关于风电穿透功率极限的探讨

程德才，吴宏才

（冀北唐山供电公司，河北 唐山 063000）

随着风电的快速发展，风电机组单机容量和风电场规模越来越大，大型风电场并网运行对电力系统的影响越来越明显，从而对电力系统的供电质量和可靠性也带来了新的挑战。为了确保系统的正常运行，有必要对系统中风电场的容量作一定的限制。因此，如何确定系统在正常运行前提下可以接受的最大风电装机容量，即系统的穿透功率极限计算成为十分紧迫的研究课题。

1 影响风电穿透功率极限的因素

系统的网络结构是影响风电穿透功率的重要因素之一。在常规机组出力约束相同的条件下，风电场从不同的节点接入系统，系统的穿透功率极限是不同的。一般来说，风电场接入系统节点离发电厂越近时，他的穿透功率极限会越小，因为此时它对系统频率影响较大。另外风电场从几个点同时接入，系统能够接受的风电容量一般要比只从一个点接入时高。

系统的运行调度方案是影响风电穿透功率的又一因素。要达到风电场出力最大，系统内其他常规机组需减少出力，即系统的常规机组出力存在一个优化调整的问题，这说明要最大程度的接受风电，需要对系统的机组调度方案进行优化。

此外，风电穿透功率水平还受到很多因素的影响，如系统的运行方式、常规机组的出力限制和系统的旋转备用要求等。

2 确定风电穿透功率极限的常用方法

风电穿透功率极限由于涉及的因素较多，因此还没有统一的算法和公式来计算。目前一般采用数字仿真或优化的方法。

（1）确定系统的几种典型运行方式。对于含风电的电力系统而言，不同的运行方式对应的风电穿透功率极限也不相同，一般选择风电场的并网运行对系统运行的冲击最大的运行方式进行计算，只要在这些运行方式下能够保证系统稳定，就可以保证系统在其它运行方式下也能稳定运行。一般选择系统负荷最大和负荷最小两种运行方式.这是因为，在最大负荷时系统热备用较少,如果在很短的时间内风速由额定值减小至零风速，则风电场的有功功率会在短时间内由最大输出功率降为零,有功缺额将使系统频率和电压产生大的变化。在最小负荷时,风速如果在很短时间内由零风速增至额定风速，风电场的有功功率将会在短时间内由零增加到最大输出功率，系统中产生的有功增量将影响系统的稳定运行。

（2）确定系统的扰动形式和安全目标。①系统扰动形式。在风电场出线处设置一些常规故障和由风速变化引起的风电场输出功率波动，考虑对系统影响最大的扰动形式，一般采用风电场出线处单相永久接地短路故障、风速在短时内由停机风速升至额定风速和由额定风速降至停机风速三种扰动方式。②系统安全目标，即系统正常运行时所要满足的各种约束条件，包括静态安全约束和暂态稳定判据。静态安全约束指标主要是系统中各线路潮流不过载,各节点电压不越限（波动范围5%）。暂态稳定判据为系统中发电机最大功角差第一摆和第二摆衰减震荡，中枢节点电压恢复稳定。另外,还可以采用其他安全目标以负荷损失概率为指标。

（3）根据建立风况模型和风电系统的数学模型，应用数字仿真方法或优化方法计算风电穿透功率。数字仿真，用数字仿真方法求取风电穿透功率是一种验证性的间接计算方法，首先设想一个风电功率，然后根据选取的系统运行方式，通过动态仿真检验系统在该水平的风电冲击下是否会失去安全性和稳定性，通过分析仿真结果，再对风电场的容量值进行修正；通过不断的仿真、分析、修正，直到求得该种运行方式下满足约束的风电场最大容量进而确定穿透功率极限。在对风电场容量值不断修正的过程中，修正值的选取是风电场穿透功率极限计算的关键。仅靠人为地修正风电场容量，既不科学也很难快速准确地求得风电场最大容量。当系统十分复杂时，仿真次数的增多会使计算量变得很大。因此数字仿真方法无法全面考虑系统的各种运行方式和风况条件。

3 提高风电穿透功率极限的措施

根据我国电网的具体情况，一般来讲风电穿透功率不超过8%时，不会出现大的技术问题。这与国外风电穿透功率水平是有较大差距的，有数据表明，欧洲电网的风电穿透功率可达20%，丹麦西部电网在大风时曾经历过50%的穿透功率。我国要在未来的几十年内大力发展风电，穿透功率极限的提高是非常必要的。提高穿透功率极限主要通过以下措施：

（1）从电压稳定的角度上，为了提高风电穿透功率，可以安装有载调压变压器和并联无功补偿设备。通过比较指出，有载调压方案对提高风电场的经济效益来讲是最优的，尤其是对于更高穿透功率其优越性会更加明显。但有载调压方案会一定程度上增加系统的网络损耗，且需要有相应的测量和通信系统进行配合，因此具体应用时需综合考虑。

（2）采用先进的风电场的风速预测技术，优化系统运行方式，以减小风电场扰动对系统稳定性的影响。风机输出功率/风速关系曲线如图1所示，（其中为切入风速，为额定风速，为切出风速，为额定输出功率）风速在切入风速和额定风速之间时，功率曲线的斜率很陡，在此区间风速预测的准确性对输出功率的影响也最大，文献[7]基于丹麦西部电力系统的计算得知，风速在5~15m/s之间时，每1m/s的风速预测误差将引起风电机组大约320MW的变化。

图1 风机输出功率/风速关系曲线

此外，采用优秀的负荷预测技术优化系统运行方式，安装新型快速启停的发电机以增加系统的功率调节能力，都能够有效的提高风电穿透功率极限。