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風電并網的方式、問題、技術……一文了解風電并網

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

據中電聯數據統計，截至10月底風電累計并網容量達到1 6億千瓦。1-10月份，全國風電基建新增發電生產能力1070萬千瓦；全國6000千瓦及以上風電廠發電量2397億千瓦時，同比增長25 3%。　　風電在最近幾十年

據中電聯數據統計，截至10月底風電累計并網容量達到1.6億千瓦。1-10月份，全國風電基建新增發電生產能力1070萬千瓦；全國6000千瓦及以上風電廠發電量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展的勢頭，在相當長的未來，風電并網的容量也將繼續保持這種良好的發展勢頭，風電正在從補充性能源向替代性能源轉變。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，風電消納都是制約風電發展的重要因素，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的問題。

　　今天風哥就整理了風電并網的知識以饗讀者。

　　01、風電并網是什么？

　　風力發電有兩種不同的類型：

　　1、獨立運行的——離網型：離網型的風力發電規模較小，通過蓄電池等儲能裝置或者與其他能源發電技術相結合（如風電/水電互補系統、風電——柴油機組聯合供電系統）可以解決偏遠地區的供電問題。并網型的風力發電是規模較大的風力發電場，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成。

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

　　并網運行的風力發電場具有以下優點：

　　（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一臺。

　　（2）實際占地面積小，對土地質量要求低：風電場內設備建的筑面積僅約占風電場的 1%，其余場地仍可供農、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，風力發電受到其一次能源——風能的限制。

　　“電網友好型”風電場：

　　是指能夠結合電力系統穩定要求和潮流分布及時進行狀態和參數調整，實現風電可控、在控的風電場。

　　“電網友好型”風電場特點：

　　一是風機具有有功無功調節和低電壓穿越能力，確保電網發生波動時風機不解列；

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

　　三是集中優化配置有功功率和無功功率控制系統，實現風機的遠程調節控制。

　　02、風電并網-現行并網方法

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

　　異步發電機組的并網：

　　當前在風力發電系統中采用的異步發電機并網方法有以下幾種：

　　直接并網

　　這種并網方法要求在并網時發電機的相序與電網的相序相同，當風力驅動的異步發電機轉速接近同步轉速時即可自動并入電網；自動并網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過程。

　　缺點：直接并網時會出現較大的沖擊電流及電網電壓的下降；

　　適用：異步發電機容量在百千瓦級以下而電網容量較大的情況下。

　　降壓并網

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

　　缺點：因為電阻、電抗器等元件要消耗功率，在發電機并入電網以后，進入穩定運行狀態時，必須將其迅速切除。

　　適用：百千瓦級以上、容量較大的機組，顯而易見這種并網方法的經濟性較差。

　　通過晶閘管軟并網

　　這種并網方法是在異步發電機定子與電網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自動開關的動合觸頭并聯。

　　特點：這種軟并網方連接方式可以省去一個并網自動開關，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電機的額定電流值，而具有旁路并網自動開關的軟并網連接方式中的高反壓雙向晶閘管只要能通過較發電機空載電流略高的電流就可以滿足要求。

　　同步發電機組并網：

　　1、同步發電機的并網：由風力機驅動同步發電機經變頻裝置與電網并聯。這種系統并聯運行的特點如下：

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

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

　　c、由于頻率變換裝置采用靜態自勵式逆變，雖然可以調節無功功率，但是有高頻電流流向器電網

　　d、在風電系統中使用阻抗匹配和功率跟蹤反饋來調節輸出負荷，可使風力發電機組按最佳效率運行，向電網輸送更多的電能。

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

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

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

　　雙饋發電機組并網：

　　特點：在發電機側和電網側分別加入脈沖整流器，在低風速的情況下，發電機輸出的交流電壓經過電機側脈沖整流器升壓后，可以滿足電網側脈沖整流器的正常工作。

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

　　根據以上情況分析可得選擇直驅交流永磁低速同步發電機比較合理，由風力機直接驅動低速交流發電機通過工作速度快，驅動功率小，導通壓降的IGBT逆變器并網。通過交－直－交轉換方式后，使隨風速變化的交流電變為滿足并網要求的交流電，采用準同期的并網方式降風力發電機并入電網。

　　03、風電并網-并網技術分類

　　風電場聯網有交流聯網和直流聯網兩種方式。傳統的交流聯網方式應用時間已相當長，目前仍然占據主要地位。過去的風電機組裝機容量小，對電網的沖擊相當有限，那時風電并網給系統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量問題，隨著現代風電場規模的不斷擴大，大容量風電機組并入電網，風電聯網給系統帶了的負面影響擴展到系統的穩定性和安全性。

　　風電的交流并網技術（HVAC）

　　主要優點：傳輸系統結構簡單，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、同步運行系統的穩定性、潮流控制等。

