全球能源互联网中风力发电面临的问题及对策

袁 飞

（中国电力技术装备有限公司，中国北京100052）

1 引言

风能是全球能源互联网构建过程中重要的能源形式，风力发电因其低污染高回报的特点越来越受发电行业的青睐。但是当前风力发电还尚不成熟，还存在着一些问题，本文将就其中三个问题展开论述：第一是低电压穿越功能在风电中的应用；第二是风功率预测在风电行业中的应用；第三是风力发电的经济性，这些问题将依赖于对风力发电研究的深入而得到改善。

2 低压穿越

2.1 风机的大规模脱网

电力系统的故障发生时间极短，如果没有及时地调整或切除，故障将会在短时间内影响整个系统。电力系统发生故障时系统电压降低会导致电网设备脱网，严重影响系统的电能质量（电压、频率）。风机的大规模脱网主要来自两方面。首先是来自电网，因为电网在运行过程中难免会出现一些故障，故障发生后会切除整个故障网络，同时切除连接到此网络上的所有设备，包括部分风电设备。其次来自风机，因为电网扰动或瞬时性故障切除时，电网电压偏低，如果风电机组不具备低压穿越功能，就会造成风机脱网。如果风电装机比例较小时，立即切断风机组调整产生的影响还可以接受，但是当风机组装及比例较大时，切断它们将会对电网不论是电压还是频率方面的稳定都造成较大的影响。而解决风机大规模脱网的最直接最现实的方法就是为风机配置低压穿越功能。

2.2 低压穿越

2.2.1 低压穿越的定义

低压穿越是指在电网出现故障而使电压降低时，风机组能够保持不脱网运行，甚至能够对电网提供无功补偿，使其能够“穿越”电网产生故障的这一段时间。

2.2.2 低压穿越的实现方法

实现低压穿越的方法一般有三种。一种是采用了转子短路保护技术，二种是引入新型拓扑结构，三是采用合理的励磁控制算法。

转子短路保护技术是指在发电机的转子侧提供crowbar电路作为旁路，当检测到电压降低过大时，闭锁双馈感应电机的励磁变流器，同时开启旁路，这样就限制了通过励磁变流器的电流和转子绕组的过电压，使机组能够不脱网运行。

利用新型拓扑结构也能实现风机的不脱网运行，是指通过电力电子器件对风机进行改造，而使其具有低压穿越能力。实际上在此过程中风机与电网有短暂的脱离，但是在电网电压恢复时能够迅速恢复与电网的联通，而此脱离并非普通发电机由继电保护装置切断而产生的脱离，而是因电网电压恢复时产生的高反向电流使定子与电网间串联的晶闸管电路关断而导致，当电压恢复正常时电路可以重新被触发进而导通，并且电网电压恢复时，发电机能立刻通过可控硅电路的触发导通与电网连接。

采用合理的励磁控制算法，也能控制实现低压穿越，通过PID算法或基于DSP的控制算法来控制发电机励磁来实现发电机与电网间的联系，以使风机组能够成功穿越过电网电压降低到恢复这一阶段。

2.2.3 低压穿越的要求

目前各大主要风力发电国家已相继制定风机组低压穿越能力的标准，中国也制定了低压穿越的标准，目前中国对于风机组低压穿越能力有大致的要求，即：

（1）风电场必须能在电压跌至20%额定电压时维持并网运行620ms；

（2）如果机组电压在发生跌落后3s内能够恢复到额定电压的90%，机组要保持并网运行；

（3）当风电场变压器高压侧电压不低于额定电压的90%时，风电场须不间断并网运行。

3 风电场功率变化对电力系统平衡的影响及风电功率的预测

3.1 风电场对电力系统平衡的影响

3.1.1 风电场对电网电压稳定性的影响

基于异步感应发电机的风电机组和基于双馈感应电机的发电机组因其独有的优点在风电场中应用最广泛，而这两类风电机组对电网的电压都会产生影响，造成电网电压的不稳定。

对于使用异步感应发电机的恒速风电机组，应从两方面考虑其对电网电压的影响。首先，投切时，感应发电机在运行时需要吸收无功，所以其与普通的发电机有所区别，表现在当其接入电网时，电网需要提供一部分无功功率，当其切出电网时，电网能产生一部分无功富余。其次，当风电机组发出的有功功率增长时，其吸收的无功功率也相应地增加，由于发出的有功功率的增加，也必定导致线路上的无功损耗增加，此时机组端会并联电容进行补偿，当并联补偿的无功功率与线路充电功率之和大于机组吸收的无功与线路消耗的无功时，尚能较好地调整电压使其稳定；当机组端的并联补偿和线路充电功率小于机组吸收的无功与线路消耗的无功时，机端电压水平降低，电压稳定性也随之降低。

