大规模风电并网的研究现状和需要解决的关键问题

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　・　２０１１年第５期

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在

各种可再生能源中，风能是全球关注的热点，世界很多国家掀起了开发热潮，大规模风力

发电技术日新月异。我国有丰富的风能资源，为发展风电事业创造了十分有利的条件。根据中国可再生能源工业协会预测，到２０１５年，全国风电总装机要超过５　０００万ｋＷ。

但是，过去建设传统同步电网的历史经验告诉我们，电源基地建设、接入方案与电网规划，以及并网运行研究是三大关键问题，任一环节的忽视都将带来严重后果。目前风电基地的审批、规划和建设突飞猛进，呈现爆发式发展态势，而其余环节尤其是风电并网研究还很滞后，形势令人担忧。有学者指出：大规模风电并网有很多技术难题，大部分问题相当棘手，是世界性难题。大规模风电场接入输电系统后，将有很多未知或尚不为人们熟悉的理论和技术问题大量涌现。如：百万千万级风电场接入系统的方案、现代大型风电机组稳定机理、风电机组与常规发电机组交互作用、含大容量风电场的输电系统协调运行以及电能质量分析与控制等问题。本文首先对大规模风电场并网研究现状做了简要综述，然后提出了几个需要解决的关键问题，以帮助国内同行学者厘清思路，抓住重点，为我国风电事业的健康发展解决实际问题。

１ 风电并网的研究现状

并网发电是大规模风能利用的主要形式，风电机组与接入电网的相互作用自然受到重视，很多发展风电的国家已开始投入相关研究。希腊目前风电装机容量虽然仅有６００　ＭＷ，但为了保证未来几年３　０００　ＭＷ新机组的顺利投运，相关部门正在研究双馈电机合理、高效的仿真模型，并将其用于稳定分析程序；他们通过研究发现，作为风电机组主流机型的双馈电机，当它的电压控制回路参数不合理时可能导致电压失稳。风电并网对同步发电机振荡模式的影响多数是满意的，但也有弱阻尼甚至负阻尼出现

的可能，通过控制器参数优化，可以提高稳定性。德国学者Ｉ．　Ｅｒｌｉｃｈ和Ｊ．　Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎａ提出了双馈电机降阶模型，依据其模型分析了机组的多种可能运行模式，所建模型可用于转速和桨矩角控制；他们还研究了海上风电场经海底电缆并网的风电系统动态行为。日本Ｋｉｔａｍｉ工业大学研究者提出用能量存储系统提高风电场暂态稳定性和低电压穿越能力。曼彻斯特大学的Ｆ．　Ｍ．　Ｈｕｇｈｅｓ等人借鉴传统发电设备的电力系统稳定器（ＰＳＳ）原理，在双馈异步发电机上设计了ＰＳＳ，特征分析和时域仿真表明双馈风电机组上的ＰＳＳ对系统的阻尼贡献优于同步电机上的ＡＶＲ附加ＰＳＳ。荷兰Ｄｅｌｆｔ理工大学的Ｊ．　Ｇ．　Ｓｌｏｏｔｗｅｇ和Ｗ．　Ｌ．　Ｋｌｉｎｇ基于一个测试系统，研究了大规模风电接入系统后对系统振荡稳定性的影响，结果表明系统特征频率和阻尼的变化趋势决定于风电规模和使用的风电机组的类型；恒速机组较变速机组更有利于系统阻尼的增强，发电规模越大，阻尼增加越多。然而，阿根廷研究者Ｒ．Ｄ．　Ｆｅｒｎａｎｄｅｚ通过对风电高比例渗透条件下系统频率动态行为的研究，得出了与荷兰学者几乎相反的结论——他们认为，与笼型异步发电机相比，双馈异步发电机在控制得当情况下更能改善系统的频率动态特性，能够提高对同步发电机机电振荡的阻尼能力。瑞典学者Ｎ．　Ｒ．　Ｕｌｌａｈ和Ｔ．　Ｔｈｉｒｉｎｇｅｒｔ

通过对北欧电网的研究认为，现代变速异步风力发电机组恒定功率因数模式下运行时，在低风速时其电压支撑能力尚不如传统恒速机组，他们主张适当降低有功输出，留出适当的无功调节空间，以提高电压稳定性。

目前，国内在风电稳定与控制方面也取得了一定的研究成果。浙江大学贺益康教授等人将磁场定向矢量控制技术应用于发电机控制，探讨了并网型交流励磁风力发电系统功率解耦控制策略和并网控制策略，并通过试验机组开展了相应的动模研究。东北电力大学是开展风电研究最早的高校之一，在联网风电机组的动态模型、风电场无功

