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如何理解规模风电并网的问题

国际新能源网  来源:中国弱电网  日期:2017-07-17
   风电场的输出是由风速决定的,由于风速的不可控性,风电具有不确定性和易变性的特点。另外,目前风机的允许工作电压多为0.9~1.1 P.u.,在此范围之外时,风机会因保护动作而跳机,从而造成电网系统失去风电。如果不采用合理的并网技术,当风电接人到弱电网时或电网接入较高比例的风电时,会对电网稳态运行时的无功功率、有功功率、系统电压的控制和动态稳定性产生不利的影响。
 
  1、风电并网需考虑的因素
 
  风电并网需考虑的因素有:① 风电场无功容量;② 风电场并网点调节方式(功率因数调节或电压调节);③ 系统故障时风电场保持并网的能力;④ 有功功率变化率和减出力。
 
  从并网方面开展上述分析的目的在于:① 评估风电场在不同的运行条件、控制方式和故障方式下,风电场对电网的影响;② 识别风电对当地电网引起的潜在问题;③ 识别可能引起风电场可靠运行的潜在问题;④ 使电网可有效地接纳风电,在满足电网安全运行要求下将风电输送到电网。
 
  在风资源丰富的地区,会有许多风场接入同一输电系统。而常见的电网故障会导致风场并网点的电压跌落,从而导致常规的风机跳机。当风电比例较高时或者某地区风电特别集巾时,会导致系统在故障(紧急)条件下失去大量有功功率和无功功率,由单一故障发展为多重故障(线路跳闸,电厂跳闸),给电网的调度和运行带来困难,极大地影响电力系统的稳定性。
 
  2、风电场电压调节
 
  双馈感应电机(DFIG)是目前广泛应用的风电机组。由于有变频器,这种风电机组的特点是它本身具有发出和吸收无功功率的能力。在这种控制方式下,由于风电场的有功功率是随风速而变化的,并网点的功率冈数和电压都无法保持恒定,会随着风电场有功功率的变化而变化。因此需要配置相应的无功设备才能将并网点的功率因数保持恒定或将电压调节到一定范围内。
 
  更为理想的调节方式是利用风机的无功容量,根据风场并网处的电压调节目标来确定当前运行工况下所需要的无功功率,相应地控制风场内各台风电机组发出或吸收的无功功率,从而达到控制并网点电压的目标。双馈感应电机的变频器无功功率调节响应速度快,调节性能平滑。随着风速的变化,它可实时根据并网点无功或电压的调节目标来控制风场内各风电机组发出或吸收的无功功率。此外这种方式对于系统的动态稳定性也有良好的支持作用。当系统有故障时,它能够在快速向系统注入无功功率(超过风机无功功率的稳态额定值)以支持系统电压,从而提高系统的动态稳定性。
 
  3 、风电场有功功率的控制
 
  风电作为可再生能源,在保证系统安全运行的条件下,电网应优先接受风电场所能够发出的电能。但是南于风速的易变性和不确定性,在有些情况(阵风)下,风速快速变化时,会导致某一地区的风电在短时产生很大的变化,这对电网的稳定运行和调度是非常不利的,系统的稳定性和电能质量都会受到影响。因此有必要限制风电场的有功功率变化率,以利于电网的调度和稳定运行。我国的并网规范也对风电场的有功功率变化率有一定的要求。
 
  当前先进的风电机组控制技术可快速精确地控制风机桨距角,从而快速地控制风电机组发出的有功功率。这就使得风电场可以根据电网调度和运行的要求,设定其有功功率变化率的*大值,在风电场运行过程中控制各台风电机组的桨距角(有功功率),从而使得整个风电场的有功功率变化率在规定的范围内。由于只是在短时间内限制了风场功率的*大变化率,这对于其发出的电量没有明显影响。图3为某风电场运行中的有功功率和有功变化率曲线,可见有功功率变化率被限制在设定的3 MW/min以内。
 
  此外,当电网接入了大量风电时,在系统的某些极端情况下,如果风电能够参与系统的调频,会对电网的稳定运行有很好的作用。当前,风电机组桨距角快速控制技术使得风电场参与系统的调频成为可能。例如:在系统过频时,可快速降低风电的出力来参与系统的调频。当系统频率恢复后,再将风电恢复到正常运行时的状态,某风电场在系统频率过高时的响应如图4所示。由于减出力的时间很短,风电的电量损失是很小的。
 
  4 、低电压穿越
 
  低电压穿越是指在系统电压跌落时风电机组保持与电网并网的能力。电网在运行中的扰动(雷击,设备故障等)时有发生。此时,电源保持与电网的连接对于电网的稳定性是至关重要的。英国电网发生故障时,大于50% 的地区电压低于80% 额定电压,这意味着风电机组如果没有低电压穿越能力,这些地区接人的风电场在系统故障时会与系统解列。我国当前在运行的风电机组尚不具备低电压穿越能力,在其电压低于*低运行电压时会冈保护而切机。在风电比例较高的地区,当电网发生故障时,大量的风电机组会因电压跌落而跳机,引起系统所需的有功功率和无功功率不足,从而导致扰动
 