对于使用双馈感应电机机组的风电场，能够实现有功功率与无功功率的解耦控制，使有功功率增多时对于无功功率影响较小，其无功仅取决于对风电机组的控制，不存在与电网的无功交换，因此相比于基于异步感应发电机的风电机组，其稳定性好得多。

3.1.2 风电场对电网频率稳定性的影响

风机组接入电网，必定将与电网同频率运行。电能的产生，配送与消耗所用的时间是非常短暂的，这就要求一个时间点所产生的电能与所消耗的电能相一致，否则就会使频率发生变化。风电场对电网频率的影响取决于多方面，主要包括系统的开机方式，系统的一次调频作用，故障点距离风电场的远近，电网故障的严重级别（如发生故障），风电机组是否配置频率保护以及风电机组是否具备低压穿越能力等。

如果风电机组配置了频率保护，当风电机组出力突然变化时，可以使系统的频率变化在可承受范围内；当风电机组未配备频率保护时，机组出力的突然变化会导致系统频率的变化较大，从而影响系统频率的稳定性。

对于不具备低压穿越能力的机组，当机端电压过低时，风电机组将被切除，当风电机组被大规模切除时，会使电网频率严重降低，电网的低压保护装置便会切除其它负荷，从而对供电产生影响。所以当前的风电机组，大多配置了低压穿越功能。

3.2 风电功率预测

3.2.1 风电功率预测的重要性

功率预测对于电力系统的预测十分重要。利用有功功率日负荷曲线可以制定年发电计划，利用有功功率年负荷曲线可以制定检修计划，是非常有必要的，这也是缓解电力系统的调峰，调频能力和调压能力以及调节风电的接纳能力的重要手段。

3.2.2 风电功率预测的要求

全世界的电网调度部门对于功率预测的要求有所不同，中国电网调度部门对风电功率预测的要求主要有两个，第一是短期预测，即当天预测次日00：00点起72小时内的功率，时间分辨率是15分钟，主要用于系统发电计划安排；二是超短期预测，即在0～4小时前进行预测，用于电网的实时调度。

3.2.3 风电功率预测的方法

当前风电功率预的测主要有两种方法：一是统计方法，二是物理方法。统计方法是指不考虑风电机运行时的物理过程，利用以往运行记录所得的历史数据进行分析，找出天气状况与风电场之间的近似关系，然后根据天气预报所得的未来一段时间天气状况的数值对功率进行预测。物理方法是指根据天气预报得出的风速，风向，气压等以及风场周围等高线，粗糙度，障碍物等信息，利用物理公式计算风机轮毂周围的风向，风速，气压，气温等数据，再利用已知的功率曲线，进行功率预测。两种方法各有优缺点，但都可以相对准确地预测出风电机组的功率。

4 风力发电的经济性

4.1 风力发电的成本

风能属于间歇性能源，具有波动性，随机性，间歇性和不可调度性等特点。风力发电的成本有初始投资成本（包括并网成本）、运行和维护成本，另外一大成本就是需要为其设置旋转备用，以应对风电机组功率不确定的变化，保持系统的稳定。例如互补运行发电系统，这种组合方式使系统可靠性高，配置灵活，但不可避免地增加了成本。由此可见，虽然风力发电与火力发电相比在燃料方面非常节约，但是旋转备用的设置使其成本增加。

4.2 风力发电的经济性

目前全球大力推进风力发电的发展，使得风力发电的规模越来越大，风力发电所占比例也越来越大，这样可以使风力发电的利润加大，成本相对变小。而风机生产商近年来也一直致力于生产工艺的优化，大大提高了风机的质量，减小了故障率，也减小了风力发电的运行成本。另外，对于风力资源勘探技术和风电场选址方法的进步，使得风电场的选址更加科学，进一步加大了风力发电的利润。而对于全球各地风力资源特点的进一步了解，使发电企业得以根据不同地区风力资源的特点使用合适的发电机组，这也提高了风力发电的经济性。因此，目前全球风力发电技术虽然不是很成熟，但是风力发电在全球仍能具有良好的经济效益。

5 结束语

风力发电以其经济性和低污染性使其在全球能源互联网中越来越重要。而上述制约风力发电发展的问题和困难，甚至有时是引起事故的罪魁祸首。随着对风力发电研究的深入，这些问题都将得到解决。在未来几年中风力发电将会更加快速地发展，所占比重必然进一步扩大，必将为全球经济的发展做出长足的贡献。