淺析風(fēng)電場接入電網(wǎng)對電力系統(tǒng)的影響

崔志飛 孫晨光 只群 王小宇

（國網(wǎng)天津東麗公司天津300300）

淺析風(fēng)電場接入電網(wǎng)對電力系統(tǒng)的影響

崔志飛 孫晨光 只群 王小宇

（國網(wǎng)天津東麗公司天津300300）

作為一種可再生能源，風(fēng)能的優(yōu)勢在于無污染且儲量大。在電力行業(yè)中，風(fēng)能已經(jīng)成為眾多可再生能源中發(fā)展速度最快和最具發(fā)展?jié)摿Φ哪茉?。然而，隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的成熟，風(fēng)力發(fā)電規(guī)模和容量越來越大，風(fēng)電場并網(wǎng)運行對電力系統(tǒng)的影響越來越顯著。因此，為了更好的應(yīng)用風(fēng)能發(fā)電，面臨的迫切問題是進一步分析大規(guī)模風(fēng)電場接入電網(wǎng)對系統(tǒng)的影響。本文主要以恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機為研究對象，基于MATLAB仿真平臺，對在風(fēng)速變化和無功補償設(shè)備投切條件下風(fēng)電場出口處電壓和功率特性進行了仿真分析，直觀的體現(xiàn)了風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)后對電力系統(tǒng)的影響。

風(fēng)力發(fā)電；MATLAB；電壓穩(wěn)定性

作為一種可再生能源，風(fēng)能的優(yōu)勢在于無污染且儲量大。相比于傳統(tǒng)發(fā)電方式，風(fēng)力發(fā)電幾乎不消耗任何資源，這就對改善我國工業(yè)結(jié)構(gòu)、減少污染物排放具有重大意義，而且對霧霾如此嚴(yán)重的今天尤顯重要[1]。因此，風(fēng)力發(fā)電已納入我國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展規(guī)劃。

隨著發(fā)電規(guī)模的不斷擴大，風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為電網(wǎng)電源中的重要組成部分。為了更加充分地利用可開發(fā)的風(fēng)力資源，需要深入研究大規(guī)模風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)后對電力系統(tǒng)的動態(tài)影響，這對于風(fēng)電場的規(guī)劃、設(shè)計和運行都有重要的意義。

1 國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外風(fēng)力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀

風(fēng)電產(chǎn)業(yè)最早于1990年起步，經(jīng)過二十多年的發(fā)展，全世界風(fēng)電裝機容量累計達(dá)到1.21×108kW，增長率約為42%。截止到2012年，風(fēng)電總量為2600×108kW·h，占全世界總量的1.5%。據(jù)統(tǒng)計，2012年各國風(fēng)電裝機容量方面，美國保持第一，中國第二，印度則超過德國排名第三，并且前三名國家合計新增裝機容量占全世界的60%。最近數(shù)年，美國又轉(zhuǎn)向研究其海上風(fēng)能資源，并已經(jīng)制定海上風(fēng)力發(fā)電計劃，開發(fā)海上風(fēng)力發(fā)電，風(fēng)能的應(yīng)用前景更加樂觀[2]。

盡管風(fēng)電的發(fā)展仍然存在著很多困難，如電網(wǎng)適應(yīng)能力、風(fēng)能資源、海上風(fēng)電發(fā)展等，但相比于常規(guī)能源，經(jīng)濟性優(yōu)勢逐步凸顯，世界各國都對風(fēng)電發(fā)展充滿了信心。

1.2 國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀

我國的風(fēng)力資源十分豐富，陸地風(fēng)能可開發(fā)量約253GW，僅次于美國和俄羅斯，居世界第三位;海上風(fēng)能資源更大，估計可開發(fā)量在750GW左右，兩者總計約1000GW[3]。

我國對風(fēng)能的利用起步于20世紀(jì)50年代后期，當(dāng)時在新疆等省建立了單臺容量在10kW以下的小型風(fēng)力發(fā)電場，但其后就處于停滯狀態(tài)。近代風(fēng)電發(fā)展開始于1986年，隨后我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，根據(jù)中國風(fēng)能協(xié)會發(fā)布的數(shù)據(jù)，2014年，我國新增風(fēng)電裝機量刷新歷史紀(jì)錄。據(jù)統(tǒng)計，全國(除臺灣地區(qū)外)新增裝機容量23196MW，同比增長44.2%;累計裝機容量114609MW，同比增長25.4%。按照國家“建設(shè)大基地，融入大電網(wǎng)”的風(fēng)電規(guī)劃構(gòu)想，我國風(fēng)電己進入大規(guī)模基地式集中開發(fā)階段[4]。

