风电以微网的形式并入智能电网的研究

王 帅 李 鹏 崔红芬

（华北电力大学电力系统保护与动态安全监控教育部重点实验室，河北 保定 071003）

1 引言

未来的电网必须能够提供更加安全、可靠、清洁、优质的电力供应，智能电网（smart grids）通过先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统等的应用，实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标，其主要特征包括自愈、抵御攻击、提供满足21世纪用户需求的电能质量、容许各种不同发电形式的接入、以及资产的优化高效运行。

随着社会对环境保护、节能减排和可持续性发展的要求日益提高，环境友好型电源如风电、太阳能发电和先进的电池系统将在智能电网中发挥重要的作用。风力发电清洁无污染、施工周期短、投资灵活、建设周期短、占地面积少、技术进步快、经济性优于煤电[1]，具有较好的经济效益和社会效益，是智能电网不可或缺的能源利用形式。但是，由于风电具有的随机性、波动性以及不可控性，使得风电的出力波动极大。随着风能的进一步开发，当风电的容量占到电网总容量一定比例时，这种波动会对电网造成不良影响[2-3]。为了消除大规模开发风电对电网的影响，国内外提出了多种能源互补系统，如风电—水电互补系统[4-5]、风电—太阳能发电互补系统[6]和风电—高温燃料电池发电互补系统[7]等。

本文提出了一种把风电以微网的形式并入智能电网的策略，微网的控制中心结合多种微电源如微型燃气轮机、燃料电池等对风电的功率波动进行补偿控制，实现对智能电网用户的安全可靠供电。在Matlab/Simulink的环境下进行了仿真，仿真结果证明了所提出方法的可行性和有效性。

2 风电出力的随机性

2.1 风速的数学模型

风速具有随机性和间歇性的特点，风速模型采用基于四分量叠加法的模拟风速模型：

式中，v是模拟风速，v0是起始风速，vramp是渐变风速，vgust是阵风，vturbulence是随机扰动风。

（1）基本风。基本风反映了风电场平均风速的变化，可根据风电场测风所得的实际数据采用极大似然法来确定Weibull分布函数[8]，并由此计算基本风v0。

（2）阵风。阵风用来模拟风速突然变化的特性，其表达式为

式中，Gmax为阵风峰值，Tg为阵风周期；Ts为阵风开始时间。

（3）渐变风。用渐变风来模拟风速的渐变特性，其表达式为

式中，Rmax为渐变风最大值；Tr1为渐变风开始时间；Tr2为风速渐变结束的时间；Tr为渐变风保持时间。

（4）随机风。为描述风速变化的随机特性，可用随机噪声风速来模拟，其表达式为

式中，iω是第i个分量的角频率；Δω为随机分量的离散间距；iφ为在0～2π之间服从均匀概率分布的随机变量；Sv(ωi)为i个随机分量的振幅。

2.2 风电机组输出功率随风速的变化

由于风速的随机性，风力发电机组的出力是一个与风速有关的随机变量，当风速低于切入风速或者高于切出风速时，风力发电机组会停止运行，此时输出功率为0，在忽略影响风力发电机组出力的非线性因素的情况下，特定风速下的风电机组可用以下分段函数表示

式中，v为风电机组轮最高度处的风速；vin为切人风速；vout为切出风速；vn为额定风速；nP为风电机组额定输出功率。风力发电机组的发电功率与风速间的关系曲线如图1所示。

风力发电机的输出功率随风速的变化如图2所示，在0～350s之间，风速在额定风速以下，风力发电机输出功率随风速变化，在350s附近时风速达到额定风速，风力发电机输出功率达到额定功率，此时风速逐渐增大，在桨距角控制下风力发电机仍能保持额定功率。680s时，风速下降到额定风速以下，风机出力又呈现波动特性。

图1 风电机组输出功率与风速的特性曲线

图2 风力发电机输出功率随风速的变化

2.3 风电功率波动对电网的影响

风速的随机性导致了风机出力的随机性。风电作为系统的一个不稳定的电源，它的并网与脱网是很难预测的，风电的功率波动对电网的影响主要有以下方面：

（1）风电的功率波动对电网稳定性的影响。风电并网对电网稳定性的主要威胁是风速的波动性和随机性引起风电场出力随时间变化且难以准确预测，而导致风力发电接入系统时潜在的安全隐患。

（2）风电的功率波动对电网频率的影响。当风电容量在系统中所占的比例较大时，其输出功率的随机波动性对电网频率的影响就是显著的，影响了电网的电能质量和一些频率敏感符合的正常工作。这就要求电网中其他常规机组有较高的频率响应能力，能进行跟踪调节，抑制频率的波动。

（3）风电的功率波动对电网电压的影响。风力发电出力随风速大小等因素而变化，同时由于风力资源分布的限制，风电场大多假设在电网的末端，网络机构比较薄弱（短路容量较小），所以在风电场并网运行时必然会影响电网的电压质量和电压的稳定性。风力发电对电网电压的影响主要有电压波动，电压闪变，波形畸变（即谐波），电压不平衡（即负序电压），瞬态电压波动（即电压跌落和凹陷）等。

（4）风电的功率波动对继电保护的影响。风力发电机组在有风期间都是和电网相连的，当风速在启动风速附近变化时，为防止风电机组频繁投切对接触器的损害，允许风电机组短时电动机运行。此时会改变潮流的方向，给继电保护装置的配置带来了难度。

