風電并網(wǎng)的方式、問題、技術……一文了解風電并網(wǎng)

2017-12-08 14:59:56 來源：風電頭條作者：凌霄　點擊量：評論 (0)

據(jù)中電聯(lián)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，截至10月底風電累計并網(wǎng)容量達到1 6億千瓦。1-10月份，全國風電基建新增發(fā)電生產(chǎn)能力1070萬千瓦；全國6000千瓦及以上風電廠發(fā)電量2397億千瓦時，同比增長25 3%。　　風電在最近幾十年

據(jù)中電聯(lián)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，截至10月底風電累計并網(wǎng)容量達到1.6億千瓦。1-10月份，全國風電基建新增發(fā)電生產(chǎn)能力1070萬千瓦；全國6000千瓦及以上風電廠發(fā)電量2397億千瓦時，同比增長25.3%。

　　風電在最近幾十年保持著了蓬勃發(fā)展的勢頭，在相當長的未來，風電并網(wǎng)的容量也將繼續(xù)保持這種良好的發(fā)展勢頭，風電正在從補充性能源向替代性能源轉(zhuǎn)變。然而談及風電的取得的成績，不得不談到棄風限電等風電消納問題。

　　在很長時間內(nèi)，風電消納都是制約風電發(fā)展的重要因素，這個問題并不是無解的。風電外送就是最直接有效地解決消納的方法之一，而外送的風電仍需面臨并網(wǎng)的問題。

　　今天風哥就整理了風電并網(wǎng)的知識以饗讀者。

　　01、風電并網(wǎng)是什么？

　　風力發(fā)電有兩種不同的類型：

　　1、獨立運行的——離網(wǎng)型：離網(wǎng)型的風力發(fā)電規(guī)模較小，通過蓄電池等儲能裝置或者與其他能源發(fā)電技術相結(jié)合（如風電/水電互補系統(tǒng)、風電——柴油機組聯(lián)合供電系統(tǒng)）可以解決偏遠地區(qū)的供電問題。并網(wǎng)型的風力發(fā)電是規(guī)模較大的風力發(fā)電場，容量大約為幾兆瓦到幾百兆瓦，由幾十臺甚至成百上千臺風電機組構(gòu)成。

　　2、接入電力系統(tǒng)運行的——并網(wǎng)型：并網(wǎng)運行的風力發(fā)電場可以得到大電網(wǎng)的補償和支撐，更加充分的開發(fā)可利用的風力資源，是國內(nèi)外風力發(fā)電的主要發(fā)展方向。在日益開放的電力市場環(huán)境下，風力發(fā)電的成本也將不斷降低，如果考慮到環(huán)境等因素帶來的間接效益，則風電在經(jīng)濟上也具有很大的吸引力。

　　并網(wǎng)運行的風力發(fā)電場具有以下優(yōu)點：

　　（1）建設工期短：風電機組及其輔助設備具有模塊化的特點，設計和安裝簡單，單臺風機的運輸及安裝時間不超過三個月，一個 10MW 級的風電場建設工期不超過一年，而且安裝一臺即可投產(chǎn)一臺。

　　（2）實際占地面積小，對土地質(zhì)量要求低：風電場內(nèi)設備建的筑面積僅約占風電場的 1%，其余場地仍可供農(nóng)、牧、漁使用。

　　（3）運行管理自動化程度高，可做到無人值守另一方面，風力發(fā)電受到其一次能源——風能的限制。

　　“電網(wǎng)友好型”風電場：

　　是指能夠結(jié)合電力系統(tǒng)穩(wěn)定要求和潮流分布及時進行狀態(tài)和參數(shù)調(diào)整，實現(xiàn)風電可控、在控的風電場。

