大型風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的若干技術(shù)問題研究

包文鵬

（中國華電集團(tuán)公司甘肅公司，甘肅 玉門 730300）

0 引 言

在全球各地的各類型可再生能源中，風(fēng)能屬于熱點(diǎn)能源，全世界都積極展開風(fēng)能的開發(fā)，也促進(jìn)了風(fēng)電技術(shù)不斷升級(jí)。一直以來，我國擁有著豐富的風(fēng)能資源，這就為風(fēng)電開發(fā)奠定了極為便利的基礎(chǔ)。對(duì)于風(fēng)能利用，并網(wǎng)發(fā)電屬于目前大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)在風(fēng)能開發(fā)過程中的最重要形式，因此學(xué)術(shù)界對(duì)于并網(wǎng)運(yùn)行存在的各類型問題極為關(guān)注。

1 發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行概述

發(fā)電機(jī)并網(wǎng)是指將發(fā)電機(jī)同步并入電網(wǎng)，以向電網(wǎng)輸出電能。發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行簡(jiǎn)單來說就是發(fā)電機(jī)和系統(tǒng)電網(wǎng)之間的一種運(yùn)行連接模式，在這一種模式中，發(fā)電機(jī)的電壓、頻率與其他發(fā)電機(jī)組一致。發(fā)電機(jī)有兩類并網(wǎng)方法，準(zhǔn)同期和自同期。準(zhǔn)同期的意思為發(fā)電機(jī)的電壓、頻率、相序、相位與系統(tǒng)電網(wǎng)完全一致，而發(fā)電機(jī)的出口斷路器和電網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)的手段；自同期并列屬于發(fā)電機(jī)不加勵(lì)磁時(shí)，等到系統(tǒng)電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)所共有的頻率一致時(shí)，合上發(fā)電機(jī)出口斷路器，與系統(tǒng)相連的基礎(chǔ)上，提高發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流升壓，并借助系統(tǒng)進(jìn)一步促進(jìn)發(fā)電機(jī)同步頻率的一類運(yùn)行方式，不過實(shí)際情況中，自同期并網(wǎng)模式一般不被采用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。目前，大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電中，基本上采用自動(dòng)準(zhǔn)同期的并網(wǎng)模式，借助微機(jī)進(jìn)一步針對(duì)是否達(dá)到同期條件做出判斷的基礎(chǔ)上，自動(dòng)發(fā)信號(hào)斷路器合閘并網(wǎng)（見圖1）。

圖1 大型風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)方式示意圖

2 我國風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行特殊性

與世界其他地方不同，我國風(fēng)電并網(wǎng)問題存在一定的特殊性，主要表現(xiàn)為如下兩方面。

一方面，眾所周知，風(fēng)能資源的分布在我國相對(duì)集中，華北、西北、東部沿海等一些地區(qū)都是風(fēng)能資源豐富的地區(qū)。地理位置的不均衡就造成了我國一些百千萬級(jí)別的大型風(fēng)電場(chǎng)輸出風(fēng)電時(shí)，輸出模式務(wù)必要接入超高壓系統(tǒng)。與我國相比，德國最大風(fēng)電場(chǎng)為6×104kW，而丹麥風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量大部分僅僅為2×104kW左右，歐洲國家風(fēng)電的間歇性與沖擊對(duì)于其風(fēng)電輸電系統(tǒng)并不會(huì)造成大規(guī)模影響，因此這一些地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)電網(wǎng)的調(diào)頻、穩(wěn)定性等各類型問題都相對(duì)簡(jiǎn)單。不過隨著大型風(fēng)電場(chǎng)的不斷發(fā)展，風(fēng)電系統(tǒng)附加于同步電網(wǎng)之上的影響力逐漸提升，這就造成了電力系統(tǒng)穩(wěn)定機(jī)理會(huì)發(fā)生極為顯著的變化。實(shí)際調(diào)查可以得知，在我國，千萬千瓦級(jí)別的大型風(fēng)電場(chǎng)目前僅僅可以對(duì)接輸電系統(tǒng)，這就導(dǎo)致大規(guī)模風(fēng)電系統(tǒng)的隨機(jī)擾動(dòng)很難獲得平抑及分散，這也一定會(huì)導(dǎo)致整個(gè)輸電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性更為復(fù)雜化，并導(dǎo)致其對(duì)于輸電系統(tǒng)電能質(zhì)量的控制難度進(jìn)一步提升[1]。