由此可见，风电接入电网，对系统的稳定性与电能质量的影响是不可忽视的，这些问题处理不当不仅会危害用户的正常用电甚至还会造成整个电网的瓦解，而且也严重制约了风能的有效利用，因此，智能电网对风电的吸收急需一种安全有效的方式。

3 风电以微网形式接入智能电网

微网[9-10]是一种由负荷和微电源（微网中的分布式电源）及储能装置共同组成的有机系统。采用微网技术可整合多种形式的分布式电源，并考虑当地配电网的特点，在一个局部区域内直接将分布式电源、电力网络和本地用户有机地组合在一起。微网可以方便地实现（冷）热电联供[9-13]，并可以结合电蓄冷（热）技术，缓解电网高峰用电压力，实现用电的移峰填谷，优化和提高能源利用效率，减轻能源动力系统对环境的影响，实现能源的梯级利用，为将来智能电网的实现提供必备的技术基础[14]。

针对光伏发电系统和风力发电系统等微电源输出功率具有波动性、随机性、间歇性的特点，微网采用微燃机、燃料电池、储能装置等实现微网中的功率平衡调节，大大降低间歇式分布式电源对电网的影响，增强功率调节的可控性[15]。微网的控制中心对微网的运行状态进行跟踪，并通过专门的快速通信网络向各个微电源发出控制信号，各个微电源都服从统一调度、集中分配。图1所示的微网结构正是采用了这种控制模式。各个微电源及储能装置的响应速度必须能够确保微网的稳定性要求。

图3 微网结构图

风电场出力随着来流风速的大小而波动，风速大小波动变化的比较快速，其基频大多在0.5～2Hz之间。为了使得互补发电设备的出力能够及时赔偿风电场的出力波动，就要求微网中互补发电设备能够快速起动和停机，以适应来流风速大小的自然变化。

燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械，是一种旋转叶轮式热力发动机。燃气轮机发电机组能在无外界电源的情况下迅速起动，机动性好，在电网中用它带动尖峰负荷和作为紧急备用，能较好地保障电网的安全运行，所以应用广泛。

燃料电池（Fuel Cell）是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料电池高效率、无污染、建设周期短、易维护而且成本低，负荷响应快，运行质量高，燃料电池在数秒钟内就可以从最低功率变换到额定功率，燃料电池的这些特点使其能作为微网中一种重要的微电源，能对风电等功率波动电源迅速做出反应，保证微网中的功率平衡。

在微网中通过具有快速起停和快速负荷调节特性的燃气轮机和燃料电池来补偿风电场出力的波动，使得整个系统的出力在一段时间内有稳定的输出，克服仅仅由风电场的出力波动对电网造成的不利影响，解决风电对电网稳定性所引起的技术问题，同时通过调节燃气轮机和燃料电池的输出，使得整个发电系统具有良好的可调度性。这一技术方案在现有的技术条件下，对于风电的大规模开发具有十分重要的意义。

4 仿真结果

本文对风电以微网方式并入智能电网的策略进行了仿真，微网中的微电源配置如表1所示，微网中有一台10MW的风力发电机，一台10MW的微型燃气轮机和一个容量为5MW的燃料电池。

表1 微网中的微电源配置

微网中微电源的功率输出之和可表示为

式中，Pw为风力发电机的功率输出，gP为燃气轮机的功率输出，fP为燃料电池的功率输出。

燃气轮机容量大，但是反应速度不如燃料电池快，而燃料电池容量小但是反应速度快，因此，用燃气轮机平抑阵风引起的风机功率波动，而用燃料电池平抑随机风引起风机的功率波动。对正常情况和风机切出两种情况分别进行了仿真。

（1）风力发电机正常运行

风电正常运行时的风速以及风机出力仍如上文中如图2所示，当风速达到额定风速但是不超过切出风速时，风机出力为额定功率。由于风机出力的随机性，为达到微网中功率的稳定输出，微型燃气轮机和燃料电池必须配合风机出力，图4为配合风机出力的燃气轮机及燃料电池配合风电的出力，由图可见，燃气轮机平抑功率波动较大的部分，而燃气轮机平抑功率波动较小的部分。图5为风力发电机、燃气轮机和燃料电池总出力，由图可见，风力发电机功率的波动性被很好的抑制了。

图4 正常情况下燃气轮机及燃料电池出力

图5 风力发电机、燃气轮机和燃料电池总出力

（2）风机切除情况下的仿真

如图6所示，风速在300s以后持续下降，并在720s时降低为切入风速以下，风机停机，此时，必须由燃气轮机和燃料电池联合出力，才能补偿由于风机切出带来的功率损失，图7为风机切出前后燃气轮机以及燃料电池的出力。图8为风机切出前后微网的总出力，由图可知，风机的意外切出并没有带来巨大的功率波动，对配电网的安全运行提供了保证。

图6 风力发电机切出情况下风速及风力发电机出力

图7 风力发电机切出情况下燃气轮机及燃料电池出力

图8 风力发电机切出情况下风力发电机、燃气轮机和燃料电池总出力

5 结论

风电并入智能电网后，其功率的波动性可能给智能电网的安全运行带来不良影响，本文提出了一种把风电以微网形式并入智能电网的策略，仿真结果表明，在风电正常运行和意外切出情况下，可以很好的平抑功率的波动性，为智能电网的安全运行提供保证。

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