　　“電網(wǎng)友好型”風電場特點：

　　一是風機具有有功無功調(diào)節(jié)和低電壓穿越能力，確保電網(wǎng)發(fā)生波動時風機不解列；

　　二是風場擁有風功率預測系統(tǒng)，能夠完成風電場48小時內(nèi)的短期功率預測和15分鐘至4小時的超短期功率預測；

　　三是集中優(yōu)化配置有功功率和無功功率控制系統(tǒng)，實現(xiàn)風機的遠程調(diào)節(jié)控制。

　　02、風電并網(wǎng)-現(xiàn)行并網(wǎng)方法

　　總得來說，目前風力發(fā)電的并網(wǎng)方式大致可以分為異步發(fā)電機、同步發(fā)電機和雙饋發(fā)電機三種方式。

　　異步發(fā)電機組的并網(wǎng)：

　　當前在風力發(fā)電系統(tǒng)中采用的異步發(fā)電機并網(wǎng)方法有以下幾種：

　　直接并網(wǎng)

　　這種并網(wǎng)方法要求在并網(wǎng)時發(fā)電機的相序與電網(wǎng)的相序相同，當風力驅(qū)動的異步發(fā)電機轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時即可自動并入電網(wǎng)；自動并網(wǎng)的信號由鍘速裝置給出，而后通過自動空氣開關合閘完成并網(wǎng)過程。

　　缺點：直接并網(wǎng)時會出現(xiàn)較大的沖擊電流及電網(wǎng)電壓的下降；

　　適用：異步發(fā)電機容量在百千瓦級以下而電網(wǎng)容量較大的情況下。

　　降壓并網(wǎng)

　　這種并網(wǎng)方法是在異步電機與電網(wǎng)之間串接電阻或電抗器或者接入自耦變壓器，以達到降低并網(wǎng)合閘瞬間沖擊電流幅值及電網(wǎng)電壓下降的幅度。

　　缺點：因為電阻、電抗器等元件要消耗功率，在發(fā)電機并入電網(wǎng)以后，進入穩(wěn)定運行狀態(tài)時，必須將其迅速切除。

　　適用：百千瓦級以上、容量較大的機組，顯而易見這種并網(wǎng)方法的經(jīng)濟性較差。

　　通過晶閘管軟并網(wǎng)

　　這種并網(wǎng)方法是在異步發(fā)電機定子與電網(wǎng)之間通過每相串入一只雙向晶閘管連接起來，三相均有晶閘管控制，雙向晶閘管的兩端與并網(wǎng)自動開關的動合觸頭并聯(lián)。

　　特點：這種軟并網(wǎng)方連接方式可以省去一個并網(wǎng)自動開關，因而控制回路較為簡單，而且避免了有觸頭自動開關觸頭彈跳、沾著及磨損等現(xiàn)象，可以保證較高的開關頻率。

　　不足：需選用電流允許值大的高反壓雙向晶閘管，這是因為雙向晶閘管中通過的電流需滿足能通過異步發(fā)電機的額定電流值，而具有旁路并網(wǎng)自動開關的軟并網(wǎng)連接方式中的高反壓雙向晶閘管只要能通過較發(fā)電機空載電流略高的電流就可以滿足要求。

　　同步發(fā)電機組并網(wǎng)：

　　1、同步發(fā)電機的并網(wǎng)：由風力機驅(qū)動同步發(fā)電機經(jīng)變頻裝置與電網(wǎng)并聯(lián)。這種系統(tǒng)并聯(lián)運行的特點如下：

　　a、由于采用頻率變換裝置進行輸出控制，因此并網(wǎng)時沒有電流沖擊，對系統(tǒng)幾乎沒有影響。

　　b、為采用交一直一交轉(zhuǎn)換方式，同步發(fā)電機組工作頻率與電網(wǎng)頻率是彼此獨立的。風輪及其發(fā)電機的轉(zhuǎn)速可以變化，不必擔心發(fā)生同步發(fā)電機直接井網(wǎng)運行可能出現(xiàn)的失步問題。

　　c、由于頻率變換裝置采用靜態(tài)自勵式逆變，雖然可以調(diào)節(jié)無功功率，但是有高頻電流流向器電網(wǎng)

　　d、在風電系統(tǒng)中使用阻抗匹配和功率跟蹤反饋來調(diào)節(jié)輸出負荷，可使風力發(fā)電機組按最佳效率運行，向電網(wǎng)輸送更多的電能。