  后系统的稳定性更差,可能使单一故障发展为多重故障,并有导致系统崩溃的风险。因而,在电网故障时保持风电场的并网能力对于维持电网的稳定性具有重要意义。这已经被越来越普遍地认识和接受。许多国家如德国,丹麦、英国、美国、加拿大等,已经实施或正在修定的并网标准都规定了风电场在电网故障时应具备保持并网的能力。为了满足系统对稳定性的要求,美国联邦能源监管委员会对于风电机组低电压穿越性能的*低要求是并网点电压为15% 额定值时风场至少维持并网625 ms(FERC ODER 66 1)。现在正考虑提高标准,要求风电机组在系统三相故障时在正常的故障清除时间内(4~9周期)保持并网,在系统单相接地故障时在延时的故障清除时间也能保持并网。
 
  风电机组的低电压穿越能力使得风电厂具有更高的可用率和可靠性,使得电网的动态稳定性不会由于风电的接人受到削弱,使得电网可接纳更高比例的风电,减少系统对接人风电所需的旋转备用容量。
 
  5 、风电场整体的控制
 
  在风电发展的早期阶段,应用的多是定浆失速型风机,运行时为了风机的安全,将其机端电压控制在允许的范围即可。但是随着风电场容量的增大,以及接人电网中的风电比例的增高,尤其像我国会在某些地区接入几十万千瓦甚至几百万千瓦的风电,这种方式无法满足电网和风电场稳定运行的需求。并网技术是电网能否有效接纳高比例风电的关键之一。解决的办法在于要转变风电等于风机的观念,应将风机和其他部分(风机变压器、集电系统,升压变压器等)组成的风电场当作整体(电厂)看待。对电网而言,风电场也是电厂,虽然由于风速的不可控性,风电场的有功功率不可调度,但是为了电网和风电场的安全稳定运行,风电场也应像其他常规电厂一样,具备无功容量和调节、电压调节、有功控制,以及在电网故障情况下保持并网等能力。否则,风电会对局部或者区域电力系统的运行和调度带来困难,并危及系统的安全稳定性。
 
  目前大量应用的双馈变桨风电机组,它本身具备无功功率的能力,而且可快速平滑地调节;此外它的有功功率(桨距角)也可快速控制。因而由双馈变桨风电机组组成的风电场,从技术上有可能像常规发电厂一样,控制整个风场的无功功率和调节并网点的电压,并控制风电场的有功功率。
 
  像GE的WindConTROL 控制管理系统 ,通过控制风场内各台风机的无功功率并协调其他可能的无功设备,能够有效地调节风电场并网点或更远处的电压和无功功率。甚至当风机不转的时候,也能够使风场具备调节无功功率和电压的能力。这甚至超过了常规的火电厂和水电厂的调节能力。在有功功率输出为0的条件下,这种无功和电压的调节能力对电网的稳定性是有益的。
 
  风电的变化性使得风电难以控制和调度,其有功功率的快速和大幅变化需要电网的其他电源来补偿。WindConTROL 还具备调节风场有功功率的能力,通过控制各风机的桨距角,可控制由于风速快速变化时有功功率的快速变化,使电网的调度和运行更加稳定,从而也使得风电成为一种对电网更加友好的电源。此外,在电网频率过高时,它可快速调节风电场有功功率,参与系统调频,提高系统稳定性。大型风电场或当高比例的风电接入电网时,电网故障时风电维持并网,对于故障后电网的恢复和系统的安全和稳定性有重要意义,这对风电场的运行也是非常有益的。GE的WindRIDETHRU 通过改变风机和变频器的控制和保护功能,使得风电机组具备在电网故障导致并网点电压跌落时维持并网而不跳机的能力(LVRT),甚至在并网点电压跌落为零时也能保持并网(ZVRT),风电场这样的特性在系统故障时会明显增强系统稳定性。
 
  6 、结语
 
  许多国家的风电规模和接入电网的风电比例在快速增加,为了使电网有效地接纳风电,理解风电与电网之间的相互影响非常重要。电网需要风电场像常规电厂(除了有功功率增加受风速限制外)一样,具备整体的电压调节方式、低电压穿越、减出力和有功功率变化率等能力。同时,风电机组和控制技术的*新发展也使得风电场可以像其他常规电厂一样,具备无功容量和调节、电压调节、有功控制以及在电网故障情况下保持并网等能力,以有利于风电场和电网的稳定运行,使风电成为一种对电网友好的电源,并使电网可接纳高比例的风电。此外,各国的风电并网标准也在发展,许多国家已经应用的或正在修定的并网标准都包括了本文所论述的风电场具有的性能。
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