分散式風電并網關鍵技術研究

2018-05-04 16:21:52 《能源工程》　點擊量：評論 (0)

摘要：本文介紹了國內外分散式風電的發展現狀，從政府政策和分散式風電本身優劣兩方面分析了原因。針對分散式風電并網對于配電網特性的影響

摘要：本文介紹了國內外分散式風電的發展現狀，從政府政策和分散式風電本身優劣兩方面分析了原因。針對分散式風電并網對于配電網特性的影響和分散式風電運行的關鍵技術進行了綜述，列舉了目前的各項研究成果，并對未來發展進行展望。

0 引言

隨著經濟增速放緩，社會用電量減少，風電消納問題日益突出，目前我國的集中風電發展受到很大限制。

相較于集中式風電，分散式風電有諸多優點。在化石能源和水資源較為貧瘠的地區，可利用分散式風電補償負荷突然增長，免去擴容輸配電設備所產生的費用;在負荷集中的周邊地區修建分散式風電場，可減小用電壓力，推遲電網的擴建，增加政策制定的彈性并緩解資金壓力。

分散式風電布局靈活，可以布置在需要提高電能質量的網絡末端，同時達到提高電能質量的目的。另外，分散式風電還可參與調峰調頻等輔助服務，拓展風電的利用場景。

國內的分散式風電發展仍處于起步階段，借鑒全球發展經驗、集中攻關并網關鍵技術和積極推廣實踐，是目前階段的主要任務。

1 國內外分散式風電的發展現狀分析

1.1國內外分散式風電的定義

我國的分散式風電接入項目是指距離負荷較近[1]，不經過長距離輸送，所發電力直接接入周邊電網就地消納的風電項目。

分散式風電與分布式風電的發展模式略有不同。前者的發展模式為同一監控、當地消納，主要目的在于解決區域負荷增長;后者發電的風電裝機容量小、電壓等級低、所發電量自發自用，剩余電量才接入電網，主要目的在于解決用戶本身的負荷要求。

國際上沒有明確定義分散式風電。雖然強調風電的分散接入，但是沒有對風電的容量進行限定[2]。總的來說，提倡在電壓水平相對不高的電網節點接入，以提高利用效益。在決定適合接入的電壓等級前，需綜合考慮當地的已有負荷情況和中長期范圍內將興建的電源規劃，此外，還要考慮當地的資源，探索風電場適宜的開發規模。

丹麥、德國等可再生能源比例較高的國家，存在直接接入低電壓等級電網的風電[3]，這些風電規模不大，且不經過遠距離傳送，與國內對分散式風電的定義十分相近。而西班牙、美國等風能開發方式，則接近我國此前的集中開發方式。因為存在風電資源分布與大型負荷不匹配的問題，所以采用集中興建大型風電場，再利用輸電網絡統一外送到電量需求大的地方。

1.2國內分散式風電的發展

我國的分散式發電發展時日尚短。國家能源局在2012年3月公布的第二批風電項目核準計劃中，“分散式”三字才被明確提及，預計裝機容量為837MW。分散式風電的發展也存在地域性的差別，西北地區發展得最為迅速[3]，風電裝機容量占到總體的53.8%，發電量占到48.3%，華東地區次之，分別是34.4%和39.6%。較早啟動的華能定邊狼爾溝分散式示范風電場于2012年正式運行，新疆哈密雅滿蘇風電場也于2013年投入運行。但總體而言，真正投入運營的分散式風電場仍為少數。

我國分散式風電的發展速度并不快，主要原因有：(1)分散式風電主要利用低風速資源[4]。高風速和低風速資源需要的風電機組不完全一致，為了建立分散式風電場，需要更新已有的風電設備。一方面需要投資方投入額外資金，另一方面也需要市場容量足夠大才能驅動上下游產業做出技術革新;(2)分散式風電發展時間短，諸多產業規范、技術標準還未完善，且分散式風電設備與分布式光伏相比，體積較大、安裝麻煩，從而在征地、安裝、環評方面的程序都較為復雜;(3)2014年后，我國的經濟發展結構發生變化，社會電力需求增速放緩，某些地域甚至停滯，電網對可再生能源的消納能力大幅減弱。且目前風電機組輔助設備應用水平較低，參與調峰調頻能力弱，無法撼動傳統能源發電場在電力系統中的地位。

