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大规模风电并网面临的主要问题
来源:沈阳鑫谷热能工程有限公司 | 发布时间:2013-7-23 | 浏览次数:

2.1 稳定性问题
由于受到风资源随机波动性和间歇性的影响,风电场输出功率会随机变化,因此,大规模风电并网会引
发系统稳定性问题. 由于异步风电机组在启动及运行过程中需吸收大量无功,从而导致风电接入电网公共连
接点(point of commoncoupling,PCC)的电压波动,容易引起电网薄弱地区的电压稳定性问题;而在有功备用不
足的孤立电网中,过高比例的风电将会导致系统调频困难,频率稳定问题突出.
21111 电压稳定性问题
风电并网引起的电压稳定问题,主要包括静态电压稳定和动态电压稳定问题.
静态电压稳定是指电力系统受到小扰动后,系统电压保持在允许的范围内,不发生电压崩溃的能力. 静
态电压稳定通常借助电压稳定裕度指标来衡量. 当风电接入电网后,若风电场吸收无功,则风电场的容量越
大系统的无功裕度越小,静态电压稳定问题越突出. 文献[13]从静态电压稳定的角度探讨了风电接入电力系
统的稳定性问题,分别采用V2Q分析法、灵敏度分析法和模态分析法对一个6节点系统进行了分析,结果表
明,随着风电容量的增加,系统无功储备逐渐减小. 文献[14]结合实际电网,研究了双馈风电机组(doublefed
inductiongenerator,DFIG)和定速异步风电机组引起的静态电压稳定问题,结果表明,定速异步风电机组需从
系统吸收大量无功,恶化系统的电压稳定水平,而DFIG能够吸收或发出无功,暂态电压稳定特性远优于普
通异步风电机组.
动态电压稳定性的分析需要考虑电网和风电机组发生严重故障的情况下,电力系统的动态电压变化情
况. 文献[15]采用线路故障极限切除时间为风电场的暂态电压稳定性指标,分别研究了恒速和变速风电机组
的暂态电压稳定性,结果表明,随着风电场接入容量的增大,系统的暂态电压稳定水平明显降低,但变速风电
机组的暂态电压稳定性优于恒速风电机组. 文献[16]从电网的角度研究了风电并网的电压稳定性问题,结果
表明,PCC短路容量越小同一风电场接入引起的电压稳定问题越突出,风电场接入电网输电线路阻抗比
(x/ r)越大电压波动越严重.
21112 频率稳定性问题
风电并网的频率稳定性问题主要表现在2个方面:(a)有功波动带来的频率变动;(b)风电改变系统的惯
性时间常数导致频率波动速度的增加.
受风速波动的影响,风电机组有功输出也时刻发生变化,在备用容量不足的孤立电网中,频率稳定问题
明显. 文献[17]基于北爱尔兰电网的实际情况,认为风电比例增加到系统总容量的10%时,旋转备用需在目
前的基础上增加25%,否则难以保证系统的频率稳定性.
惯性时间常数表征发电机利用其旋转动能提供额定功率输出的持续时间,惯性时间常数越小,旋转动能
越小,故障期间系统频率变化越快.DFIG已被广泛应用于新建风电场,由于DFIG转速与电网频率的完全解
耦控制,使得电网频率发生改变时DFIG无法对电网提供频率响应,因此,变速恒频DFIG的固有惯量对系统
的惯性常数贡献为0,无法帮助电网降低频率的变化速率
[15]
. 分别采用DFIG、普通异步机和同步机替代风电
场,在系统损失同样的功率时,DFIG接入电网引起的系统频率偏移最大
[15]
.
2.2 低电压穿越问题
风电机组的LVRT是指风电机组在PCC电压跌落时保持并网状态,并向电网提供一定的无功功率以支
6 1 1 河海大学学报( 自然科学版) 第38卷
图1 德国E. ON公司对并网风电机组LVRT的要求
Fig. 1 RequirementsforLVRTof windgenerator of
E. ONCompanyin Germany
撑电网电压,从而穿越低电压区域的能力
[18]
. PCC的电压跌
落会使风电机组产生一系列过电压、过电流问题,危及风电
机组的安全,为保护风电机组免遭损坏,通常电网故障时风
电机组自动解列,不考虑故障的持续时间及严重程度. 文献
[19]指出,故障发生时,若大规模风电机组同时从系统解列,
电网将失去支撑,可能导致连锁反应,严重影响电网的安全
运行. 德国E. ON电力公司对并网风电机组的LVRT提出了
严格的技术要求,如图1所示.
在风电比例较高的地区,若风电机组不具备LVRT,电网
的瞬时严重故障将导致大量风电机组自动切除,严重威胁电
网安全运行. 因此,研究如何提升风电机组的LVRT具有重要
的理论及应用价值.
2.3 穿透功率极限问题
  风电穿透功率极限fWPP通常定义为系统所能容纳的最大风电装机容量占系统最大负荷的比例
[20]
,即
fWPP =
Cmax
Lmax
×100%
式中:Cmax———系统所能容纳的最大风电装机容量;Lmax———系统最大负荷.
fWPP主要取决于系统所能容纳的最大风电装机容量. 在不同电网或同一电网的不同运行方式下,限制风
电准入容量的主导因素不同,因此应具体问题具体分析. 文献[21]研究了频率稳定为主导因素的WPP问题,
结果表明,要使系统的频率偏差不超过1%,风电装机容量不应超过系统火电装机容量的5%. 文献[22]通过
对丹麦等风电比例较高的电网研究得出:电网互联能有效增大备用水平,提升WPP水平. 随着电力系统中风
电比例的逐步增长,研究系统如何容纳更多的风电显得非常必要.
2.4 电能质量问题
风速的随机变化以及风电机组本身固有的塔影效应、风剪切、偏航误差等均会导致PCC的电压波动,进
而引起闪变等电能质量问题,而DFIG等风电机组中的换流器会产生一定的谐波污染,从而带来电压波动与
闪变、谐波等电能质量问题.
文献[23]基于新疆达坂城电网研究了风电接入所引起的电能质量问题,结果表明,在达坂城接入
400MW的风电机组后,达坂城电网的电压波动与闪变、谐波均能满足国标(GB12326—2000,GB14549—93)要
求,风电的接入不会对地区电网的电能质量产生严重影响. 但相关计算结果表明,风电并网会给电网带来一
定的谐波污染,对电能质量要求较高的地区,风电引起的电能质量问题值得关注.
2.5 经济性问题
风电并网的经济性问题主要源于风电的随机间歇性使得电力系统为风电提供全容量备用,导致备用容
量增加,经济性降低. 此外,在欧洲NordPool 等电力市场环境下,风电自身可控性差的特点使其参与市场竞
价的时候缺乏竞争力,难以取得最大的经济效益
[24]
.
文献[25]结合美国FCRPS(Federal ColumbiaRiver Power System) ,探讨了大规模风电接入电网的经济性问
题,认为风电只能作为负的负荷考虑,会增加系统的备用容量,降低系统的经济性,并提出了采用风电2水电
联合运行来改善系统经济性的设想.

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