大規(guī)模風(fēng)電接入對(duì)電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行的影響

陳偉

摘要：我國(guó)風(fēng)能資源儲(chǔ)量豐富，但風(fēng)電建設(shè)條件具備的地區(qū)大多位于電網(wǎng)末端，其系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)相對(duì)薄弱?？紤]到風(fēng)電出力的隨機(jī)性和波動(dòng)性，可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)的電壓水平和電能質(zhì)量產(chǎn)生影響，因此，本文主要對(duì)大規(guī)模風(fēng)電接入對(duì)電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行的影響進(jìn)行了分析研究。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電接入;電網(wǎng)調(diào)度;具體影響;完善建議

引言

風(fēng)力的大小決定了風(fēng)電的負(fù)荷，風(fēng)力呈現(xiàn)出比較明顯的隨機(jī)變化率和預(yù)測(cè)的不確定性。由于風(fēng)力的大小與氣象條件相關(guān)，并且兩者之間的變化息息相關(guān)，本文定義負(fù)荷功率和風(fēng)力發(fā)電功率之差為“凈負(fù)荷”，并分析和研究了負(fù)荷以及風(fēng)電規(guī)模對(duì)電網(wǎng)整體特性的影響。以電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行模型為參考框架，發(fā)現(xiàn)凈負(fù)荷的隨機(jī)變化率和預(yù)報(bào)不確定性將對(duì)電網(wǎng)調(diào)整、負(fù)荷跟蹤和電網(wǎng)運(yùn)行管理等造成影響。

1風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

目前國(guó)內(nèi)外較流行的風(fēng)電機(jī)組的類型有三種：基于鼠籠感應(yīng)電機(jī)的定速異步風(fēng)電機(jī)組、基于雙饋感應(yīng)電機(jī)的變速風(fēng)電機(jī)組和基于直接驅(qū)動(dòng)永磁發(fā)電機(jī)的變速風(fēng)電機(jī)組。定速異步風(fēng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、無(wú)刷、運(yùn)行簡(jiǎn)單、維護(hù)價(jià)格低、直接與電網(wǎng)相連、成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛運(yùn)用于風(fēng)電場(chǎng)中。但定速異步風(fēng)電機(jī)組存在缺少有功、無(wú)功控制且輸出的風(fēng)功率波動(dòng)較大等缺點(diǎn)。雙饋感應(yīng)風(fēng)機(jī)能夠分別實(shí)現(xiàn)對(duì)有功功率和無(wú)功功率的解耦控制，從而提高了電能的質(zhì)量;但與定速異步風(fēng)機(jī)相比，雙饋感應(yīng)風(fēng)機(jī)多了逆變器等裝置，增加了經(jīng)濟(jì)成本。

1.1定速異步風(fēng)電機(jī)組

定速異步發(fā)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)通過變速箱與定速異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子和風(fēng)機(jī)相連;發(fā)電機(jī)的定子通過變壓器直接與電網(wǎng)相連，這種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)簡(jiǎn)稱為FSIG。

1.2雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組數(shù)學(xué)模型

雙饋感應(yīng)式發(fā)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)通過變速箱發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸與風(fēng)機(jī)相連;雙饋感應(yīng)式發(fā)電機(jī)的定子繞組通過變壓器直接與電網(wǎng)相連;連接于雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)端口的“背靠背”（AC-DC-AC）轉(zhuǎn)換器反饋到轉(zhuǎn)子繞組上，為發(fā)電機(jī)提供勵(lì)磁。這種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)簡(jiǎn)稱為DFIG。雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組包括風(fēng)電機(jī)組機(jī)械系統(tǒng)、雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)、變頻器、轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器控制系統(tǒng)以及電網(wǎng)側(cè)變頻器控制系統(tǒng)等模塊。

