中国风电并网问题综述

2014-02-11陈晓雷杨跃龙施晓蓉

通信电源技术 2014年2期

陈晓雷，杨跃龙，施晓蓉

（湖南工程学院，湖南湘潭411101）

0 引言

伴随全球化能源危机日益严重，风能以其蕴藏量丰富、可再生、分布广、无污染等特性，成为可再生能源的重要方向。最近10多年来全球风电稳步发展，截止2011年底全球累计装机容量接近241 GW，约占全球发电装机容量的5% 。

我国风能资源丰富，但是发展缓慢。2006年国家出台关于扶持新能源发展优惠政策之后，我国风电产业步入高速发展行列，在2009年取得全球风电机组新增装机容量第一，并连续三年蝉联第一。直到2012年，新增装机容量才以164 MW的差距屈居美国之后［1，2］。《2013中国风电发展报告》指出“2012年中国风电发展增速放缓，很大原因是由于“弃风限电”更加严重，达200亿kWh以上”，接近2011年“弃风限电”总额100亿kWh的两倍。随着风电总装机量的快速增长，风电机组并网难和消纳难的问题也日益突出、亟待解决。同时，风电核心技术的不成熟，导致风电并网给电力系统的电能质量和稳定性带来影响。

1 风电并网技术

1.1 风力发电机组分类

风电机组有很多分类方法，按照机组的桨叶特性分为定桨距风机和变桨距风机；按照转速的控制方式不同，分为恒速恒频和变速恒频两种；按照发电机技术的不同，可以分为普通感应电机、双馈电机和永磁同步电机（也有电励磁同步电机）。目前风机的主要类型是定桨距失速型和变速变桨距型，其中变速变桨距型风力发电机因其风能利用率较高而在市场占据主要位置。变速变桨距型风力发电机主要分为两种：一是通过多级齿轮箱增速驱动的双馈式异步发电机，即双馈式；二是风轮直驱动多级同步发电机，即直驱式或无齿轮箱式。

1.2 风力发电机组并网的条件

风力发电机的并网直接影响电能的输送以及机组是否受到并网时冲击电流的影响。为了使发电机能并网发电，必须满足以下条件：①发电机所发出电源的相序分布必须同电网的汇流排所要求的相序一致；②发电机输出的电压有效值要同并入电网的汇流排所要求的电压有效值相等或接近相等（电压差小于10%）；③发电机的频率应与电力系统电源的频率基本相等，频率差不能超过0.5～1 Hz；④发电机的电压相位与电力系统电源的电压相位相等（相位差小于10°）；⑤发电机发出电源的波形要与电网的波形相同，都是正弦波波形，且初始角、相位角、幅值和频率相等［3］。

1.3 风力发电机的并网方式

在风电机组的运行过程中，当需要将发电机并入电网运行时，要求风电机组所发出的电能频率必须和电网频率保持一致，而不同机型的风电机组保持频率与电网一致的方案不同。

1.3.1 恒速恒频风力发电机的并网

恒速恒频风力发电机系统是指在风电机组正常运行过程中，用恒定不变的发电机转速，来获得频率和电网一致的恒频电能。该系统具有结构简单、能承受短时尖峰电流、设备成本低等优点，但是在并网瞬间会出现较大的冲击电流，同时出现输出电压下降幅值超过电网并网要求，可能导致系统无法并网［4］。恒速恒频风力发电机系统主要采用的是异步发电机，其并网方式主要有以下五种：

（1）直接并网方式：这种并网方式要求发电机相序与电网相序相同，当发电机转速接近同步转速（一般达到99%～100%）时，发电机直接与电网并联（即硬联网）。这种方式并网容易、控制简单，但是并网瞬间产生比较大的冲击电流，存在三相短路现象，系统电压在短时间内下降剧烈。

（2）准同期并网方式：这种方式要求在转速接近同步转速时，采用电容励磁，建立额定电压，然后通过校正发电机的输出电压和频率，使其与电网同步。所以当系统应用此种并网方式时，需要有高精度的调速器和整步同期设备配套。此并网方式的冲击电流较小，对系统的电压影响较小，但是并网时间长，必须控制在最大允许的转矩范围内运行，以免造成“网上飞车”。

（3）捕捉式准同步快速并网方式：这种方式与常规的整步并网方式不同，是通过在变化的频率中，跟踪同步点来保持与电网同步，进而并网。该并网过程简单、迅速、精确，几乎可以实现对电网零冲击［6］。

（4）降压并网方式：这种方式是通过在发电机和系统之间串联电阻、电抗器或自耦变压器，来控制并网合闸瞬间的谐波电流幅值，避免电网电压的大幅跌落。但是这种方式的投资较大，而且投资随机组容量的增加而扩大，性价比不高，多用于小容量的风电机组［7］。