另一方面，在我國，大型風(fēng)電場(chǎng)在輸送風(fēng)電時(shí)采取直流輸電系統(tǒng)，即借助“風(fēng)火打捆”，利用一種超高壓直流輸電方式，使得西部地區(qū)大型風(fēng)電場(chǎng)所生成的電能輸送到東部負(fù)荷中心。這一種電能輸送模式并沒有先例，故而運(yùn)行時(shí)，會(huì)存在一定程度的技術(shù)障礙問題[2]。

3 大型風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)技術(shù)存在問題研究

3.1 大型風(fēng)電場(chǎng)引起輸電系統(tǒng)功率諧振的機(jī)理、監(jiān)測(cè)方法和抑制的問題

由于容量有限，當(dāng)小規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)接入配電網(wǎng)之后，電場(chǎng)與發(fā)電機(jī)之間的距離較大，因此基本不會(huì)發(fā)生功率諧振。但是對(duì)于那些直接聯(lián)入輸電網(wǎng)絡(luò)之中的大型風(fēng)電場(chǎng)，共振型低頻振蕩的風(fēng)險(xiǎn)極其容易發(fā)生，主要原因有如下4點(diǎn)。第一，由于自然風(fēng)速的不穩(wěn)定與隨機(jī)性，使得導(dǎo)入每一組風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能都成為一種激勵(lì)源。第二，和普通型的常規(guī)發(fā)電機(jī)組的整體結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性質(zhì)比較，風(fēng)電機(jī)組的柔性更高，這就使得機(jī)械振動(dòng)成為一種無法避免的存在，從而造成風(fēng)電機(jī)組有一部分旋轉(zhuǎn)部分的機(jī)械振動(dòng)與輸出功率振蕩之間存在直接性的因果聯(lián)系。第三，與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩相比，風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)矩振蕩要超出其20%左右。對(duì)于大型風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)，風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)矩振蕩會(huì)引發(fā)幾十萬千瓦級(jí)別的功率波動(dòng)，這對(duì)于輸電系統(tǒng)的安全造成嚴(yán)重威脅。第四，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)功率所形成的波動(dòng)頻率和電力系統(tǒng)低頻振蕩固有頻率逐漸一致時(shí)，造成共振的風(fēng)險(xiǎn)概率就會(huì)進(jìn)一步提升。例如，三葉片風(fēng)電機(jī)組，當(dāng)其功率輸出波動(dòng)頻率大小處于1～3 Hz，就與低頻振蕩頻率極為接近，從而導(dǎo)致大型風(fēng)電場(chǎng)存在較高的共振型低頻振蕩風(fēng)險(xiǎn)[3]。

