风电穿透功率及风电最大可接入容量分析

雷 钧

(山西省机电设计研究院有限公司,山西 太原 030009)

0 引言

近年来，化石能源将要面临的短缺危机与其燃烧产生的温室气体造成的环境恶化不断刺激着人们加大对可再生能源的开发与利用。风电是一种清洁的可再生能源,随着风电技术的进步与日益下降的建造成本，其获得了非常快的发展。但是，风电是不稳定的，由于风速时时刻刻都在变化，有的时候无法达到最低转速条件而无法发电；而有的时候会出现突然的风速上升，观察发现，虽然这种突然的迸发持续时间不超过20 s，但最高风速最少能达到29.632 km/h，峰谷风速差最少16.668 km/h[1]。风速的不断变化造成风力发电机的输出有功功率不断变化,目前风电的装机容量越来越大，如果将其并入电网，其出力的不断变化可能会给电网的稳定性和可靠性带来巨大的挑战,并且接入的风电容量越高，给系统造成的安全隐患就越大[2]。因此，我们需要对一个电力系统能够承受的风电容量进行评估。

1 风电穿透功率与风电最大可接入容量

风电穿透功率指电力系统(以下简称系统)中的风电装机容量占系统总负荷的比例，学术界用风电穿透功率来表示风电接入容量与系统负荷之比，那么风电穿透功率极限就是风电最大装机容量占系统总负荷的比例[3]，即：

(1)

因此分析系统的风电穿透功率极限也就是分析风电最大可接入容量。

2 风电穿透功率对电力系统的影响

风电对系统的影响可分为两类：①对当地的影响，指发生在风电场附近的，比如风电机所在支路的潮流、节点电压、保护策略、故障电流和谐波等；②对于广泛系统的影响，这种影响是大范围的，由风电接入电网造成的，也是与风电穿透功率密切相关的，风电穿透功率不同，风电接入容量的大小不同，对电网的影响也不同，主要包括对动态和稳定性、无功功率发生、电压控制、频率控制、传统发电方式的调度等的影响[4]，尤其是对频率稳定性和电压稳定性的影响。

2.1 风电穿透功率对频率稳定性的影响

风力发电由两个基本过程组成,首先由转子吸取风中的动能，将其转变成机械转矩;然后由发电系统将机械转矩转变成电能,风力发电机与电网连接，从而将发出的能量传递给电网中的负载。

风力发电机本身与传统的同步发电机不同，它与电网不同步，与系统的频率是不耦合的[5]。但是，为了让风力发电机与电网同步，会使用锁相环。如果电网中出现扰动，锁相环能够不受电网中扰动的影响，快速地度过暂态过程，让风力发电机正常运行。但是，这也会给发电机本身带来弊端。对于由普通的同步发电机和负荷组成的系统来说，如果负荷增加，或发电量减少，系统的频率将会降低。同时，由于普通的同步发电机的频率与电网存在耦合关系，电网频率由于发电量小于需求而会降低，发电机的转速也会降低。因此发电机转子动能减小，减小的这部分动能将转变为电能输送到电网中，帮助电网恢复频率的稳定,这个过程被称为惯性响应。但是，使用锁相环的风力发电机完全没有这个过程，当电力系统中接入的风电机越来越多时，系统的惯性响应能力越来越弱，遇到扰动造成频率的变化时，将很难恢复。因此，有风力发电机接入的电力系统允许工作的频率范围比传统发电机的频率范围要小。

暂态频率的不稳定可能在几秒钟内造成系统断电、低频工作还有机械共振的危险。为了防止系统损坏，系统还配备有低频继电器，如果风力发电机频率跳出了所规定的阈值范围，就会被低频继电器切除，从而系统发出的有功功率减少，频率进一步下降，引发更多的设备被切除，恶性循环可能让系统崩溃。也就是说，设备的切除造成了暂态频率不稳定。随着风电穿透功率的不断提高，惯性响应能力变弱，允许工作的频率范围变小。一旦频率降低，风力发电机会比传统发电机更早地被切除。如果风力发电机的切除造成的有功功率减少、频率下降等恶果，导致更多的风力发电机或者传统发电机被切除、暂态频率不稳定，系统断电就很有可能发生了。

为了改善频率响应特性，可以安装额外的储能装置，或者使用专门的闭环控制策略,这样能够快速改变有功功率的注入来减小频率的改变。这种快速频率响应措施又被称为惯性仿真(IE),IE使用的能源通常来自于风力发电机中的储能装置，再通过闭环控制回路让风力发电机在频率发生变化的10 s内释放能量，使频率迅速恢复。

2.2 风电穿透功率对电压稳定性的影响

当电力系统中负荷增大时，也有可能出现电压降低的现象。电压失稳与无功是密切相关的,风力发电机在发出有功功率的同时，也是个无功负荷，吸收无功功率。风电加入电网后，系统本身的扰动比起风力发电机由于风速的变化造成的出力变化来说已经很小，因此，风电的大规模并网，主要应该考虑的扰动是风力发电机本身的出力扰动。

当风电场输出的有功功率上升时，它消耗的无功功率也增大,同时，线路消耗的无功也会增加。为了对无功进行补偿，需要在发电机端并联电容器。正常工作时，并联电容器和线路发出的无功大于风电场和线路消耗的无功，风电场的电压能够保持稳定。如果风电场的出力上升，比如说出现如上文所说的风速迸发，风电场这些无功负荷增大，而大于并联电容器所能提供的无功，因此风电场机端电压降低。同时，机端并联的电容器由于其两端电压降低，所发出的无功更加减少，造成更坏的结果。

