风力发电站接入电力系统的最大容量分析*

2022-08-01申秘蔓

光源与照明 2022年1期

关键词：发电站装机容量发电机组

申秘蔓

桂林信息科技学院，广西桂林 541004

0 引言

近年来，我国风电建设规模迅速扩大。然而，在风电大规模接入电力系统时，出现了一系列不容忽视的问题。如何合理地确定和提高风力发电站接入电力系统的最大容量成为新的课题。

1 风力发电站接入电力系统的最大容量的影响因素

1.1 内部因素

（1）风力发电机组自身的特性。风力发电机组的出力大小和发电状态取决于风速，而风速存在间歇性和不稳定性，这导致风力发电机组的出力也表现为间歇性和波动性，而风力发电机组的发电状态难以准确预测，其具有不可调节的特点。因此，风力发电机组自身的特性使可接入电力系统的风力发电站的容量受到一定限制。

（2）风力发电站并网接入点的实际情况。风力发电站通常分布在风力资源较丰富的地区，而此类地区往往远离负荷中心，当地电网的网架结构也相对落后。当风力发电站接入容量较大时，将对局部电网的电压质量、潮流分布和稳定性产生显著影响。因此，风力发电站并网接入点的实际情况使可接入电力系统的风力发电站的容量受到一定限制。

1.2 外部因素

（1）电力系统消纳风电容量的能力。风力发电机组的无功补偿直接影响风力发电站的输出特性，会对接入后的电力系统电网电能质量和运行稳定性产生影响。当电力系统中接入的风电机组的装机容量较大时，电力系统需要具备更充足的备用容量和更大容量的无功补偿设备，以抑制系统电压及频率的波动。因此，电力系统接受和消纳风电容量的能力限制着可接入电力系统的风力发电站的最大容量。

（2）风力发电站与电力系统接入点的连接方式。风力发电站与电力系统接入点的参数包括连接线路的电压等级、长度、导线阻抗值等。接入点的连接方式不同，参数差异也较大，这会直接影响接入局部电网的节点电压的分布情况。因此，风力发电站与电力系统接入点的连接方式对可接入电力系统的风力发电站最大容量有一定影响。

（3）电力系统的负荷特性及负荷水平。风力发电站选址地区的电力系统的负荷特性及负荷水平的不同，会使风力发电站并网接入后的电力系统的潮流分布、电压调节特性、频率调节特性等存在不同。

2 风力发电站接入电力系统的最大容量对电力系统的影响

2.1 对电力系统频率的影响

风力发电机不同于传统的发电机，其与电力系统的频率不耦合。当电力系统中出现扰动或者电网频率降低时，风力发电机组由于没有传统发电机所具有的惯性响应，不能通过与电力系统频率的耦合降低发电机转速，仍处于正常运行状态，无法帮助系统恢复频率的稳定状态。因此，有风力发电机接入的电力系统的允许工作频率范围比传统发电机的频率范围要小，为保障电力系统频率的稳定性，有必要研究风力发电站接入电力系统的最大容量。

2.2 对电力系统电压的影响

风力发电机在输出有功功率时，本身存在无功负荷，需要从外部吸收无功功率，故而需要在发电机端并联电容器来进行无功补偿。当风电大规模并网时，其吸收的无功功率也显著增大，一旦出现风速迸发的情况，风力发电机组会出现较大的无功功率缺口，显著降低风力发电机组的机端电压。发电机端并联的电力电容器会随着机端电压的降低而减少无功功率的补偿，使系统一些节点的电压水平下降，电压易出现波动和闪变，导致系统电压不稳定。因此，有必要结合电力系统电压水平和电压稳定的要求，研究风力发电站接入电力系统的最大容量。

2.3 对电力系统电源分布的影响

风力发电站接入电力系统的方式有两种，一种是将多个风力发电站集中接入电力系统，即将多个风力发电站作为一个集中的功率输出节点向电力系统输送电能；另一种是将多个风力发电站分散接入电力系统，即将每个风力发电站作为单个的功率输出节点向电力系统输送电能。电力系统的网架结构需要根据电源和负荷的分布位置进行规划设计，当系统负荷不变时，无论风力发电站采用何种接入方式，都会使电力系统的实际潮流方式发生改变，也会改变电力系统的实际电源分布情况。

3 确定风力发电站接入电力系统最大容量的稳态潮流仿真法

稳态潮流仿真法就是对风力发电站接入电力系统的最大容量的求解问题，其实质是求解最大值，也就是最优化的方法的问题[1]。

3.1 稳态潮流仿真法的优化模型

为了确定风力发电站接入电力系统的最大容量，需要使用稳态潮流仿真法，建立优化模型，给出目标函数和约束条件[2]。

先列出风力发电站接入电力系统的目标函数fi（Pgi），如下：

再列出等式约束条件，即列出极坐标形式的潮流计算方程，如下：

式中：PDi、QDi分别为节点i的负荷的有功功率和无功功率；Pgi、Qgi分别为风力发电站接入系统的有功发电容量、无功发电容量；QRi为系统中可调节的无功补偿容量；PGi、QGi分别为常规发电机组的有功发电容量、无功发电容量；Ui和Uj分别为节点i和节点j的电压的幅值；θij为和节点i和节点j的相位差；Gij和Bij分别为网络导纳阵中相应的元素；N为总节点的集合；αi为风力发电站输出的功率因数。