2大規(guī)模風(fēng)電接入對(duì)調(diào)度計(jì)劃的影響

2.1存在的問題

有功功率的實(shí)時(shí)調(diào)度是電網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)的核心所在，不僅關(guān)系到系統(tǒng)有功功率和頻率的穩(wěn)定性，而且對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的安全、可靠運(yùn)行起著重要的作用。國(guó)內(nèi)電網(wǎng)運(yùn)行中主要采用自動(dòng)調(diào)度控制（AGC）方法，其在應(yīng)用中的缺點(diǎn)有：（1）自動(dòng)調(diào)度控制方法缺乏合理的科學(xué)依據(jù)，僅僅依靠經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來制定調(diào)度策略，與功率預(yù)期之間存在矛盾;風(fēng)電的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)日負(fù)荷數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)結(jié)果常常在第二天具有較大差別。風(fēng)電負(fù)荷的隨機(jī)性和波動(dòng)性使得預(yù)測(cè)方案無(wú)法正常實(shí)施。（2）調(diào)度員的操作缺乏準(zhǔn)確調(diào)度策略的指導(dǎo)，工作實(shí)施強(qiáng)度較大;調(diào)度模型不合理，難以確保電網(wǎng)系統(tǒng)的安全性和發(fā)電效率。（3）很容易出現(xiàn)AGC的可調(diào)容量不足的情況，進(jìn)一步影響了系統(tǒng)的安全性和發(fā)電效率。大規(guī)模風(fēng)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)后，風(fēng)電的隨機(jī)變化率和預(yù)測(cè)的不確定性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的發(fā)電負(fù)荷和安全運(yùn)行帶來了挑戰(zhàn)。為了提高風(fēng)電接入的能力，需要對(duì)電網(wǎng)的有功功率調(diào)度進(jìn)行針對(duì)性的考察和研究。

2.2風(fēng)電有功功率調(diào)度的幾個(gè)問題

2.2.1風(fēng)電有功功率調(diào)度模型

傳統(tǒng)的調(diào)度方法一直將可再生能源算作負(fù)的負(fù)荷，在模型優(yōu)化過程中，對(duì)期望的負(fù)載值和可再生能源生成值進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。同時(shí)將可控發(fā)電機(jī)的輸出方式調(diào)整為階躍負(fù)載。將模型預(yù)測(cè)控制理論應(yīng)用于風(fēng)電調(diào)度問題，提出了一種前瞻性優(yōu)化調(diào)度控制方法。該方法依據(jù)經(jīng)驗(yàn)值對(duì)風(fēng)電輸出功率進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)風(fēng)電接入進(jìn)行階段性合理調(diào)度，與傳統(tǒng)的以風(fēng)電為負(fù)的負(fù)荷的電網(wǎng)調(diào)度方式相比，該方法顯著降低了系統(tǒng)運(yùn)行成本。在以風(fēng)電機(jī)組風(fēng)險(xiǎn)約束和負(fù)荷安全邊界約束為主的直流潮流優(yōu)化調(diào)度模型中，建立以風(fēng)電風(fēng)險(xiǎn)和運(yùn)行成本影響為主參數(shù)的目標(biāo)函數(shù)，并將模糊函數(shù)用于風(fēng)電接入約束的計(jì)算中，用以考慮風(fēng)電接入的不穩(wěn)定性。當(dāng)綜合考慮風(fēng)電超時(shí)調(diào)度導(dǎo)致的待機(jī)成本和調(diào)度不足導(dǎo)致的風(fēng)電關(guān)機(jī)成本時(shí)，仿真結(jié)果顯示，當(dāng)備用成本系數(shù)增加時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電量趨于下降，風(fēng)電成本系數(shù)的增加提高了風(fēng)電的利用率。隨著人堆環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，有源發(fā)電的污染物排放問題日益受到重視。在建立調(diào)度模型時(shí)，需考慮運(yùn)營(yíng)成本函數(shù)與污染物排放成本函數(shù)，因此，風(fēng)力發(fā)電也被稱為環(huán)境/經(jīng)濟(jì)調(diào)度。

2.2.2風(fēng)電有功功率調(diào)度算法

在進(jìn)行風(fēng)電有功功率調(diào)度優(yōu)化算法時(shí)，提出了一種經(jīng)濟(jì)可行的調(diào)度方法，即直接搜索算法。該算法的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)包括電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行成本和待機(jī)成本。采用隨機(jī)波動(dòng)理論建立了風(fēng)電場(chǎng)電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)度模型，并利用隨機(jī)模擬、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法相結(jié)合的混合智能算法求解該模型，有效改善了調(diào)度模型的收斂速度和搜索性能。由于模型包括多目標(biāo)優(yōu)化、多值和非線性特征問題，傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)優(yōu)化算法很難解決。因此，本文使用遺傳進(jìn)化算法來求解模型。利用拉格朗日松弛算法可將動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)度問題分解為幾個(gè)并行子問題，同時(shí)結(jié)合凸規(guī)劃模型的特點(diǎn)，使用子問題動(dòng)態(tài)優(yōu)化算法的逆優(yōu)化來加快計(jì)算速度。