隨著國家政策的進一步推動，分散式風電即將開始新一輪快速增長。2016年國家頒布的“十三五”規劃綱要明確指出，要加速我國分散式風電的發展。尤其是在經濟較為發達、負荷水平較高的中東部和南方地區。這些地區的省份多為用電大省[5]，而風力條件卻不如西部和北部省份。

因此，高效靈活的分散式風電更有助于滿足負荷需求和電源質量要求。

1.3國外分散式風電的發展

美國和一些歐洲國家為了推進分散式風電的建設，出臺了一系列政策[6-10]，包括可再生能源配額制、財政補貼和稅收優惠政策、雙向義務機制等，得到了不錯的結果。

美國的風電裝機容量位列全球第二，風電在美國的兩個州達到了占比25%的電力供應，九個州達到12%以上。雖然風電發展依然受制于生產稅額抵免政策，但近來美國商業公司大舉投資可再生能源，或將加速風電進入平價上網的趨勢。

德國陸地風電場裝機規模較小，大部分直接接入6～36kV或110kV的配電網，以就地消納為主。但隨著裝機容量的不斷擴大，德國也將考慮將風電并入輸電網。

丹麥電網與挪威、瑞典、德國電網相連，組成北歐電網[3]。丹麥的配電網為100kV以下電網。丹麥風電較早開始大規模發展，受時代限制，風電機組的規模不大，因此丹麥風電機組主要接入電壓等級為20kV及以下的配電網。另外還有小部分接入30～60kV的電網。目前，前者占到丹麥總風電裝機容量的86.7%，后者則為3.1%[6]。

2 分散式風電機組接入對配網特性的影響

分散式風電的滲透率不斷增長會對配電網的特性產生很大影響。如正常運行時風速的隨機波動性引起輸出功率的變化給電網帶來波動與閃變、風速低于切出風速時風機從額定運行狀態退出[11]、短路電流水平增大引起的電壓暫降特征的改變等。雖然分散式風電并網產生了一些負面影響，但同時也有積極的一面。當電網中關聯負載較大時，它能及時提供電能，緩解傳輸線路上的輸電壓力，從而降低電網出現故障的可能性。風電機組還能提供一定的無功支撐，增強母線節點穩定電壓的能力。

2.1電壓波動

分散式風電接入電網的位置選取具有較大的靈活性，能使電網結構發生很大改變。分散式接入使得電網功率流動不再簡單從電源流出，分層流向各級負荷。而是在電量的任何輸送環節上都可能存在電源，因此功率流動方向不再單一。電網潮流改變，必然會導致網絡節點電壓和相角的變化。此外，風電自身還具有隨機性、波動性等特點，風機出力的不斷變化，也會給電壓調整造成難度，不利于電壓穩定。

文獻[2]指出接入風電后，由于饋線上的傳輸功率減小以及風電輸出的無功支持，使得沿饋線的各負荷節點處的電壓被抬高。風電接入配電網后，若風電的變化與當地負荷變化趨勢相同，此時風電將起到抑制系統電壓波動的作用;當風電不與當地的負荷協凋運行時，風電將增大系統電壓的波動。

文獻[12-16]研究了變速風電機組接入電網對電壓穩定所產生的影響，可采用多種不同的電壓穩定性指標來進行判斷。文獻[12]運用基于負荷波動的靜態電壓穩定指標衡量系統電壓的穩定程度。文獻[13]則是根據測量到的實時電壓變化來判斷電網電壓波動程度。文獻[14]通過系統固有電壓電流特性快速判別節點電壓，從而得出節點電壓波動程度。文獻[15-16]則從短路容量角度對電壓的穩定裕度做出判斷。