由于双馈感应电机效率高，因此是目前使用最广泛的风力发电机，它能够实现有功和无功的解耦控制，即可以让风力发电机在发出有功功率的同时通过特定控制手段不消耗无功，这无疑是好的，有益于整个系统的电压稳定。但是风电场出力大时，线路消耗的无功增大，也会引起风电场电压的降低，造成电压的不稳定,可以尝试让风力发电机发出一定量的无功对线路消耗的无功进行补偿[6]。

3 风电穿透功率极限的评估

考虑到电网能够承受的风电接入容量有限，需要对风电穿透功率极限进行评估。至今，学者们已经提出了很多计算穿透功率极限的方法。文献[7]中提出，由于节点输出的有功功率上升时电压会下降，可以使用PV(P为风电场发电功率，V为母线电压)曲线确定风电最大可接入容量。当风电输出有功功率较低时，部分负荷需求被满足，电压将上升,但当风电场出力继续增大，全部的负荷需求被满足后，还有多余的有功功率将会导致电压降低，吸收的无功功率也会增加,当电压降低到崩溃电压时，会造成电压的不稳定。实际上，不可以把崩溃电压作为临界值，为了维持电压稳定应该留有一部分预留电压，国家标准将其规定为额定电压的10%～15%。根据最低的电压值找到PV曲线中对应的风电场发电功率，即可确定风电最大可接入容量。

在文献[8]中提出，自然界的风速是不断变化的，因此，风力发电机的输出功率也在不断发生变化，可以将风速视为随机变量来考虑，根据风速与输出功率的对应关系得到表示输出功率的随机变量。假设风速服从Weibull分布，而负荷服从正态分布，求出表示风速、风电装机容量、传统发电机装机容量、负荷功率的表达式，用蒙特卡洛方法得到满足约束条件的概率，根据所要求的置信程度确定风电装机容量。

在文献[9]中提出，为了保持频率稳定对风电穿透功率的限制，需要研究单位有功出力的变化是如何影响频率变化的。风电场发出的功率并不是全部都有用，有些要被滤掉，因此产生了滤波效率μW。功率变化引起的频率波动应该有阈值，设频率在这个阈值内变化所对应的功率的变化量为Pfreq_lim。风电穿透功率又可近似表示为风力接入容量与所有发电容量的比值，用μfreq_lim来表示Pfreq_lim与除了风电外其他发电方式容量之比，其物理意义是表示其他发电方式承受的功率波动。经过推导，可以得到风电穿透功率的表达式：

(2)

文献[10]给出了同时考虑电压和频率约束的风电穿透功率极限计算方法，即在电压和频率变化范围的两个约束条件下，优化搜寻风电功率的最大值，其数学模型为：

maxF(p)=p.

(3)

(4)

其中：p为风电场容量；u(p)为系统节点电压标幺值；f(p)为系统节点频率标幺值；umin、umax分别为系统节点电压标幺值的上、下限；fmin、fmax分别为系统节点频率标幺值的上、下限。

这个系统数学模型涉及没有风电场时和加入风电场后的变化，因此进行变换后为：

maxg(p)=xu(p)+xf(p).

(5)

(6)

其中：xu(p)、xf(p)分别为系统电压、频率可能越限的程度，当其值为1时相应的电压或频率达到约束条件的边界值；um(p)为系统节点电压所能达到的最值；u0为系统节点电压的边界值；um(0)为系统没有接入风电场时电压能达到的最值；fm(p)为系统节点频率所能达到的最值;fm(0)为系统没有接入风电场时频率能达到的最值；f0为系统节点频率的边界值。

公式(6)的求解方法是在将约束条件展开近似成泰勒二次展开式后，先对没有接入风电场的系统进行仿真，然后对于某次迭代的接入功率进行仿真，直到满足收敛条件，得到近似的系统所能承受的风电功率最大值。

4 结语

风电出力的不稳定性会给电力系统造成巨大的挑战，因此风电并网的容量有一个限度，不能超出电力系统的承受范围。本文分析了风电对系统的影响，将影响分为两大类，一是对风电机及其附近设备的影响，二是对广泛系统的影响；指出风电对广泛系统的影响与本文研究的风电穿透功率十分密切，并在频率和电压稳定性上分析了风电穿透功率是如何影响广泛系统的。在频率稳定性方面，如果用风电机代替传统发电机，会大大削弱系统的惯性响应能力，从而使得系统发生功率的变化而导致频率变化时难以复原。由于风电的加入，系统的工作频率范围变小，更容易出现超出频率范围阈值而切除发电机的情况，易引发恶性循环造成系统崩溃。可在风电机安装储能装置和闭环控制单元来对发生波动的功率进行调节，以改善功率波动的问题。在电压稳定性方面，主要分析了风电机出力的增大造成风电机本身及等效线路消耗的无功功率增大，从而产生较大压降。提出控制DFIG发出一定量无功，进行无功补偿，以改善无功消耗增大的问题。最后总结了风电穿透功率极限评估的方法，从电压和频率的变化范围两个限制方面来考虑，在这两种约束条件下，迭代找出风电并网功率最大值。