2 風(fēng)電場與其他常規(guī)能源電廠相比的主要特點

在運行方面風(fēng)電場與常規(guī)能源發(fā)電廠有多方面共性，但由于發(fā)電能源的特殊性，因此風(fēng)力發(fā)電與常規(guī)能源發(fā)電(比如火電、水電和核電)相比，基本區(qū)別有以下四點：(1)相對于常規(guī)能源發(fā)電，風(fēng)具有隨機性和間歇性，因此風(fēng)電場的有功輸出亦具有隨機性，大小取決于風(fēng)速的變比；(2)目前風(fēng)電機組廣泛使用異步發(fā)電機，在輸出有功的同時，發(fā)電機會從電網(wǎng)吸收無功;而常規(guī)能源使用的都是同步發(fā)電機組；(3)相對于常規(guī)能源機組，風(fēng)電機組的單機容量較小，一個風(fēng)電場通常由大量風(fēng)電機組并列運行。

綜上所述，風(fēng)力發(fā)電機的輸出具有波動性和間歇性，并且會從電網(wǎng)吸收無功功率，無功功率的需求量與有功功率輸出同步變化、同時進行。以上這些特性的影響與風(fēng)電場的容量大小有關(guān)，隨著風(fēng)電場容量在系統(tǒng)中所占比例的增加，這種影響也會越來越顯著。

3 風(fēng)電場對電力系統(tǒng)的主要影響

大自然中的風(fēng)是隨時變化的，當(dāng)風(fēng)速變化時，風(fēng)力發(fā)電機輸出的有功功率和吸收的無功功率同時發(fā)生變化，風(fēng)力發(fā)電機的這種動態(tài)過程也將會影響與之相連的電網(wǎng)，當(dāng)風(fēng)電場的規(guī)模較小時，這種影響的危害性不大，但是當(dāng)風(fēng)電場的容量發(fā)展到一定規(guī)模時，這種影響就可能導(dǎo)致電力系統(tǒng)的動態(tài)失穩(wěn)。以下應(yīng)用MATLAB中的仿真軟件，對恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運行進行仿真分析。

3.1 仿真系統(tǒng)描述

本文所用仿真系統(tǒng)的仿真圖如圖1所示，是一個典型的恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電廠接入無限大系統(tǒng)的例子。這個風(fēng)電場是由六臺風(fēng)電機組成的，每臺風(fēng)電機的容量為1.5MW，并接于35kV電網(wǎng)系統(tǒng)，之后由25km的聯(lián)絡(luò)線與110kV系統(tǒng)相連，將110kV以上的電壓等級的電網(wǎng)由等值電源與等值阻抗代替。

其中，風(fēng)電場的出口處裝有3Mvar的STATCOM，每兩臺風(fēng)機為一組，每組配備400kvar投切電容器，風(fēng)電機的運行條件為5m/ s～15m/s之間，風(fēng)電機的額定風(fēng)速為9m/s。

圖1 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 漸變風(fēng)下的系統(tǒng)仿真

設(shè)置風(fēng)速模型，使得0s～2s風(fēng)速為8m/s,從第二秒開始風(fēng)速漸變增大，5s時增大到11m/s，之后維持在11m/s，直至10s仿真結(jié)束。以下是風(fēng)電場電壓、有功功率、無功功率和風(fēng)速的變化情況。

型，N=3.0kW，連續(xù)運行。

（5）提升泵Ⅴ（中間水池→過濾器），二臺（一用一備），65WQ30-15-3型，N=3.0kW，連續(xù)運行。

（6）反沖洗泵（壓濾機→A/O池），一臺，80WQ32-15-3型，N= 3.0kW，連續(xù)運行。

（7）氣浮池全套設(shè)備，原有利用，連續(xù)運行。

（8）污泥處理系統(tǒng)，原有利用，間歇運行。

（9）加藥系統(tǒng)，原有利用，連續(xù)運行。

（10）鼓風(fēng)機（三葉式），兩臺（一用一備），SSR150，QS13.35m3/min，

△P53.9kPa，rpm970，N=22kW，連續(xù)運行。

（11）浮油回收器（用于破乳調(diào)節(jié)池），一臺，N=0.75kW，間歇運行。

（12）刮油機，一臺，N=0.75kW，間歇運行。

5 新建建設(shè)投資費用表

改造工程新建建設(shè)投資費用見表1。