文獻[17-18]研究了風電并網如何影響電壓波動。節點電壓偏差由兩方面共同作用，一方面是系統運行水平和負荷大小，另一方面則取決于風力出力的大小。文獻[17]仿真發現，接入節點的短路比和線路抗阻比直接影響電網電壓波動情況，節點電壓高低與風電出力相關。文獻[18]還對電壓閃變值和網絡阻抗角之間的關系做了進一步研究。結果發現，阻抗角和電壓閃變值并非呈現完全負相關，而是存在拐點。越過此拐點后，電壓閃變值隨阻抗角增大而增大。

文獻[19]制定了風電場并網的配電網電壓波動分析及多目標抑制策略。分析了風電機組恒功率因數、恒電壓和恒無功功率三種控制方式對電壓波動抑制的影響和風參數、電網參數對電壓波動的影響規律。然后提出依靠風電機組的多目標電壓波動抑制策略，在現有控制方式基礎上，添加輔助的電壓波動抑制環節，并通過迅速操控并網點與電網之間的無功交換功率，達到減小電壓波動。該抑制策略不需要增加額外設備，通過輔助閃變控制來動態控制風電機組無功功率抵消因有功功率波動產生的電壓波動，但是其抑制效果會受到風機無功容量的限制。

文獻[20]以湖南省某110kV地區電網為例，研究風電波動對電網無功電壓特性的影響。對比仿真了雙饋異步風力發電機的恒功率控制和恒電壓控制兩種情況。前者控制策略下，風電機組只輸出有功，不輸出無功。電網電壓由系統中原有設備和網絡參數決定。后者則通過風機的無功備用，將風電機組的機端電壓保持在常數，有助于整個系統的電壓穩定。

2.2諧波

目前市場上的風電機組的主流機型為變速機組，而變速機組并網需要通過電力電子轉換器。隨著分散式風電大量并網，這些電子設備的影響也不容忽視。例如，電子設備在開斷時會產生諧波，這些諧波同樣被注入到電網中，使得電網的電壓產生畸變。

文獻[17]發現分散式風電并網會擴大諧波頻率范圍。分散式風電接入使電網引入附加電容，既增添了新的共振頻率，也將主諧振頻率移到了低頻段。風機的電力電子變換器的基礎是開關元件，這些變換器的發射頻率主要為開關頻率及其整數倍。

當諧波頻率高于2.5kHz時，諧波幅值的測量會有明顯的誤差，并且在高頻段出現測量值低于實際值，是以需要對2kHz以上的高次諧波測量精度特點進一步分析。另外，這些電力電子裝置還將帶來非特征次諧波，這些特殊的諧波可能被放大，以致超過臨界值。

文獻[18]分析了風電并網產生諧波的成因。定速風電機組投入時會產生諧波，但這一過程十分短暫，通常可不計入考慮范圍。由于運行無需電子轉換器，基于同步機的定速風電機組在工作狀態不會產生諧波。變速風電機組則不同，它的有功無功出力都必須經過電力電子設備的轉換，才能注入電網，這些電子變換器給系統帶來了大量的諧波干擾。

2.3繼電保護

分散式風電機組的接入對于配電網的繼電是一個新的挑戰。風電接入的位置和容量不同，系統潮流的變化也千差萬別，原有繼電保護方案常常不再適用。

文獻[2]計算了分散式風電接入電網后接入點上下游所流經的故障電流變化。結果發現下游流經保護的故障電流增大，而上游減小，證明了該線路繼電保護所要求的靈敏度發生了差異性變化。另外還存在風電接入后故障電流反向。若保護裝置未加裝方向元件，保護動作就會失去選擇性。文獻[21]的仿真分析表明，當上游繼電裝置加裝方向元件后，可完全消除風機接入的影響。

文獻[22]對分散式風電接入配電網后，短路故障產生時的情況做了定量分析。建立了一個分散式風電接入電網的簡化模型，通過計算不同線路發生短路故障時，分散式風電造成的影響，提出了相關繼電保護參數的整定建議。當風電接入容量較大，致使故障發生時，保護裝置誤動或拒動，就必須更換繼電器的閾值。

2.4無功支撐與電網規劃

文獻[21]研究了永磁直驅風力發電機的模型及其相應控制策略，發現風電機組的變流器使得機組有功無功解耦;對風機進行建模并將其接入配網仿真分析，結果表明，電網電壓大幅下降時，風電機組運行所受到的影響小，反而能向外輸送無功，幫助系統重新恢復穩定。