　　風電的直流并網技術（HVAC）

　　與HVAC相比，具有以下4個特點：

　　（1）經濟性：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，直流比交流的經濟性越好。

　　（2）互聯性：HVAC能力受到同步發電機功角穩定問題的限制，且隨著輸送距離的增大，同步機之間的聯系電抗越大，穩定問題更加突出，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的穩定和頻率控制。HVDC 的變換器為基于電力電子器件構成的電能控制電路，因此對于電力潮流的控制迅速而精確。

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

　　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應用中最全面，但同時也是最為復雜的系統，對 HVDC的研究仍然任重而道遠。風電場通過交流方式聯網存在上述難以解決的困難，大型風電場和海上風電場聯網，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系統的風電并網技術

　　目前，聯網風電場主要手段有VSC-HVDC、常規直流輸電HVDC和交流輸電HVAC 3種。VSC-HVDC由于本身的很多優良特性，更適用于風電場聯網，還有助于系統黑啟動和風電場的“孤島”運行等。特點：

　　a、采用直流聯網方式實現風電場的長距離聯網時，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、直流聯網可以隔離風電場和交流主網，有助于系統故障后的快速恢復。交流聯網的優點是成本較低，但是當輸電線路距離超過一定數值后，交流電纜成本所占比例變大，會產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。而且交流聯網必須使風電場與所聯交流電網保持同步。

　　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的交流屬性（如電壓相角，頻率），也就隔絕了風電注入電網的諧波，避免了風力發電對電網的諧波污染；并且由于風電并網連接在各機組母線電壓收到風機本身發電的影響，電壓通常達不到穩定的要求，采用VSC-HVDC并網時，還可以起到STATCOM的作用，動態地補償風機公共連接點的無功缺額，達到穩定機端母線電壓的作用。另外，在風電機發生故障停運時，還可以借助VSC提供的母線電壓，達到依靠網側自啟動的目的。

　　04、風電并網對電網的影響

　　定量分析風電場對主電網運行的影響，要從穩態和動態兩方面進行分析。

　　穩態分析：對含風電場的電力系統進行潮流計算

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

　　穩態含風電場電力系統潮流計算的結果，實質上是一個各風速下系統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。

　　動態過程分析一般采用仿真的方法

　　要考慮異步發電機、雙饋異步發電機等不同發電機的模型以及風速、風力機、槳距調節等環節，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：異步風力發電機消耗，雙饋異步發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目眾多，有成百上千臺，疊加起來數量不小；風電場升壓變電站主變壓器消耗等。對于由異步風力發電機組成的風電場，應考慮電壓穩定性問題。如有必要，可采用動態電壓控制設備。

　　風電并網的經濟影響

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

　　據統計，全國己建風電場的電價水平在（0.46-1.2）元/（KWh）之間。目前，國內風電上網電價大概分為：成本利潤電價；特許權招標電價；全省統一電價等三種。與火電相比，風電上網電價較高。

　　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、無功功率和電壓調節等電網輔助服務的成本增加，從而影響了電網企業的效益。

　　05、風電并網存在的問題

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

　　大規模集中式并網

　　從丹麥乃至歐美的風電并網與我國的大規模風電并網的不同種尋求答案：

　　1、數量級不同：中國所謂‘大規模’指的是千萬千瓦級風場，而歐美的‘大規模’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、并網思路不同：我國風電存在“大基地建設，大規模送出”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、能源結構不同：歐洲燃氣、燃油發電和水電比例大，調峰能力強，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，調節能力相對較差。風電的波動性帶來的是它需要對應合理的電源進行調峰，從而來滿足負荷平衡。而我國以煤電為主的電網難以為風電做深度調峰的。

　　4、對電網的要求不同：歐洲風電基本是分散接入，對電網用戶側的智能化要求是比較高的，而歐洲電網也是圍繞這個方向在發展；而我國的大規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，都實現了風電輸出功率的日前預測，西班牙規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實際情況的變化及時更新。

　　分布式并網

　　我國目前的分布式能源發展非常緩慢，導致很多高滲透率并網才發生的問題一點都沒有凸顯。然而和大規模集中式并網類似，調峰和調度問題依然是分布式并網的最主要問題，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：

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

　　潮流的變化，對配電網的規劃設計、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，網絡的構架上就存在問題。

　　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：

　　集中供電的配電網一般呈輻射狀，穩態運行狀態下，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后，需要通盤考慮這些系統性問題。

　　諧波問題：

　　分布式發電通過電力電子逆變器并網，易產生諧波、三相電壓/電流不平衡；輸出功率隨機性易造成電網電壓波動、閃變；分布式電源直接在用戶側接入電網，電能質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就構成了一個孤島系統。在孤島系統中，DG脫離電網后繼續運行，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、用戶和DG本身帶來不利影響。必須發展合理的孤島運行，以及更為合理的并網、離網協調控制機制。

　　還有很多其他的次要問題，比如接地、諧振等等。

　　文末彩蛋：風哥整理了已經過去的11月份并網發電的風電項目一覽表：