走向规模化和产业化，大型并网风力发电场（简称风电场）成为风力发电的主流，风力发电在电网中的比例越来越大，成为除水力发电以外最成熟、最现实的一种清洁能源发电方式。1风电发展背景大力发展风力发电，对环境保护、节约能源以及生态平衡都有重要的意义。然而风力发电是一种特殊的电力，具有许多不同于常规能源发电的特点，风电场的并网运行对电网的电能质量、安全稳定等诸多方面带来负面的影响，随着风电场规模的不断扩大，风电特性对电网的影响也愈加显著，成为制约风电场容量和规模的严重障碍。因此，为了更加充分地利用可开发的风力资源，需要深入研究大规模风电场并网运行的技术问题，风力发电接入电网的分析对风电场的规划、设计和运行都有重要的意义。风力发电在我国有广阔的发展前景，主要原因有两个，一是我国风力资源丰富，具有开发风电的巨大潜力，二是来自国家政府部门的鼓励为我国的新能源发电点亮了绿灯。2风力发电的特点与所面临的问题由于扮能的特殊性,与常规的水火电系统相比风电系统具有很大的差别,风能的随机性风能也就是随机的和不可控制的。风力机转动惯量大，风能密度分布相对比较低,为了尽可能捕获较多的风能,风力机转动的叶片直径必须做的很大,显然,巨大的转子叶片的直径,必然使得风力机具有较大的转动惯量。。为了有效的转换风能,风力机转子由于受到风能转换效率理论极限值是的限制,叶尖速率比入不可能很大,风力机的转子转动的速度不会很高,与发电机转动的速度相差比较大,发电机与风力机之间不能直接相连,必须通过一定变比的升速齿轮箱进行传动。这样发电机与风力机之间的刚性度大大降低。换句话说,风力机和发电机两大系统之间是柔性连接的异步发电机。目前,大规模的风力发电系统一般采用异步发电机直接并网的运行方式。通常机端配备有补偿电容器组,以提供异步发电机在启动和运行时所需要的激磁无功。异步发电机的频率由大系统来决定,风能的变化将引起异步发电机转差的变化,相应地其注入电网的有功和吸收的无功也要随着风速的变化而变化,这将导致系统,特别是风电场附近电网母线电压的波动,严重时还可能引起电压闪变。随着电力电子的发展,新型的风力发电机可以选用变速恒频双馈异步发电机,则无须配备补偿电容器组。这种变速恒频双馈异步发电机不仅能发有功功率,而且还2能发无功功率,且能方便地调节有功功率和无功功率,使得风力发电系统具有较好的性能。风电场并网面临的一些技术问题随着风力发电规模的不断扩大,风力发电在电网中的比例越来越大,风电场的并网运行对电网的电能质量!安全稳定等诸多方面的负面影响也随着风电场规模的扩大变得愈加明显,成为制约风电场容量和规模的严重障碍。主要面临下面一些技术问题。（1）对电能质量的影响,风速变化湍流以及风力机尾流效应造成的紊流会引起风电功率的波动和风电机组的频繁启停风机的杆塔遮蔽效应使风电机组输出功率存在周期性的脉动功率的变化将会使电网频率在一定范围波动,影响电网中频率敏感负荷的正常工作风电功率的波动势必会引起电压的变化,主要表现为电压波动,电压闪变!电压跌落以及周期性电压脉动等。另外,风电机组中的电力电子控制装置如果设计不当,将会向电网注入谐波电流,引起电压波形发生不可接受的畸变,并可能引发由谐振带来的潜在问题。（2）对稳定性的影响降一方面,风力发电通常接入电网的末端,改变了配电网功率单向流动的特点,使潮流流向和分布发生改变,这在原有电网的规划和设计时是没有预先考虑的。因此,随着风电注入功率的增加,风电场附近局部电网的电压和联络线功率将会超出安全范围,严重时会导致电压崩溃。另外,由于采用异步发电机,变速恒频风电系统在向电网注入功率的同时需要从电网吸收大量的无功功率。因此,为了补偿风电场的无功,每台风力发电机都配有功率因数校正装置,目前常用的是分组投切的并联电容器。电容器的无功补偿量的大小与接入点电压的平方成正比,当系统电压水平较低时,并联电容器的无功补偿量迅速下降,导致风电场对电网的无功需求上升,进一步恶化电压水平,严重时会造成电压崩溃。另外,由于异步发电机的功率恢复特性,当电网发生短路故障时,若故障切除不及时,也将容易导致暂态电压失稳。另一方面,随着风电场规模的不断扩大,风电场在系统中所占的比例不断增加,风电输出的不稳定性对电网的功率冲击效应也不断增大,对系统稳定性的影响就更加显著,严重情况下,将会使系统失去动态稳定性,导致整个系统的瓦解。（3）并网过程对电网的冲击异步电机作为发电机运行时,没有独立的励磁装置,并网前发电机本身没有电压,因此并网时必然伴随一个过渡过程,流过一倍额定电流的冲击电流,一般经过几百毫秒后转入稳态。