风电场与电网企业互利双赢的最新经验——解决风电入网瓶颈问题的最佳途径

哈尔滨电机厂有限责任公司 徐佩伟

当今世界的电力系统负荷仍然存在不均衡现象，即使每天当中的用电高峰和低谷，也相差很大。它所引起了电压波动：白天电压低，晚上电压高。商业大都市尤其如此。由于发电站所处在地理位置的局限性原因，即使常规的发电厂，如：火电站、核电站等的同步发电机，也不能控制电网中每一点的电压，必须沿着输电线路安装一些电容器和电抗器等装置。电力系统通常会接入一些分散式电网。为了保证电力系统的稳定性，各国都对风电场在电压跌落对策、无功功率控制、有功功率控制等方面，提出了新的技术要求。其中有关对变电站电压的控制，是最重要的技术要求之一。

我国风力发电产业发展很快，装机容量现在已经跃居到世界第一位。然而，由于并网要求的制约，实际上有效发电的风力发电机组，只有一半以上，已经成为风电发展的瓶颈。这个问题并不限于我国，而是一项世界性课题。尽管世界各国已经出台和实施了许多解决办法，然而我国的业内人士和专家，都比较普遍的看好西班牙的先进经验。它的最大特点是：按照国家法规的规定，由风电场向电网提供无功功率，达到要求的风电场可以拿到奖金；没有完成的则接受罚款。从而实现和谐相处，互利双赢的目的。

1 风电场的优势

当风电场采用双馈式感应发电机时，可以通过两个背靠背变频器向发电机转子励磁绕组馈电。因为这两个变频器都能利用变频调速技术来调整（输入或输出）电流，控制（吸收或发出）无功功率。在大多数用户需要用电的高峰期间，风电场必须发出无功功率；在电网中产生了过多的无功功率、用电的低谷期间，风电场应当尽可能地吸收无功功率。在电力系统已经平衡，风电场也必须达到中性，使其功率因数为1。风电场必须向电网提供无功功率，并在一天当中的不同时间段能在0.95超前和0.95滞后之间调整功率因数。如果达不到规定要求就会被罚款；反之，如果满足要求，便能获得奖金。这是当前为止的一种最佳电压调节模式。其主要优点就是：调节平滑、效果更好、安装简便。可以使风电场像常规发电（如水电、火电）厂那样实现与电网的稳定性相匹配。

根据电力系统的要求，所有的风电场的变电站都装设了无功功率控制等装置，及其所必须的各种测试装置。由于风电场所处的地理位置具有特殊优势，便要求风电场变电站具有无功功率和电压控制能力，并能有助于维持电网电压的稳定性。而针对每一个风电场的奖金与罚款的统筹服务工作，则由电力调度中心负责。几年来的实践证明，许多风电场由于获得奖金而增加了不少收入。

2 无功功率控制

图1 风电场发出或吸收无功功率时的功率因数调节与控制

为了节省同步调相机等这类附加设备，可以发挥沿着电网附近分布的风电场的地理位置优势，通过提供（发出和吸收）无功功率来补偿电压波动。然而，经过几年的实践证明，这种促使风电场与电网和谐相处、互利双赢的合作方式已经取得很大成效。但是，仍然存在缺点，以至影响电网的稳定性。因为所有风电场都在同一时间段提供无功功率，而没有考虑到电网的实际情况，就可能造成过电压或欠电压的后果。因此必须采取一种全新的控制策略来进行改进，即在公共耦合点处（而不是变电站）进行无功功率和电压的控制。所以，最近发现，仍然存在着需要进一步改进的问题。

无功功率的控制，是在风电场变电站的某一点进行的。而这一点不一定总是与公共耦合点相重合的。按照规定，风电场必须提供能够满足表1中每一个小时的时间段内，设定的功率因数值要求。然而，这种规定没有考虑到风电场的安装位置，以及风电场本身是否存在电压问题，以及由于电阻与电抗之比值的不同，会在输电网和配电网中产生不同的影响。此外，还有如何来计算在风电场所测量的功率因数的问题。这个计算值，非常重要，因为它是设计无功功率控制计算方法的依据，而这种计算方法必须满足一天当中每一个小时时间段内，功率因数设定值平均数的要求（表2）。由此可见，控制无功功率的输入值，就不仅仅是表1中所示出的设定值。

由于风电场提供的无功功率，取决于电网电压、有功功率和温度。有时，在一个小时之内，这些数值会发生变化。按照无功功率控制计算方法，就无法给出所需要的无功功率。因此，在这一个小时内的平均值就不是客观的。在这种情况下，根据表1和表2计算得到的用于控制无功功率的功率因数每小时平均值，要比表1所示的数值大得多。

冬天和夏天的运行时间长度，通常分别为22～24 h (冬天)和15～22 h（夏天）。然而，在负荷的高峰与低谷之间相差很大的运行工况下， 运行时间就会发生很大变化（见表2）。

3 功率因数闭环控制

最近开发和应用了一种先进的无功功率和电压的闭环控制计算方法，取得了一些成功的经验。

3.1 基本原理

这种新型闭环控制方法的基本原理，就是根据国家立法规定的功率因数值，并结合在风电场测量的功率因数值，进行计算以后，再将其计算结果输入控制中心，而由控制中心来向风力发电机组提供功率因数的设定值。由此可见，虽然风电场的功率因数是由国家规定的设定值，然而真正的功率因数数值却是从变电站母线上、有时是从公共连接点上测量得到的。采用闭环控制计算方法时的输出，才是风力发电机功率因数的最终设定值。每一台风力发电机组，都必须达到这个规定值，以便满足国家立法对于变电站或公共连接点上规定的功率因数值。