（5）软并网方式：这种方式是发电机达到同步转速附近时，发电机输出端的断路器闭合，发电机组依靠异步发电机定子与电网之间的双向晶闸管与电网相连，通过电流反馈控制双向晶闸管导通角，将并网时的冲击电流限定在电网要求的范围内，从而得到一个比较平滑的并网过程。正常运行时，双向晶闸管被短接。

1.3.2 变速恒频风力发电机的并网

变速恒频风力发电机系统在风电机组发电过程中，根据风速的变化调整发电机的转速，来得到符合电网频率要求的恒频电能。这种系统可以保证风电机组在很大的风速范围内按最佳效率运行，从而保证机组的额定功率输出，得到最大功率；并网时对系统几乎没有冲击电流，实现了发电机转速和电网频率的解耦，不会发生发电机的失步问题，所以在市场上占据主要地位。但是它的缺点是结构复杂、成本高和技术难度大。

变速恒频风力发电机系统从结构和运行方面可分为双馈异步发电机系统和直驱同步发电机系统［5～8］。

（1）双馈异步风力发电机机组的并网介绍

目前，双馈异步风力发电机组的并网方式主要有以下三种：

①空载并网方式：通过引入定子磁链技术对发电机输出电压进行测量，使建立的双馈发电机定子空载电压与电网电压的频率、幅值、相位等相一致，满足并网条件时进行并网操作。

②独立负载并网方式：并网前发电机带负载运行，根据电网信息和定子电压、电流对风力发电机进行控制，在满足并网条件时进行并网。这种并网方式的发电机具有一定的能量调节作用，降低了对原动机的调速性能的要求，并网控制所需要的信息由电网侧和发电机定子侧共同确定，使控制更精确，更有利于捕捉最大风能，但是这种控制方式非常复杂。

③孤岛并网方式：此方式分为三个阶段，分别是励磁阶段、孤岛运行阶段和并网阶段。首先是励磁阶段，开始预充电过程，当风电机组的发电机转速达到励磁范围时开始励磁，并在直流整流器的桥梁作用下，使电网给变流器的直流母线电容充电。充电过程结束后，变流器的机侧工作，为双馈发电机的转子侧提供励磁电流。同时定子侧的电流慢慢增加，当输出的电压为额定值时，结束励磁阶段。孤岛运行阶段：当定子电压达到额定值时，发电机定子输出和转子输入分别与逆变器相连，形成独立的能量环路，组成一个孤岛运行方式。并网阶段：当发电机转速达到并网转速，通过主控系统调节相关风机参数，使发电机电压与电网电压同步后并网［9］。

（2）直驱同步风力发电机的并网介绍

直驱同步发电机系统的叶轮直接联接发电机，中间省去了增速齿轮箱，降低了风电机组的体积，也减轻了风电机组的重量，给风机的安装和维护带来便利。在并网之前，控制器会采集电网的电压、频率及相序等相关参数，并将相关参数传到逆变器中，与输出电压等参数进行对比，通过变频器调整控制输出电压的相关参数，当发电机输出电能的各项参数和性能指标满足电网的并网要求时，就可将整个系统并入电网［3］。

这种并网方式对变频器要求较高，需要全功率高性能的变频器，但是并网过程操作简单，不会产生冲击电流，不会引起电网电压下降，可实现风机的柔性并网控制，并网特性可编程，同时不会对发电机定子绕组及其他机械部件造成损坏。

2 风电并网对电力系统造成的影响

2.1 风电并网对电力系统稳定性的影响

由于我国风电尚处于发展初期，风电技术不成熟，以及只追求快速完成装机容量，而忽视了风机的质量监管。同时相关标准和监控的空缺和不完善，造成风电机组低电压穿越能力普遍缺失、风电场无功控制不到位、场内设备存在缺陷、风电场运营管理经验不足等诸多问题，风机脱网事故频发，对电网的安全运行造成冲击，影响电网电能质量和负荷正常供电。

2.2 风电并网对电力系统电能质量的影响

风能是一种瞬息万变的不稳定能源，即使风力发电机通过系统控制与调节尽量使输出电能保持稳定，仍无法避免输出电能的小波动及其带来的电能质量问题。由于风速变化、风机投切、风湍流等原因可能会引起电压波动，造成电压偏差，引起电压波动及闪变问题；并网后风电机组运行的不稳定或相对频繁的投入和切出操作，使风电场所接入系统的潮流经常处于一种重新分配的过程，影响系统的频率，带来频率偏差，严重时整个风电场突然切出，造成瞬间电源和负荷的失衡，引起系统频率瞬时降低。由于风电场的出力与负荷变化规律相反，风电场的并网发电，常常使等效负荷峰谷差增大。随着风力发电规模的增加，其在电网容量中所占的比例也相应提高，风电并网使电力系统的电压偏差和波动、频率偏差、尖峰谐波和闪变等电能质量问题变得更加严重［10］。