　　2、直驅(qū)交流永磁同步發(fā)電機組的并網(wǎng)：由風力機直接驅(qū)動低速交流發(fā)電機，通過工作速度快。驅(qū)動功率小、導通壓降低的IGBT逆變器井網(wǎng)。這種系統(tǒng)并聯(lián)運行的特點如下：

　　a、由于不采用齒輪箱，機組水平軸向的長度大夫減小，電能生產(chǎn)的機械傳動路徑縮短，避免了因齒輪箱旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的損耗，噪音等。

　　b、由于發(fā)電機具有大的表面，散熱條件更有利，使發(fā)電機運行時的溫升減低。減小發(fā)電機溫升的起伏。

　　雙饋發(fā)電機組并網(wǎng)：

　　特點：在發(fā)電機側(cè)和電網(wǎng)側(cè)分別加入脈沖整流器，在低風速的情況下，發(fā)電機輸出的交流電壓經(jīng)過電機側(cè)脈沖整流器升壓后，可以滿足電網(wǎng)側(cè)脈沖整流器的正常工作。

　　小結(jié)：并網(wǎng)運行是目前風力發(fā)電的主要形式。各種并網(wǎng)方案有其自身的優(yōu)缺點。隨著風力發(fā)電機組容量的增大。存并網(wǎng)時對電網(wǎng)的沖擊也越來越大。這種沖擊嚴重時不僅引起電力系統(tǒng)電壓的大幅度下降。而且可能對發(fā)電機和機械部件（塔架、槳葉及增速器等）造成損壞。如果并網(wǎng)沖擊時間過長，還可能使系統(tǒng)瓦解或威脅其他掛網(wǎng)機組的正常運行。

　　根據(jù)以上情況分析可得選擇直驅(qū)交流永磁低速同步發(fā)電機比較合理，由風力機直接驅(qū)動低速交流發(fā)電機通過工作速度快，驅(qū)動功率小，導通壓降的IGBT逆變器并網(wǎng)。通過交－直－交轉(zhuǎn)換方式后，使隨風速變化的交流電變?yōu)闈M足并網(wǎng)要求的交流電，采用準同期的并網(wǎng)方式降風力發(fā)電機并入電網(wǎng)。

　　03、風電并網(wǎng)-并網(wǎng)技術分類

　　風電場聯(lián)網(wǎng)有交流聯(lián)網(wǎng)和直流聯(lián)網(wǎng)兩種方式。傳統(tǒng)的交流聯(lián)網(wǎng)方式應用時間已相當長，目前仍然占據(jù)主要地位。過去的風電機組裝機容量小，對電網(wǎng)的沖擊相當有限，那時風電并網(wǎng)給系統(tǒng)帶來的影響主要有電壓波動和閃變、諧波污染等一些電能質(zhì)量問題，隨著現(xiàn)代風電場規(guī)模的不斷擴大，大容量風電機組并入電網(wǎng)，風電聯(lián)網(wǎng)給系統(tǒng)帶了的負面影響擴展到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

　　風電的交流并網(wǎng)技術（HVAC）

　　主要優(yōu)點：傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，當傳輸距離比較近時，其成本比較低。

　　不足：存在一系列難以跨越的技術阻礙，如線路的容性功率、同步運行系統(tǒng)的穩(wěn)定性、潮流控制等。

　　風電的直流并網(wǎng)技術（HVAC）

　　與HVAC相比，具有以下4個特點：

　　（1）經(jīng)濟性：HVDC線路的造價和運行費用比HVAC低，而換流站的造價和運行費用均比交流變電站高。因此對同樣的輸電容量，輸送距離越遠，直流比交流的經(jīng)濟性越好。

