大规模DFIG风电场接入对电网的影响及其对策研究

罗名煜 ，陆 畅 ，沈 攀 ，李 红 ，韩 杨

（1.电子科技大学机械电子工程学院，成都 611731；2.输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆 400044；3.电力电子节能技术与装备四川省重点实验室，成都 610039；4.人工智能四川省重点实验室，自贡 643000；5.国家电网平顶山供电公司，平顶山 467001）

引言

随着环境问题日益突出，新能源包括太阳能、风能、潮汐能等越来越受到重视。其中，风电作为主要的新能源，以良好的经济效益和环保效益获得了相关的大力支持。然而，由于风能具有的随机性和间歇性，再加上一般风能丰富的地方位于沿海和偏远山区，电网薄弱或位于电网末端，大规模的风电并网将对电力系统的安全运行带来新的挑战。

为了保证电网的安全运行，各国先后制定了风电并网导则。2003年，德国输电系统运行商E.ON率先提出针对高压输电系统（380 kV、220 kV、110 kV电网）的风电设备并网导则［1］，为其后续导则的修改和各国并网导则的制定奠定了基础，对新能源发电系统快速发展下并网导则的发展具有重要的指导意义；我国新能源发电系统并网导则的发展远远滞后于西方国家。2008年以前，我国仅出台过新能源并网发电系统的相关技术指导文件；2012年，国家标准化管理委员会才正式颁布GT/T 19963—2011《风电场接入电力系统技术规定》［2］，并于 2012年6月1日正式生效。

本文主要对大规模的双馈异步发电机DFIG（doubly fed induction generator）接入电网对电网造成的影响，包括电能质量、电压、频率、系统稳定性等几个方面进行了全面的综述，给出了常见的解决方案，包括使用无功补偿、超导储能装置、动态电压补偿器等，并给出了其在风电场中应用的结构框图。最后结合国内外最新研究策略，如模糊C均值聚类算法、谐波辐射分析、电压骤降分析等，指出风电并网的发展趋势。

1 DFIG风电场并网对电网的影响

1.1 双馈型风力发电拓扑结构

在各种类型的风力发电机组中，变速恒频双馈感应发电机以其调速范围宽、有功和无功功率可以独立调节以及所需要的励磁变流器容量比较小等优点，已经迅速取代了传统的恒速恒频鼠笼型异步发电机组，成为国际主流的风电机组产品，并占据了大部分的市场份额。传统的双馈型风力发电拓扑结构［3-5］如图1所示。正常工作时，定子绕组直接接入工频电网，转子绕组通过背靠背变流器与电网相连。因此，双馈电机定子的电压和频率为固定值，而转子电压的频率、幅值、相位都可由三相变频电源进行控制。

图1 双馈型风力发电拓扑结构Fig.1 Topology structure of doubly fed wind power generation

1.2 大规模风电接入对电网的影响

随着大规模的风电并网，其对电网的影响也越来越受到人们的重视。

1）对电能质量的影响

风电机组的一些固有特性，如风剪切、塔影效应、叶片重力偏差以及偏航误差和风速波动等，会造成风电场的电压波动，进而引发可察觉的闪变。变速风电机组的变流器运行中会产生一定的谐波。风电功率的波动会引起电压变动和电压偏差。在风电场设置合理的电容器组（或电抗器组），可以抑制电压变动和电压偏差。对于电压闪变，可以在风电场设置快速的无功调节装置，如SVC或STATCOM，控制网络阻抗角和功率因数角的差值，从而达到减少闪变，提高电能质量的目的［6］。

2）对无功/电压的影响

异步电机启动的时候通过励磁从电网吸收无功功率，从而影响到电网侧的电压。风机群并接到弱电网的时候，这种效果就会被放大，导致电网侧电压的突降［7］。风电场无功电压特性可以用P-V曲线和Q-V曲线进行分析。一般在风电场安装可分组投切的电容器或电抗器来调节风电场的无功功率，提高电压稳定性。在风电比较集中的地区，为了提高风电场电压稳定性，可以考虑安装SVC或STATCOM。