实际上，风力发电机组的运行，取决于下述不同的变量：有功功率、无功功率、电压和温度。通过风电机组的制造厂商提供的有功功率与无功功率关系图像，可以掌握每一时刻能够获得多少无功功率。按照这种关系图像，无功功率或多或少地取决于有功功率。因此，无功功率受到很大的限制。为了避免这种限制，有的制造厂家进行了改进，可以从额定有功功率的10%到100%的全部范围内都可以进行控制。

风电场通过无功功率的调节与控制能够影响电压，此时电压的变化取决于短路功率。

由表3可见，在公共连接点上的电压为20kV或132kV时，经过了持续时间为1400min的无功功率和有功功率调节以后，便可将电压恢复到或接近于或达到额定值。

3.2 主要优点

1）能够跟踪参考设定值，实现无功功率的调节，保持电网稳定。2）无功功率的调节，可以取决于每一台吸收或发出无功功率的风力发电机组的容量。3）现代的风电场或风力发电机组，已经具备吸收或发出无功功率的条件。 4）采用的新型闭环控制计算方法，可以获得平均设定值，不会受到电力系统快速变化的影响。因为这种控制系统，它具有的一个小时的时间，足够用来补偿这种变化。

3.3 今后课题

1）风电机组提供的无功功率，取决于机组厂家给出的有功功率与无功功率的关系图。如果达到了发电机的极限，就会减少无功功率，从而引起电压振荡。2）如果所有的风电场都在同一时间达到功率因数设定值，就会在公共连接点处由于无功功率引起超过额定值很多的、尖锐的电压高峰值（20.6kV或 140kV），可能导致发电机组停机，以及过电压还欠电压继电器跳闸。为了防止这种情况的发生，电力调度中心必须连续监测无功功率的变化，并及时调整无功功率的设定点。3）由于无功功率的调节是采用整体的方法来解决电压这一个局部问题，有时会使电网不够稳定。这种情况，对于与等级较弱电网连接的风电场来说，尤为强烈。4）如果无功功率控制装置本身就没有得到很好的调节，也会产生电压振荡。5）在风力发电机组的连接线路中，电压的升高或降低，取决于所提供的无功功率或有功功率。因此，距离公共连接点或变电站较远风电机组的电压（700V）就比较近的风电机组电压 (500V) 要高。

4 电压的闭环控制

4.1 控制程序

它的控制程序如下：考虑到公共连接点或变电站的功率因数数值、无功功率和电压测量值的同时，将风电场或节点的电压设定值输入給控制中心，再由控制中心将功率因数、无功功率和电压的设定值，提供給风力发电机组。

电压的控制是无功功率控制自然发展的结果。就像无功功率闭环控制那样，它也是在变电站或公共连接点处，安装闭环控制计算装置，而其电压的设定点 就是闭环控制计算方法的输入点。这是它与无功功率控制的真正不同之处。因为它也是利用风力发电机输出无功功率的。然而它针对每一点的电压设定值，却都是不同的。必须由电力系统运行机构来提供，只有他们掌握着电网的配置，了解电网的特性，能够计算出来实时的电压设定值。这才是解决局部问题的正确途径。电力运行机构还应将电压设定值同时发给电力调度中心，再由后者发给风电场。

实施电压控制，要求风电机组必须紧密跟踪电压设定值，来供给足够的无功功率。如果风电机组发出的无功功率，不足以达到电压设定值，电力系统就要装设调相机等辅助装置。电力公司希望风电场尽可能多的发出无功功率，以便减少安装上述辅助装置的费用。

4.2 主要优点

1）这种控制方法采用直接的措施，解决了局部问题。2）如果电力系统发出的设定值是合适的，电网就会更加稳定。3）这种方式能够避免出现电压尖峰，可使电压保持在可控之中。4）这种控制器能够控制风电场的电压曲线，避免风电机组停机事件。

4.3 存在的缺点

1）与无功功率控制方法相比，这种方法更加复杂。2）由于电网中每个节点的短路功率不同，这些新的电压控制装置，可能需要在每个风电场进行微调。 3）由于在公共连接点处的控制装置必须达到电力系统运行机构发出的设定值， 所以由该机构对电压设定值所进行的计算，具有非常重要的作用。

4.4 今后的课题

1）电压的控制要求采用快速的控制装置，同时还要求风电场具有快速的通讯基础设施。对于旧式的风电场来说，需要进行技术改造。 2）电力系统运行机构所需要的数据数量将会大大增加。 3）如果系统运行机构需要电压节点控制，就必须开发用于不同等级的新的电压控制装置，来控制各个风电场的电压。如果节点处连接有采用不同技术的发电机，系统运行机构就必须了解和掌握那些发电机的数据，以便用来计算设定值。4）对于电网中同一条线路或同一节点的不同电压控制装置的相互作用，需要进行分析。5）必须明确实施这些措施所能获得的奖金。

5 结论

1）在新能源的开发应用过程中，风能发挥着越来越大的作用。作为一项重大的世界性课题的风电入网瓶颈问题，即将成为过去。由于风电场所处地理位置的优势，电网企业正在求助于风电场来协助调节和控制电力系统的电压，以便确保电网的运行稳定性。 2）不同的国家已经出台许多新的电网法规，增加了一些电压控制策略方面的要求。从理论上讲，这些策略是最佳途径。通过无功功率的调节来实现电压控制的策略，是一个直接和简单的变化。3）采用这些新技术所取得的成绩是肯定的。至于存在的缺点，以及今后的科研课题，还需要风力发电机组制造厂家、电网公司和电力系统运行机构的共同努力合作，而且必须要有思想准备：取得成功是需要时间和投资的。