　　（2）互聯(lián)性：HVAC能力受到同步發(fā)電機功角穩(wěn)定問題的限制，且隨著輸送距離的增大，同步機之間的聯(lián)系電抗越大，穩(wěn)定問題更加突出，HVAC能力受到更大限制。

　　（3）控制性：HVDC具有潮流快速可控的特點，可用于所連交流系統(tǒng)的穩(wěn)定和頻率控制。HVDC 的變換器為基于電力電子器件構(gòu)成的電能控制電路，因此對于電力潮流的控制迅速而精確。

　　（4）靈活性：易于構(gòu)成多端直流輸電網(wǎng)絡，進而實現(xiàn)多個風電場或混合分布式電源的并網(wǎng)。

　　由于上述 HVDC自身的一系列特點，使得 HVDC有其適用的應用領域，如海底電纜輸電、長架空線輸電、交流系統(tǒng)互連以及作為限制短路電流的對策而獲得了各國人們的極大關注。目前，HVDC已成為電力電子技術在電力系統(tǒng)應用中最全面，但同時也是最為復雜的系統(tǒng)，對 HVDC的研究仍然任重而道遠。風電場通過交流方式聯(lián)網(wǎng)存在上述難以解決的困難，大型風電場和海上風電場聯(lián)網(wǎng)，人們越來越青睞高壓直流輸電。HVDC技術是電力電子技術在電力系統(tǒng)輸電領域中應用最早同時也是較為成熟的技術。

　　采用VSC-HVDC系統(tǒng)的風電并網(wǎng)技術

　　目前，聯(lián)網(wǎng)風電場主要手段有VSC-HVDC、常規(guī)直流輸電HVDC和交流輸電HVAC 3種。VSC-HVDC由于本身的很多優(yōu)良特性，更適用于風電場聯(lián)網(wǎng)，還有助于系統(tǒng)黑啟動和風電場的“孤島”運行等。特點：

　　a、采用直流聯(lián)網(wǎng)方式實現(xiàn)風電場的長距離聯(lián)網(wǎng)時，由于直流電纜成本的降低以及直流線路上損耗所占比例的降低，可抵消掉由于安裝換流站帶來的成本增加。

　　b、直流聯(lián)網(wǎng)可以隔離風電場和交流主網(wǎng)，有助于系統(tǒng)故障后的快速恢復。交流聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)點是成本較低，但是當輸電線路距離超過一定數(shù)值后，交流電纜成本所占比例變大，會產(chǎn)生大量容性無功電流，需要加靜止無功補償器（SVC）進行無功補償。而且交流聯(lián)網(wǎng)必須使風電場與所聯(lián)交流電網(wǎng)保持同步。

　　c、由于直流輸電的運行特性，其傳輸電能時不會傳播交流電網(wǎng)的交流屬性（如電壓相角，頻率），也就隔絕了風電注入電網(wǎng)的諧波，避免了風力發(fā)電對電網(wǎng)的諧波污染；并且由于風電并網(wǎng)連接在各機組母線電壓收到風機本身發(fā)電的影響，電壓通常達不到穩(wěn)定的要求，采用VSC-HVDC并網(wǎng)時，還可以起到STATCOM的作用，動態(tài)地補償風機公共連接點的無功缺額，達到穩(wěn)定機端母線電壓的作用。另外，在風電機發(fā)生故障停運時，還可以借助VSC提供的母線電壓，達到依靠網(wǎng)側(cè)自啟動的目的。

　　04、風電并網(wǎng)對電網(wǎng)的影響

　　定量分析風電場對主電網(wǎng)運行的影響，要從穩(wěn)態(tài)和動態(tài)兩方面進行分析。

　　穩(wěn)態(tài)分析：對含風電場的電力系統(tǒng)進行潮流計算

　　在穩(wěn)態(tài)潮流分析中，對風電場的電力系統(tǒng)對平衡節(jié)點的有功、無功平衡能力提出更高要求，要分別分析含風電場電網(wǎng)在電網(wǎng)大、小運行方式下，是否滿足系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行的各種約束。由于不同的風電機組的工作原理、數(shù)學模型都不相同，因此，對不同類型風電場的潮流計算方法也有所差異。