3.2 大型風(fēng)電場(chǎng)抗擾能力的在線評(píng)價(jià)及預(yù)警問題

目前，我國風(fēng)電機(jī)組及風(fēng)電場(chǎng)入網(wǎng)與監(jiān)測(cè)兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)完善程度不高，大部分風(fēng)電機(jī)組的電能質(zhì)量、功率曲線、低電壓穿越能力、有功調(diào)節(jié)性能及無功調(diào)節(jié)性能等并沒有采取較為系統(tǒng)性的科學(xué)監(jiān)測(cè)。通過分析一系列風(fēng)電事故可以得知，與常規(guī)電場(chǎng)抗擾能力相比，風(fēng)電場(chǎng)的抗擾能力相對(duì)較低，這就使得風(fēng)電場(chǎng)的持續(xù)性發(fā)電受到影響。更嚴(yán)重的是，由于相對(duì)較差的抗擾能力，會(huì)導(dǎo)致未來一些大型風(fēng)電場(chǎng)存在極為頻繁的脫網(wǎng)問題，從而使得輸電系統(tǒng)的安全性大打折扣。此外，和常規(guī)電站不同之處在于，風(fēng)電場(chǎng)匯集大量機(jī)組，并且目前大部分大型風(fēng)電場(chǎng)離線穩(wěn)定計(jì)算的等效數(shù)學(xué)模型的可靠程度相對(duì)較低，隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間不斷增加，就會(huì)進(jìn)一步造成機(jī)組動(dòng)態(tài)存在一種常態(tài)化的變動(dòng)趨勢(shì)。對(duì)于大規(guī)模風(fēng)電機(jī)組，即使在并網(wǎng)之前展開了較為嚴(yán)格的測(cè)試，不過并網(wǎng)之后，也要針對(duì)大型風(fēng)電場(chǎng)抗擾能力展開實(shí)時(shí)性、常態(tài)性的及時(shí)評(píng)價(jià)，以基本上保障在線安全分析的基礎(chǔ)性需求。故而從風(fēng)電場(chǎng)的安全視角上分析，一定要針對(duì)并網(wǎng)運(yùn)行之后的風(fēng)電場(chǎng)抗擾能力展開在線評(píng)價(jià)，對(duì)于難以滿足正常需求范圍內(nèi)的，要及時(shí)給予警報(bào)，以便于大型風(fēng)電場(chǎng)的電網(wǎng)運(yùn)行人員做好較為科學(xué)、安全的應(yīng)急準(zhǔn)備[4]。

3.3 風(fēng)電機(jī)組與常規(guī)同步機(jī)組的交互作用與協(xié)調(diào)控制問題

目前，針對(duì)并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電穩(wěn)定性的大量學(xué)術(shù)型研究中，大部分主要針對(duì)大型風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行環(huán)節(jié)的大電網(wǎng)整體穩(wěn)定性予以常態(tài)性研究。主要原因在于大電網(wǎng)穩(wěn)定一旦遭到破壞，勢(shì)必會(huì)造成整個(gè)大型風(fēng)電場(chǎng)的任何接入元件運(yùn)作存在一定的故障。故而大電網(wǎng)接入大型風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)之后，其穩(wěn)定性到底會(huì)發(fā)生什么樣的演變，是趨向于變好，還是趨向于變差，都難以得到一種較為系統(tǒng)性、固定性的結(jié)論。在平常研究中，不論是趨向于變好，還是趨向于變差都曾經(jīng)有專家給予系統(tǒng)性的研究，而且研究過程、結(jié)果都相對(duì)較為公正。不過也存在一定的問題，主要為當(dāng)電網(wǎng)大規(guī)模接受異步電機(jī)所導(dǎo)出的功率時(shí)，該怎么樣才可以做到“趨利避害”，從而使得電網(wǎng)接入之后，整個(gè)大型風(fēng)電機(jī)組的系統(tǒng)整體穩(wěn)定性可以獲得很大程度的提升。通過研究可知，風(fēng)電機(jī)組與常規(guī)同步機(jī)組之間的交互作用與協(xié)調(diào)控制問題的解決突破口在于，研究大型風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組對(duì)于同步機(jī)組的影響，以及風(fēng)電機(jī)組與常規(guī)同步機(jī)組兩者之間所存在的交互作用與協(xié)調(diào)控制[5]。

4 結(jié) 論

作為世界首創(chuàng)，我國的大型風(fēng)電場(chǎng)大規(guī)模并網(wǎng)屬于一項(xiàng)極為宏偉的世紀(jì)工程。為了保障大規(guī)模并網(wǎng)工程進(jìn)展順利，針對(duì)目前大規(guī)模電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行技術(shù)要不斷改進(jìn)創(chuàng)新。本文基于發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行概述，分析我國大型風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行與世界其他國家風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行之間存在的特殊性及不同之處，并提出3點(diǎn)目前大型風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行急需要解決的關(guān)鍵性技術(shù)問題。大型風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行技術(shù)依舊需要不斷地累積經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于各種極有可能存在的問題，在理論及實(shí)踐上，都需要一種超前意識(shí)，做夠充足的準(zhǔn)備，以便于大型風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行能夠更好地為我國社會(huì)現(xiàn)代化做出貢獻(xiàn)。