文獻[22]指出了分散式風電并網增大了地區負荷預測和地區電網規劃的難度，因為它不但具備隨機性等特點，還極大改變了電網的拓撲結構。

3 分散式風電運行與控制技術

3.1風功率預測技術

為了更高效地利用風能，需要對風功率進行預測，以便調度人員制定發電計劃和實時調峰調頻。

文獻[23]從經濟調度出發，研究大規模風電并網電力系統，建立了風電短期出力預測模型。在做出風功率預測的同時，也分析了預測誤差的大小。通過預測誤差原因，對預測結果加以修正，使之更加接近真實值。但這種改進預測準確度的方法仍有待完善。

同樣為了減少預測誤差帶來的影響，文獻[24]從置信度的角度考慮，為不同級別的調度決策預測了不同可靠度水平的風電功率。在電網進行調度決策時，可根據決策的重要程度和時限因素挑選基荷出力、次級出力以及高頻出力三級別的預測結果進行分析。

文獻[25]則從時效性角度做了更全面的考量。在制定日前和日內調度計劃時，同時考慮風電預測功率和預測的“誤差帶”。且這個調度計劃還將根據實時取得的最新信息加以調整，以便更好地幫助調度員做出相應決定。

3.2監視與集中控制技術

文獻[2]提出通過集中安排不同地區風電機組有功出力，協調控制無功出力來提高電力網絡的穩定性和電能質量。為了能夠做到遠程監控和遠程通信，需要解決通信系統的問題，使之能夠實時可靠地傳遞信息。另外，還需要設立一個計算能力強大的數據分析平臺，能夠分析匯聚在此的海量風電機組運行信息。

文獻[26]從配電網尚未建立電力通信網絡，自動化信息采集困難，投資建設專用通信網絡性價比非常低的現狀出發，考慮到分散式風電對配網的影響，指出應建立集中監控平臺和運行管理系統，負責多個分散式風電場運行管理，因地制宜采取多種形式建立連接分散式風電場和監控中心的可靠通道。

文獻[27]設計了一個風電場集控系統。該集控系統下又分為各子集控系統，包括風機數據采集與監控系統、變電站數據采集與監控系統、視頻監控系統、風功率預測系統、風電機組自動增益控制系統、風電機組自動電壓調節系統等。這套系統能夠配合調度人員遠程完成風電場的各項運行需求。

3.3無功協調控制技術

運用無功電壓協調控制技術可緩解配網電壓波動，防止因此產生的風電機組脫網事故。

文獻[28]提出的無功協調控制策略分為無功預測層、無功整定層和無功分配層。預測層負責預測風電機組的無功輸出能力，整定層根據電網設備運行狀況設定無功出力目標，分配層將無功出力目標根據風機的實際運行狀況分配給每臺風機，補償系統無功。對提出的策略進行了驗證，證實能夠增加電壓支撐，降低風電場的損耗。

3.4分散式風電規劃

分散式風電的規劃難度大，在選址和定容時不能只根據當前范圍內的負荷需求，還需綜合考慮系統結構穩定性、未來負荷增長性、二次設備更新投入成本等。

文獻[2]從經濟學角度提出了可操作性較強的核定分散式風電準入容量的方法。此外，對于分散式風電的定址問題，也提出相應的優化布置方法。

文獻[26]提出了基于資源和電網適應性評估的風電分散式開發的優化規劃技術，考慮風能資源的同時，以降低系統網損，提高電能質量為優化目標，提升電網運行的可靠性。

4 結語

分散式風電具有良好的經濟性和環保性，避開了大規模風電并網所遇到的風電消納困難。隨著國家投入力度的不斷加大和分散式風電自身優勢的逐漸顯現，可以預見即將迎來一個快速發展階段。雖然分散式風電并網會造成配網的電壓波動、產生諧波、使繼電保護失去選擇性等影響，但隨著風功率預測技術、監控與集中控制技術、無功控制技術、孤島檢測技術等研究的不斷深入，這些問題都將逐步得到解決或改善。

參考文獻：