异步发电机并网时的冲击电流的大小,与并网时网络电压的大小!发电机的暂态电抗以及并网时的滑差有关。滑差越大则交流暂态衰减时间就越长,并网时冲击电流有效值也就越大。风力发电机组与大电网并联时,合闸瞬间的冲击电流对发电机及电网系统安全运行不会有太大影响。但对小容量的电网而言,风电场并网瞬间将会造成电网电压的大幅度下跌,从而影响接在同一电网上的其他电器设备的正常运行,甚至会影响到整个电网的稳定与安全。3并网型风力发电的特点风力发电有两种不同的类型，即：独立运行的。离网型。和接入电力系统运行的。并网型。。。离网型。的风力发电规模较小，通过蓄电池等储能装置或者与其他能源发电技术相结合（如风电/水电互补系统、风电——柴油机组联合供电系统）可以解决偏远地区的供电问题。。并网型。的风力发电是规模较大的风力发电场，容量大约为几兆瓦到几百兆瓦，由几十台甚至成百上千台风电机组构成。并网运行的风力发电场可以得到大电网的补偿和支撑，更加充分的开发可利用的风力资源，是国内外风力发电的主要发展方向。在日益开放的电力市场环境下，风力发电的成本也将不断降低，如果考虑到环境等因素带来的间接效益，则风电在经济上也具有很大的吸引力。并网运行的风力发电场之所以在全世界范围获得快速发展，除了能源和环保方面的优势外，还因为风电场本身具有下列优点：（1）建设工期短风电机组及其辅助设备具有模块化的特点，设计和安装简单，单台风机的运输及安装时间不超过三个月，一个10MW级的风电场建设工期不超过一年，而且安装一台即可投产一台。（2）实际占地面积小，对土地质量要求低风电场内设备建的筑面积仅约占风电场的1％，其余场地仍可供农、牧、渔使用。（3）运行管理自动化程度高，可做到无人值守另一方面，风力发电受到其一次能源——风能的限制。4风力发电并网运行的技术问题及研究现状3并网型风力发电机组可分为恒速恒频风力发电系统和变速恒频风力发电系统。目前国内外普遍使用的是水平轴、上风向、定桨距（或变桨距）风力机，其有效风速范围约为3~30m/s，额定风速一般设计为8~15m/s，风力机的额定转速大约为20~30转/分钟。变速恒频风力发电系统的发展依赖于大容量电力电子技术的成熟，从结构和运行方面可分为直接驱动的同步发电机系统和双馈感应发电机系统，在风力机直接驱动同步发电机构成的变速恒频发电系统中，风力机直接与发电机相连，不需要齿轮箱升速，发电机输出电压的频率随转速变化，通过交-直-交或交-交变频器与电网相联，在电网侧得到频率恒定的电压。双馈感应风力发电机组的基本结构包括绕线式异步发电机、变频器和控制环节，其定子绕组直接接入电网，转子采用三相对称绕组，经背靠背的双向电压源变频器与电网相连，给发电机提供交流励磁，励磁频率即为发电机的转差频率。变速恒频风力发电机组实现了发电机转速与电网频率的解耦，降低了风力发电与电网之间的相互影响，但是它结构复杂、成本高、技术难度大。至今仍不是风力发电设备的主流。但是随着电力电子技术的发展，变速恒频风力发电技术也将进一步成熟。特别是双馈感应发电机，不仅改善了风电机组的运行性能，而且大大降低了变频器的容量，将会成为今后风力发电设备的主要选择。系统中，一方面，风电机组直接与电网相耦合，风电的特性将直接对电网产生影响，另一方面，其发电设备为异步发电机，它的运行需要无功电源的支持，加重了电网的无功负担，使系统的潮流分布更加复杂。因此它的并网运行将给系统的规划、设计和运行带来许多不同于常规能源发电的新问题，随着风力发电规模的不断扩大，这些问题将愈加突出。针对恒速恒频风力发电系统，国内外学者和工程技术人员的研究与经验表明，风电场并入电网主要会面临以下一些技术问题：（1）对电能质量的影响风速变化、湍流以及风力机尾流效应造成的紊流会引起风电功率的波动和风电机组的频繁启停；风机的杆塔遮蔽效应使风电机组输出功率存在周期性的脉动。功率的变化将会使电网频率在一定范围波动，影响电网中频率敏感负荷的正常工作。风电功率的波动势必会引起电压的变化，主要表现为：电压波动，电压闪变、电压跌落以及周期性电压脉动等。另外，风电机组中的电力电子控制装置如果设计不当，将会向电网注入谐波电流，引起电压波形发生不可接受的畸变，并可能引发由谐振带来的潜在问题。（2）对稳定性的影响风力发电通常接入到电网的末端，改变了配电网功率单向流动的特点，使潮流流向和分布发生改变，这在原有电网的规划和设计时是没有预先考虑的。因此，随着风电注入