3完善風(fēng)電并網(wǎng)的建議

3.1風(fēng)電場(chǎng)對(duì)無(wú)功補(bǔ)償裝置的要求

現(xiàn)階段風(fēng)電場(chǎng)采用的無(wú)功補(bǔ)償裝置主要可以分為動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置和靜態(tài)補(bǔ)償裝置兩種，這兩種各具優(yōu)點(diǎn)，適用于不同的情況。前者具有穩(wěn)定的容量，適用于系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的無(wú)功功率的補(bǔ)償，比如變壓器的運(yùn)行損耗，就可以通過在異步機(jī)的端口處并聯(lián)電容器來解決。后者的容量變化較大，一般用來補(bǔ)償風(fēng)速擾動(dòng)或者發(fā)生故障時(shí)所吸收的無(wú)功功率。在運(yùn)行過程中，異步機(jī)自身是不能夠進(jìn)行無(wú)功調(diào)節(jié)的，并且在在發(fā)出有功功率時(shí)還要吸收無(wú)功功率來進(jìn)行勵(lì)磁。如果這個(gè)過程中發(fā)生了故障，那么需要吸收的無(wú)功功率就會(huì)更多。若發(fā)生故障或者擾動(dòng)，則從系統(tǒng)吸收的無(wú)功功率更多。所以這就要求風(fēng)電場(chǎng)自身具有一定的無(wú)功調(diào)節(jié)能力，也就是說，需要在風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)點(diǎn)加裝動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，從而對(duì)風(fēng)電場(chǎng)變化的無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償，這一裝置必須足夠敏感，能夠監(jiān)測(cè)到風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功需求的變化;必須能夠?qū)崿F(xiàn)快速的調(diào)節(jié)和平滑的過渡。從而在電場(chǎng)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率的平衡，保證電網(wǎng)電能的質(zhì)量。

3.2無(wú)功補(bǔ)償裝置性能

靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償具有固定的阻抗，所以它也就只能用于補(bǔ)償固定的無(wú)功需求，對(duì)于系統(tǒng)故障變化的無(wú)功需求，是難以實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償?shù)摹，F(xiàn)在常用的并聯(lián)電容器、飽和電抗器都屬于這類裝置，它們一般不單獨(dú)使用，而是配合動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置進(jìn)行使用。動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置包括的范圍更廣，我們常見的同步調(diào)相機(jī)、晶閘管投切電容器、靜止無(wú)功補(bǔ)償器、靜止同步補(bǔ)償器等都屬于此類。它的阻抗是可以變化的，所以它也就能夠根據(jù)具體的無(wú)功需求來進(jìn)行調(diào)節(jié)，及時(shí)按照無(wú)功功率的容量需要來進(jìn)行補(bǔ)償和電壓支撐。這兩種類型的裝置各具特點(diǎn)，在電場(chǎng)的無(wú)功補(bǔ)償具體應(yīng)用中，應(yīng)該根據(jù)自身的實(shí)際情況出發(fā)，合理選擇搭配，從而實(shí)現(xiàn)改善電壓偏差和波動(dòng)的問題，從而提高電網(wǎng)電能的質(zhì)量。

4結(jié)束語(yǔ)

風(fēng)電并網(wǎng)會(huì)產(chǎn)生電壓偏差、電壓波動(dòng)等等一系列問題，但是通過一些補(bǔ)償裝置等技術(shù)手段的應(yīng)用，能夠很好的控制這些問題，從而減輕其對(duì)電能質(zhì)量產(chǎn)生的一系列影響。我們的工作人員應(yīng)該積極探索，多結(jié)合新的科學(xué)技術(shù)，進(jìn)一步減小其對(duì)電網(wǎng)電能的影響，保證我國(guó)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

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