3）对电网频率的影响

与常规电源的区别是风电场输出功率的间歇性问题，使得大型风电场所接入的电力系统的潮流常常处于重新分配的过程，影响电压和系统的频率［8］。在一个地区，若风力发电的容量超过这个地区总装机容量的某个比例，就需要采取措施增加调频容量。例如使用风力发电—飞轮系统频率和功率综合控制方法，可以使风机输出较为平稳的功率，并且能够参与电网的频率控制。

4）对系统稳定性的影响

大规模风电场接入电力系统时，风电场对无功功率的需求是导致电网电压稳定性降低的主要原因。研究表明：一方面，风电场的有功出力使负荷特性极限功率增大，增强了静态电压稳定性；另一方面，风电场的无功需求使负荷特性的极限功率减少，降低了静态电压稳定性［9］。

5）对继电保护的影响

大规模的风电场进行并网，对线路保护装置的灵敏度以及保护范围都会产生影响。图2为某线路发生故障时，风力发电对系统保护的影响［8］。

图2 线路故障原理Fig.2 Schematic diagrcm of line fault

图2 所示线路中，有一个风电机组连接在距离线路末端X处，在线路的末端发生了短路故障，这时故障点将会出现短路电流，相应地就减小了线路保护K所能够检测的故障电流值，降低了保护装置K的灵敏度。在系统线路中的个别位置，无法起动速断保护装置，这样就形成了速断保护的死区，线路的故障就不能得到及时切除。当线路中出现并网点处于线路速断保护的死区时，若不改变保护系统，通过后备电流保护动作来切除故障，将会大大增加对电网的影响；若对速断保护整定值进行调整，则会造成过电流保护、速断以及其他控制装置间的无法协调，使保护误操作。

6）对系统运行成本和电网调度运行的影响

①对系统运行成本的影响：风力发电的运行成本与火电机组相比很低，甚至可以忽略不计。但是风力发电的波动性和间歇性使风电场的功率输出具有很强的随机性，为了保证风电并网后系统运行的可靠性，需要在原有运行方式基础上，额外安排一定容量的旋转备用以维持电力系统的功率平衡与稳定［10］。

②对电网调度运行的影响：风电接入给电网带来的调度问题及额外备用容量的要求完全是由于风的随机及间歇特性引起的。在风电功率无法预测时，电网必须按比较保守的方案为风电留出足够的备用容量以平衡风电功率的波动；而当风电功率可以预测并且有足够的精度时，将风电功率作为负的负荷叠加到负荷预测曲线上，就可以优化发电机组的开机组合，降低整个电网运行的费用［10］。

2 改善风电并网影响的措施

2.1 改善稳定性的措施

一般可以使用静止无功补偿器SVC（static var compensator）改善系统性能［11］。在风电场中，无功补偿装置一般装设在风电场接入系统主变的低压侧，当SVC通过风电场主变接入风电场并网点母线时，根据SVC容量的大小可以对风电场无功功率进行半补甚至全补，从而改善风电场的功率因数，减少风电场从系统下网的无功功率，降低线路上的功率损耗和电压降落。当由于某种原因，风电系统发生大的扰动时，SVC能够动态平滑地调整其输出的感性或容性无功功率，帮助异步风电机组在故障过程结束后重建机端电压。

图3为风力发电机组专用SVC装置的系统原理框图,图4为风力发电机组专用SVC装置结构及控制框图［12］。其中TSC部分能够比较快的响应风力发电机，而MCR部分则可以通过对并联的电抗器的控制，来实现对无功的调节，SVC可以通过TSC和MCR的配合使用，从而使其补偿装置的补偿精度达到 0.5 kvar［12］。

图3 风力发电机组专用SVC装置系统原理框图Fig.3 Principle block diagram of SVC device system for wind turbine