大规模风电并网的研究现状和需要解决的关键问题

■ 郝正航／天津大学电气与自动化工程学院 贵州大学电气工程学院 陈卓／贵州大学电气工程学院

结合我国风能资源分布的实际情况，分析了我国风电并网问题的特殊性和复杂性；提出了在实施大规模风电开发和并网运行中可能遇到的问题，并提出了问题解决的基本思路和途径。

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静态调节能力及无功控制策略方面，取得了很多有价值的成果。重庆大学的李辉等人对笼型异步发电机的暂态稳定机理进行了分析，建立了风电机组的轴系模型，对风电系统的暂态稳定判据作了改进。中国电力科学研究院的王伟胜教授等人研究了双馈风电机组的动态数学模型，从物理意义上分析了暂态稳定特性，并通过仿真计算对大型风电并网问题进行了探讨。在工程实用化方面，清华大学电力系统国家重点实验室和北京清能华福公司合作开展双馈电机变流器研发，已有一定的业绩积累。沈阳工业大学在双馈电机研制方面历经多年，为风电设备国产化做出了贡献。天津大学余贻鑫教授、王成山教授等以实际大电网为对象，在风电机组稳定计算模型、含风电的电力系统稳定性快速仿真以及风电电源与网络协调规划等领域开展了深入的理论研究和计算工具的研发。

综上，国内外学者关于风电场自身稳定性及其对电力系统的影响方面已作了一定研究，积累了大量宝贵的研究成果。但是，由于不同研究者所基于的案例不同，同类问题的研究结论存在不一致甚至相反的现象，对风电场并网稳定性和可靠性的负面影响也估计不足，一些问题的研究结论明显偏于乐观。更值得注意的是，国外风力发电与我国情况有很大不同，国外风电场的运行经验不足以解决我国风电面临的问题。

２ 我国风电并网问题的特殊性

１）风能资源过于集中。我国风能资源主要分布在西北、华北和东部沿海地带，地理上的不均衡造成百万千瓦级大容量风电场只有接入超高压输电系统才可能消纳。这与高风电比例的欧洲国家不同，如丹麦建设的风电场多数是１万～２万ｋＷ的装机容量，德国最大的风电场也只有６万ｋＷ，尽管这些国家的风电比例超过１５％，但风电的冲击与间歇性对输电系统影响却不大，电网的稳定性、调频和调峰问题也简单得多。随着风电场规模的迅猛扩大，风电系统对同步电网的影响也愈加显著，整个电力系统的动态行为和稳定机理可能发生显著的变化。而我国规划的千万千瓦级风电基地建成以后，只能集中接入输电系统，大规模风电功率的随机扰动难以分散和平抑，势必引起整个输电系统电能质量控制难度增加和动态特性复杂化。

２）部分采用直流输电系统输送风电。采用“风火打捆”，经超高压直流输电将西北风电基地的电能送往东部负荷中心，已形成规划建议。但这种输电模式是全球绝

无仅有的，运行当中可能遇到很多技术障碍。

３ 风电并网与传输需要解决的关键问题

１）现代风力发电机组的稳定性机理。现代风力发电

机组的暂态稳定机理与传统同步发电机有很大不同。同

步发电机暂态稳定的条件是故障切除后系统获得的暂态

能量小于稳定域界面处的能量，稳定域界面由不稳定平

衡点的稳定流形组成。但是，这一概念对风电机组不适

用。风力发电机主要有笼型异步发电机、可变转差率发

电机、永磁直驱电动机和变速双馈异步发电机。尤其是

双馈异步发电机在大型风电场中逐渐成为主流机型。风

力发电机种类较多，由于它们的工作原理和控制方法不

同于传统同步电动机，因而风力发电机组的暂态稳定性

的定义、分析方法和失稳判据与同步机组的功角稳定概

念存在很大差别。在风电机型中，笼型异步发电机结构

简单，维护方便，在风电场中得到较多应用。笼型异步

电机作为电动机已在电力系统大量存在多年，众多学者

通过对负荷稳定的长期研究，对笼型电机的动态模型和

稳定机理已不陌生，通过“转矩—转差特性”就可以给

出其稳定性物理解释。因此，研究基于笼型发电机的风

电系统稳定问题比较容易。然而，现代风力发电机为了

减弱输出功率波动和追踪最大风能的需要，多采用可变

转差异步电机和交流励磁双馈电机。与笼型电机相比，现

代风力发电机的转子回路是可以调节的。正因为如此，现

代风力发电机的暂态稳定机理不能用笼型电机的“转矩

—转差特性”解释，也不能沿用其稳定定义和判据。

２）大型风电场抗扰能力在线评价和预警问题。由于

目前风电机组和风电场入网标准和检测标准尚不完善，绝

大部分风电机组的功率曲线、电能质量、有功和无功调节

性能、低电压穿越能力等都没有经过严格科学检测。一些

风电事故说明，风电场与常规电厂相比抗扰能力较差，这

不仅影响风电场的持续发电，更严重的是，未来百万千万

级大风电的频繁脱网将是输电系统的安全隐患。与常规电

站不同之处还在于风电场是几十台机组的汇集，用于离线

稳定计算的等效数学模型不可靠，而且随着运行时间的积

累，机组动态容易改变。对于风电机组，即使经过入网前

严格试验和检测，并网以后风电场的实际抗扰能力仍然需

要在线实时评价，以满足在线安全分析需要。为此，从大

电网安全运行的角度出发，必须对并网运行的风电场在线

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