2.3 风电并网对电网经济运行的影响

风电场出力的随机性，造成电网可能要额外提供负荷跟踪服务、增加备用容量服务、加强频率控制服务、调节无功功率服务等，增加风电投资成本，影响风电运营商的收益，造成风电上网电价较高。以新疆电网为例，它以火电为主，系统容量有限，当风电机组长期高效运行，导致只能通过减少火电机组运行量，以避免电网系统容量超限。但是火电机组的启停和维护费用都很高，若要满足一定容量的风电机组正常并网需求，只能牺牲电网系统中的其他电厂，降低了电网的经济性。所以风电并网必须考虑对电网经济运行的影响，予以政策支持［11］。

2.4 风电并网对电网消纳能力的影响

电网接纳风电的能力取决于电网地区的系统调峰能力。电网地区的系统调峰能力越高，可消纳的风电容量越大。由于风电装机容量的快速增长，风电建设投产规模远超过规划容量，造成配套的电网工程滞后于实际投产的风电项目，严重影响电网的消纳能力；而且我国风电集中地区的调峰技术手段缺乏，电源结构不合理，调峰能力有限，再加上各省区之间的电网网架结构薄弱，未能将多余的电能输送出去，导致部分风电场消纳能力不足，只能“弃风”。

系统调峰能力受到风电出力特性、电源结构、负荷特性、电网结构、市场和经济环境等多方面影响［12］。

2.5 风电并网对电力系统的其他影响

由于风电场的出力尚不能十分准确预报，可能增加电力系统的计划外负荷，因此，并网风电场的运行给电力系统中调峰和调频机组提出了更高的要求，不仅要求足够的容量，而且要求这些风电机组具有快速响应能力；风电场与电力系统联络线的潮流有时是双向的，这就给保护配置带来一定的技术难度；装机容量相同的风电场因接入点不同而对电网的影响也是不一样的。在短路容量大的接入点并网对电网系统的影响小，在短路容量小的接入点并网对电网影响大。

3 如何解决风电机组的并网问题

风电并网难和消纳难的根本原因在于电网系统结构的不合理、风电关键技术的不成熟和风电发展的盲目无规划性。针对风电并网难、消纳难和影响电网的电能质量等问题，结合我国的实际情况，可以从技术发展、电源优化、网架建设、统筹规划和政策法规五个方面提出以下解决方案。

3.1 完善风电技术

我国风电产业起步晚、发展快，但是在快速发展过程中缺乏核心技术，缺少相关风电行业的专业技术人才，风能开发利用经验不足，从而引起一系列的风电并网问题。要解决风电并网的问题，首先从完善我国风电技术开始，提高创新能力，加强风电技术研发能力，完善风电机组的低电压穿越能力，提高控制系统和变流器等风机关键零部件性能质量；加快风电专业人才培养，走产、学、研综合一体化发展道路，建立高校和科研所的风电专业人才培养基地［13］；吸取西方欧美国家建设风电场的经验，提高风电场设计和建设水平，推广风电场典型设计，加强风电场建设管理。

3.2 优化电源结构

解决风电并网带来的电能质量问题，需要改变我国的电源结构不合理的现状，加大调峰容量，给电力系统配置调频电源，保证系统频率在可调范围内。统筹规划安排新能源和其他电源的协调发展，优化电源结构，增加快速调节电源的建设；研究压缩空气蓄能、电化学储能等大规模蓄能技术及其应用，探索提高需求侧负荷率水平；研究风光储联合运行发电方式，协调系统调度运行方式，提高电网对风电的消纳能力［12］。

3.3 完善电网网架

我国风电并网中最大的问题就是由于电网的消纳能力有限而引起的“弃风”，2012年全国风电“弃风限电”超过200亿kWh。造成此问题的一个主要原因是我国风能资源丰富地区的电网系统规模有限，无法完全消纳风电场输出的电能；另一个主要原因就是不合理的电源结构，电网框架结构简单，引起的电网系统灵活调节性差。解决风电并网带来的消纳问题，就需要加大跨区跨省联网能力建设，完善电网网架，加强区域间互联，扩大风电消纳范围，实现跨省、跨区优化配置，充分合理运用联合区域的系统调峰资源，提高电网的风电消纳能力。

3.4 协调统筹规划

由于开发利用风电是一个系统工程，所以解决风电并网问题需要从全局着手，做好风电开发、系统电源、电网输送、消纳市场的统一规划，注重风电场的容量与经济效益，对应建风电场的并网容量进行优化分析［14］，将风电场项目的发展规划同电网的建设统筹考虑，建立风电项目与并网工程同步规划、同步投产的有效机制，保障电网电源协调发展。

3.5 完善政策法规

由于我国风电方面的法律法规不足，未及时指导和监督风电相关产业发展，导致我国风电发展过程中出现的大规模风电机组的脱网和弃风等问题。所以解决风电并网问题，需要国家相关部门完善风电发展的法律法规［15］，规范风电产业的健康发展，促进风电相关企业的技术创新，改革风电价格机制，监督落实优惠税收政策和电价补贴政策，激励推动风电产业的发展。