图4 SVC结构及控制框图Fig.4 Structure and control block diagram of SVC

除了用SVC改善系统性能以外，使用超导储能装置 SMES（super conducting magnetic energy storage system）可以对风力发电可实现对电压和频率的同时控制［13］。SMES能灵活地调节有功和无功功率，为系统提供功率补偿。在风电场出口安装SMES装置可充分利用其综合调节能力，降低风电场输出功率的波动，稳定风电场电压。SMES是一种有源补偿装置，与SVC相比，其无功功率补偿量对接入点电压的依赖程度小，在低电压时补偿效果更好。含SMES的风电场并网系统［14］如图5所示。

2.2 改善电能的措施

目前，大部分用于改善和提高电能质量的补偿装置，如SVC、有源滤波器APF（active power filter）、动态电压恢复器 DVR（dynamic voltage restorers）等［15］，都具有抑制电压波动和闪变的功能。

图5 含SMES的风电场并网系统Fig.5 Wind farm grid connected system with SMES

消除系统谐波常常用到APF，它采用现代电力电子技术和数字信号处理技术制成的新型电力谐波治理专用设备。DVR主要用于补偿输电网产生的电压跌落、闪变和谐波等，电源电压畸变时，改变DVR的电压，可达到稳定敏感负载电压的目的。

图6为含动态电压恢复器的风电场并网系统［16］，其中DVR装置采用的结构是公用直流母线的三单相桥的拓扑电路。此结构能使各相独立进行补偿，逆变器直流侧通过超级电容器储能。

图6 含动态电压恢复器的风电场并网系统Fig.6 Wind power system with dynamic voltage restorer

2.3 改善对电场调度运行的措施

风电功率预测对风电的运行调度有重要意义，预测方法分类［17］见图7。最简单的预测方法是持续预测方法，是一种时间序列模型，这种模型的预测误差较大，且预测结果不稳定。时间序列方法有2种应用形式，一种是对风速做时间序列分析，转换得到风电场输出功率；另一种方法直接对风电场输出功率做时间序列分析，其改进的方法有卡尔曼滤波算法。

2.4 对电网消纳风能能力分析

我国风力资源主要集中在“三北”地区，由于风电发展与系统安全运行的矛盾逐步显现，弃风现象不断出现，产生这一现象的主要原因就是电网规划与风电场规划不协调，风电消纳能力分析计算方法单一且不精确。通过加强风电消纳能力的分析，可以在电网调峰困难时期少量弃风从而保证更大的允许装机总量［18］。

图7 风电功率预测模型分类Fig.7 Classification of wind power forecasting model

2.5 加强风机低电压穿越能力

双馈异步式风机在电压跌落期间面临的威胁最大。电压跌落时出现的暂态转子过电流、过电压会损坏电力电子器件，而电磁转矩的衰减也会导致转速的上升。采用较多的方法是在发电机转子侧装crowbar电路，为转子侧电路提供旁路。一般低电压穿越技术有3种方案：①混合桥型crowbar电路；②IGBT型crowbar电路；③带有旁路电阻的 crowbar电路［19］。

2.6 加强风电并网安全稳定研究

由于各个公司生产的风电机组存在差异，为了更准确地进行机组模型的仿真，需要开展风电机组的建模工作和参数测试，同时开展对其控制系统的仿真，逐步使得所制订的模型标准化，同时使得各风电机组厂家生产的机组能够标准化［20］。

3 国内外最新研究成果

3.1 基于模糊C均值聚类算法的风电场模型

文献［21］首次把模糊 C均值 FCM（fuzzy C-means）聚类算法应用到风电场模型中，通过FCM分析选定的5个指标量（风速v、转速n、定子电压Us、定子 q 轴电流 Iqs、实时有功功率 Pe_real），将多机系统的风电场分成组。最后，把同组的风电场等效为一个模型，这样模型分析和计算量就得到了很大简化。通过仿真结果证明了建立的多机系统等效模型可以有效地反映DFIG风电场有用功率的动态特性，具体流程［21］见图8。

图8 使用模糊C均值聚类算法简化风电场流程Fig.8 Flow chart of simplified wind farm using fuzzy C means clustering algorithm