　　穩(wěn)態(tài)含風電場電力系統(tǒng)潮流計算的結(jié)果，實質(zhì)上是一個各風速下系統(tǒng)的潮流計算分布情況表。其中風電場零出力、最大、最小出力等3種情況需要著重關注。

　　動態(tài)過程分析一般采用仿真的方法

　　要考慮異步發(fā)電機、雙饋異步發(fā)電機等不同發(fā)電機的模型以及風速、風力機、槳距調(diào)節(jié)等環(huán)節(jié)，用仿真程序PSS/E、PSCAD、Matlab/Simulink、PSASP等進行分析。分析的關鍵是各種風力發(fā)電機模型的選用。

　　此外還需考慮風電場無功問題

　　風電場無功消耗包括：異步風力發(fā)電機消耗，雙饋異步發(fā)電機和直流永磁同步機沒有此部分；風機出口升壓變壓器，由于整個風電場升壓變數(shù)目眾多，有成百上千臺，疊加起來數(shù)量不小；風電場升壓變電站主變壓器消耗等。對于由異步風力發(fā)電機組成的風電場，應考慮電壓穩(wěn)定性問題。如有必要，可采用動態(tài)電壓控制設備。

　　風電并網(wǎng)的經(jīng)濟影響

　　風電場的發(fā)電成本加上合理的利潤，構(gòu)成風電的價格。2006年施行的《可再生能源法》中規(guī)定，電網(wǎng)企業(yè)必須全額收購可再生能源電量。費用高于常規(guī)能源發(fā)電平均上網(wǎng)電價，其電價之間的差額附加到銷售電價中分攤。

　　據(jù)統(tǒng)計，全國己建風電場的電價水平在（0.46-1.2）元/（KWh）之間。目前，國內(nèi)風電上網(wǎng)電價大概分為：成本利潤電價；特許權招標電價；全省統(tǒng)一電價等三種。與火電相比，風電上網(wǎng)電價較高。

　　風電場出力的隨機性，可能造成如負荷跟蹤、頻率控制、備用容量、無功功率和電壓調(diào)節(jié)等電網(wǎng)輔助服務的成本增加，從而影響了電網(wǎng)企業(yè)的效益。

　　05、風電并網(wǎng)存在的問題

　　大規(guī)模集中式并網(wǎng)和分布式并網(wǎng)，在接入電網(wǎng)電壓等級，輸送容量，對電網(wǎng)的影響等方面，顯然是顯著不同的。

　　大規(guī)模集中式并網(wǎng)

　　從丹麥乃至歐美的風電并網(wǎng)與我國的大規(guī)模風電并網(wǎng)的不同種尋求答案：

　　1、數(shù)量級不同：中國所謂‘大規(guī)模’指的是千萬千瓦級風場，而歐美的‘大規(guī)模’指的是幾十萬千瓦級的風場；中國所說的‘遠距離’指的是幾百上千公里的輸送，歐美的‘遠距離’基本上在一百公里左右。

　　2、并網(wǎng)思路不同：我國風電存在“大基地建設，大規(guī)模送出”的思路，歐美則是“”分散接入，就地消納“的思路，這里先不提好壞，只說事實。

　　3、能源結(jié)構(gòu)不同：歐洲燃氣、燃油發(fā)電和水電比例大，調(diào)峰能力強，電力的互送非常頻繁；而我國幅員遼闊，電源負荷分布不均，而且電源以火電為主，調(diào)節(jié)能力相對較差。風電的波動性帶來的是它需要對應合理的電源進行調(diào)峰，從而來滿足負荷平衡。而我國以煤電為主的電網(wǎng)難以為風電做深度調(diào)峰的。