最后再列出不等式约束条件，可写为

式中：Pij为线路的有功潮流，为风力发电机组的有功集合；SG、SGc分别为常规发电机组的有功集合、无功集合；SR为可调节的无功电源的集合；SN为系统节点电压的集合；SCL为线路输送有功容量的集合；SL为线路输送断面的集合；PLi为线路的输电断面；Pgi、PGi、QGi、QRi、Ui为需要优化的各个状态变量。

3.2 稳态潮流仿真法的步骤

（1）确定接入点采用的节点类型。由于风电机组具有恒功率因数和恒电压两种不同的控制方式，应先根据风电机组的实际控制方式确定接入点采用的节点类型。

（2）潮流计算。根据设定的风力发电站的最大接入容量，将所有风电机组模型的输入风速设定为在切入风速到额定风速的范围之间变化，进行潮流计算。

（3）判断潮流计算结果是否符合约束条件。当潮流计算结果不能满足稳定运行条件时，可通过调节无功补偿设备来增加无功补偿容量，进而达到改善风力发电站的运行条件的目的。

（4）改变电力系统的运行方式。在计算潮流的过程中，不需要考虑电力系统的每一种运行方式，只需要考虑最大负荷、最小负荷和典型负荷等电力系统运行方式，判断这些运行方式的计算结果是否满足要求即可。

4 合理确定风力发电站接入电力系统的最大容量

4.1 评估决定地区风力发电站装机容量的技术因素

不宜将稳态潮流仿真计算分析的结果直接作为风力发电站接入系统的最大容量，还需要综合考虑各种决定地区风力发电站机组装机容量的技术因素，如地区电源系统的结构和备用容量、地区电网的负荷水平、电能质量控制指标、系统的稳定性约束等。其中，静态安全约束是可用于计算地区风电机组装机容量的基本约束条件之一，考虑稳定约束后，风电机组的装机容量可能会受到较大限制而不能达到计算得出的最大装机容量[3]。因此，在确定最大装机容量时，还要综合考虑限制因素，以确定最终的最大装机容量。

4.2 评估风电穿越功率极限

风电穿越功率极限是指风电最大装机容量占电力系统总负荷的比例，即电力系统能接受的风电最大装机容量与电力系统最大负荷的比值。

由于电力系统能承受和消纳的风力发电站的接入容量的大小有限，在规划风力发电站的建设和将其接入电力系统时，需合理评估风电穿越功率极限，以保障电力系统的稳定运行。因此，需综合考虑电力系统的电压、频率的变化范围，在满足约束条件的情况下，找出风力发电站接入电力系统并网运行时的功率最大值[4]。

4.3 评估风力发电站的综合价值

建设风力发电站时不仅要考虑风电机组的最大装机容量等技术性要求，还要考虑风力发电站的综合价值这一经济性要求。风力发电站的综合价值包括发电成本、发电收益、辅助服务成本、环保效应等。风力发电站的综合价值不一定与风电机组装机容量成正比，通常，当接入的风电机组装机容量较小时，风力发电站的综合价值会随风电机组装机容量的增大而增加；当接入的风电机组装机容量达一定水平时，风力发电站的综合价值反而会随风电机组装机容量的增大而减小[5]。因此，在确定风力发电站接入电力系统的最大容量时，还需考虑风力发电站的综合价值。

5 提高风力发电站接入电力系统的最大容量的措施

5.1 加大资金投入

风力发电本身具有波动性和不稳定性，为保证风力发电站接入电力系统后系统能够可靠稳定运行，电力行业需持续加大资金投入，建设满足风力发电站接入的备用容量，以提高风力发电站接入电力系统的最大容量，提高电力系统的接纳能力。

5.2 加强电力系统规划建设

加强电力系统网架结构建设是大容量风力发电站正常接入电力系统的有力保障，而大容量风力发电站的接入是对电力系统网架结构的合理补充和有力支撑。应将风电建设纳入电网规划，统筹规划风力发电站与电网的建设。在规划建设电力系统时，应当继续坚持以特高压电网为主干网架，其他电压等级电网网架协调发展的建设原则[6]，这样才能保证大容量的风力发电站更灵活、更可靠地接入电力系统，保障电力系统的稳定运行，提高风力发电站接入的最大容量，发挥风力发电的优势，取得更好的经济效益。