3.2 风电场谐波辐射研究

文献［22］研究了一个商业运行的变速风电场的谐波辐射问题，文中重点考虑了分组计算方法的应用效果、间谐波以及谐波幅值的分布概率。谐波测量系统框图［22］见图9，每个仪表都通过通信网络连接到电网运行的控制中心，测量误差可能存在于电压互感器、电流互感器和仪表中。最后得出各次谐波电流失真不受风电场运行情况影响的结论。

图9 谐波测量系统Fig.9 Harmonic measurement system

3.3 弱电系统的加强型风电模型研究

文献［23］对于弱电系统的DFIG风机并网提出了一个加强型的风电模型，此模型由风机、传动系统、简化发电机/转换器模块和相关控制器组成，通过特征值分析和时域验证，模型能够为弱电系统小信号稳定性学习提供很高精度。结论为：辅助的电压/频率控制将会改变风电场的动态特性。此外，新型的轻阻尼功率振荡器可以应用到风电场中，但会威胁到弱电系统的小信号稳定性和限制辅助控制器的执行。图10为加强型风机模型［23］。

图10 加强型风机模型Fig.10 Enhanced model of wind turbine

3.4 对称与不对称电压骤降对DFIG风电的影响

文献［24］研究了对称和非对称电压骤降对DFIG风电场的影响。在Matlab/Simulink环境下探讨了当DFIG出现不同对称或非对称故障时，转子电流和直流母线的瞬态超调量和纹波。①对称电压骤降：在故障发生的开始和结束时，定子磁链在转子电流和直流母线电压产生大的瞬态超调量；②非对称电压骤降：定子电流和直流母线电压中将会出现稳态振荡和瞬态超调；③电压骤降和相位跳变同时发生：电网电压中负序分量将会增加，转子电流和直流母线电压的瞬态过冲分别可以增加45%～60%和20%～40%，这对于位于海上的风力发电机有明显的不利影响。

3.5 台湾商业化风电场分析实例

文献［25］研究了台湾商业风电场的稳态性能，文献 ［26］研究了在使用限流电抗器CLRs（currentlimit reactors）和有载分接开关 LTCs（load tap changers）情况下的瞬态的动态性能，其中23个风力发电机组通过6根馈线连接到23 kV母线风电并网示意见图11。通过使用CLRs与LTCs，可以得到以下结论：①CLRs合适的限值可以有效的限值23-kV母线电压下降，同时可以提高风电场的功率因数；②LTCs可以稍微提高风力发电机的端电压，但将提高第6根（距161 kV总线最远）馈线的电压；③尽管CLRs和LTCs可以提高风电场在随机风速干扰和三相短路故障下的瞬态性能，但是其实用性仍然有待考虑。

图11 台湾某风电场风电并网示意Fig.11 Sketch map of a wind farm grid in Taiwan

4 结论

本文主要介绍了大规模风电并网将会对电网造成的影响以及相关的解决方案。一方面要尽量完善我国电网系统的建设，使其更加强健。另一方面，对风电的研究也要进一步加深，明确各种因数对风力发电的影响，确定各种影响因素之间的相互关系及其联合作用下的效果［26］。本文认为风电并网可在如下方面进一步发展：

（1）风电功率的预测：准确的预测风力发电的极小值，保证有充足的电量供应；对于风电出力波动进行准确预测，保证其不超过电网的调峰能力；预测大幅度波动的时间点，保证电网对波动提前准备。

（2）运行控制方面：规模较大的风电运行需要向可控化方向发展，其中包括无功功率可控、有功功率可控以及安全行为可控。

（3）储能系统的应用：合适的储能系统，可以有效地解决风电并网后，电力系统的备用容量增加，电网的运行经济性降低的问题。

（4）调峰补偿和全网经济：从风电的持续性发展的角度考虑，可以出台相关的政策，有效地建立电网调峰容量的交易平台，适当地对调峰机组进行经济上的补偿。

最后，本文介绍了目前国内外一些比较新的研究成果，包括在数据挖掘中常用的模糊C均值聚类算法，对风电谐波辐射的研究，针对弱电系统加强的风电模型，以及电压骤降对风电的影响等。这些研究成果为风电的后续发展奠定了基础。

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