大型风电场并网运行的若干技术问题研究

汪天呈 王克 甘瑜前

摘要：首先对大型风电场并网运行模式进行了简要介绍，然后在此基础上，针对大型风电场并网运行中主要面临的技术问题进行了研究，为我国大型风电场规划设计与运行提供了参考。

关键词：大型风电场;并网运行;共振型低频振荡;抗干扰能力评价

0 引言

风能属于可再生资源，在全球能源紧缺的背景下，风能的开发利用受到了全世界的广泛关注，风电技术得到了不断发展。我国具有丰富的风能资源，为风电项目开发创造了有利条件。与常规能源发电相比，我国的风力发电具有一定特殊性：一方面是风能资源不均衡，虽然我国具有丰富的风能资源，但主要集中在华北、西北及东部沿海地区，风能资源分布不均衡使许多大型风电场在进行风力发电时，需要依靠超高压系统输出风电，相较于世界其他地方，我国风电场装机容量较大，给风电场电网的稳定性等带来负面影响。风电系统并网运行不仅导致整个电力系统更加复杂，还会严重影响电能质量及输电稳定性。另一方面是受到输电形式的影响，目前我国大型风电场主要采用的是直流输电系统进行风电输送，将西部地区大型风电场产生的电能向东部负荷中心输送，以此解决风能资源不平衡的问题。本文在充分利用、开发风能资源的基础上，分析大型风电场并网运行存在的技术问题，希望能为风电场的规划、设计及运行提供参考。

1 发电机并网运行

发电机并网运行就是将发电机同步并入电网中，对电网输出电能。发电机并网运行属于一种运行连接模式，在这一模式中将发电机与系统电网连接，并保持发电机的电压、频率等与系统电网一致。目前在发电机并网运行中，主要是通过准同期和自同期两种方法并网，其中准同期指的是将发电机的电压、频率、相位等与系统电网保持一致，从而实现与电网系统并网;自同期是指待系统电网与发电机的共有频率一致时，将发电机出口断路器合上，并与电网系统连接，然后再将发电机的励磁电流、压力升高，进而实现与电网系统并网运行。從实际应用情况来看，在大型风电场中，主要是通过准同期模式进行并网，借助微机技术判断是否达到同期条件，然后在此基础上自动发出断路器合闸信号，进而实现并网。大型风电场并网模式如图1所示。

风力发电场并网运行，除了风能本身具有环保优势以外，还具备以下几个方面的优点：（1）建设工期短，发电机组及其他辅助性设备在设计和安装时较简单，一般情况下，建立一个10 MW级的风电场，建设工期不会超过1年。（2）占地面积小，且对土地质量要求低。在大型风电场中，风电机组设备所占的建筑面积较小，所以一般情况下其他场地还可用于农牧业和渔业发展。（3）自动化程度高，随着科技的发展，可实现对风电场的自动化运行管理，不需要配置专门人员值守。

风电场并网运行虽然有许多优点，但也存在局限性，主要表现在以下几个方面：（1）自然风能不可控，难以实现风能的大量储存，在现有技术条件下难以对风电机组进行有效调节;（2）供电不稳定，这主要是因为难以准确对风速进行预测，且发电机组在输出电能时存在随机性问题，不能满足发电容量需求;（3）风能利用率较低，相较于水轮机，要想获得同样的发电容量，就需要增大风力发电机的尺寸，主要是因为风能的能量密度较低，实际上风力发电机的最大风能利用率是40%，所以一定程度上会阻碍风电机组容量及风电场规模的进一步发展。

2 大型风电场并网运行中重点需要解决的技术问题

2.1    输电系统共振型低频振荡风险问题

在单机容量有限的情况下，一般情况下，小型风电场与系统电网并网之后，风电场与发电机距离较远，所以基本不会出现功率谐振的情况。但是对于直接联入输电网络的大型风电场而言，则很容易出现共振型低频振荡风险。导致这一风险发生的主要原因包括：（1）原动力不可控，也就上述提到的风力发电具有不可控的特点，自然风速具有随机性和不稳定性，风能在导入每一组风力发电机时都可能成为激励源。（2）相较于常规的发电机组，风电机组在整体结构上具有较高的柔性，使得机械振动问题难以避免，并直接导致风电机组存在输出功率振荡的问题。（3）在平均转矩方面，风电机组的平均转矩比传统发电机组的平均转矩要高出20%以上，尤其是对于大型风电场而言，风电机组还会出现几十万千瓦的功率振荡，严重威胁输电系统的安全性和稳定性。（4）在风电场功率振荡频率与电力系统的低频振荡频率一致的情况下，发生共振风险的概率大大提升。

2.2    输电系统抗干扰能力评价与预警问题

随着科技发展，我国在风力发电技术上取得了显著成效，但仍然经常发生风电事故，主要是因为风电机组及风电场并网时，缺乏完善的监测指标和制度，大部分风电机组在电能质量、功率、电压及调节功能等方面并未形成科学的监测系统，加之风电场本身比常规电场的抗干扰能力低，所以在风电场并网运行中的持续性发电受到阻碍。尤其是对于一些大型且抗干扰能力较差的风电场而言，在并网运行时很容易出现反复脱网的问题，不利于保障输电系统的安全性和稳定性。除此之外，相较于常规电站，风电场具有一定的特殊性，不仅需要大量机组，且目前许多大型风电场并没有建立起可靠性较高的数学模型，无法对风电场的离线稳定性等参数进行准确计算和分析，在风电机组长时间运行的情况下，会影响输电系统的稳定性。因此，大型风电场在并网之前应当进行严格的测试，并在并网后进行实时、动态地抗干扰能力监测与评价，以此对大型风电场的安全性进行分析，一旦出现异常情况可及时向大型风电场的电网运行人员发出报警信息，使其能科学有效地进行应急处理。

2.3    风电机组与其他常规机组协调控制问题

大型风电场并网运行后，很多学者主要针对其发电稳定性进行了研究和分析，因为发电稳定性尤其重要，一旦发电出现异常，就会对大型风电场的接入元件造成损坏，进而引发风电事故。但是，大型风电场并网运行后，其发电稳定性是变好还是变坏，并没有一个系统的、固定的结论。相关专家虽然对大电网接入大型风电场中其稳定性趋于变好还是变差进行了系统研究，但是仍然存在一些问题，主要表现在当电网大规模接受异步电动机导出的功率时，仍未彻底解决如何做到“趋利避害”，确保电网接入大型风电机组系统时整体系统稳定性的提升的问题，关键在于风电机组与其他常规机组的协调控制问题，需要对大型风电机组对同步机组产生的影响以及风电机组与其他常规同步机组的交互作用进行研究。

3 结语

我国大型风电场大规模并网运行是一项复杂的工程，为确保大规模并网运行工程能顺利开展，需要对当前大型风电场并网运行技术进行改造与升级。为此，本文在介绍发电机并网运行模式的基础上，提出了大型风电场并网运行时需要解决的3个技术问题，希望能更好地促进大型风电场大规模并网运行工程的发展。

[参考文献]

[1] 叶宁.大型风电场发电运行提质增效技术探讨[J].红水河，2018，37（6）：55-58.

[2] 张曙云，王重.STATCOM对大型双馈风电并网系统稳定性改善的研究[J].电工技术，2018（10）：77-79.

收稿日期：2020-07-22

作者简介：汪天呈（1990—），男，安徽黄山人，硕士研究生，研究方向：新能源并网。