　　4、對電網(wǎng)的要求不同：歐洲風電基本是分散接入，對電網(wǎng)用戶側(cè)的智能化要求是比較高的，而歐洲電網(wǎng)也是圍繞這個方向在發(fā)展；而我國的大規(guī)模送出則是另一個課題了，面對的困難也不一樣。

　　5、其他問題：

　　a、風電運行管理水平：歐洲水平是很高的，以西班牙和丹麥為代表。他們廣泛開展了風電功率預測工作，都實現(xiàn)了風電輸出功率的日前預測，西班牙規(guī)定風電出力預測誤差超過20%時將被罰款，然后對風電場進行有效調(diào)控。而我國這方面就差強人意了。

　　b電價等管理政策：各國國情不同，政策不同，但是學習的經(jīng)驗還是很多。作者舉了德國電價的例子；我國的電價制度仍需根據(jù)實際情況的變化及時更新。

　　分布式并網(wǎng)

　　我國目前的分布式能源發(fā)展非常緩慢，導致很多高滲透率并網(wǎng)才發(fā)生的問題一點都沒有凸顯。然而和大規(guī)模集中式并網(wǎng)類似，調(diào)峰和調(diào)度問題依然是分布式并網(wǎng)的最主要問題，分布式電源量更多，更細微，更復雜，平臺需求更高，對儲能的依賴會很高。

　　雙向潮流引起的問題：

　　傳統(tǒng)配電網(wǎng)是單向電流流動，配電網(wǎng)只接收負荷。大量接入分布式光伏發(fā)電后，傳統(tǒng)輻射狀的無源配電網(wǎng)絡將變成一個充滿中小型電源的有源網(wǎng)絡，潮流開始雙向流動，這是最根本的問題。

　　潮流的變化，對配電網(wǎng)的規(guī)劃設計、信息采集、運行方式、保護控制等影響很大。但是這是個規(guī)模問題，以后如果分布式新能源的滲透率搞了，這些問題應該會很大，網(wǎng)絡的構(gòu)架上就存在問題。

　　還有運行控制方面，針對雙向潮流引起的復雜的線路保護、有功無功控制，通信等等。

　　無功和電壓問題：

　　集中供電的配電網(wǎng)一般呈輻射狀，穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)下，電壓沿饋線潮流方向逐漸降低。目前問題沒有凸顯，但當大量分布式能源并網(wǎng)后，需要通盤考慮這些系統(tǒng)性問題。

　　諧波問題：

　　分布式發(fā)電通過電力電子逆變器并網(wǎng)，易產(chǎn)生諧波、三相電壓/電流不平衡；輸出功率隨機性易造成電網(wǎng)電壓波動、閃變；分布式電源直接在用戶側(cè)接入電網(wǎng)，電能質(zhì)量問題直接影響用戶的電器設備安全。

　　諧波問題，目前確實是個比較大的問題，它和諸多因素有關，但很多問題可以優(yōu)化，在今后的實際運行中，諧波問題將相對可控。

　　孤島問題：

　　由于線路故障等原因，斷路器QF2或QF3跳開，此時分布式電源DG和負載L就構(gòu)成了一個孤島系統(tǒng)。在孤島系統(tǒng)中，DG脫離電網(wǎng)后繼續(xù)運行，獨立地給負載L供電，稱為孤島運行。由于故障跳閘等偶然原因形成的孤島運行，稱為非計劃孤島運行。非計劃的孤島運行具有偶然性和不確定性，會對系統(tǒng)、用戶和DG本身帶來不利影響。必須發(fā)展合理的孤島運行，以及更為合理的并網(wǎng)、離網(wǎng)協(xié)調(diào)控制機制。

　　還有很多其他的次要問題，比如接地、諧振等等。

　　文末彩蛋：風哥整理了已經(jīng)過去的11月份并網(wǎng)發(fā)電的風電項目一覽表：