试论风力发电新技术及并网稳定问题

杜春宝，成明明

（国家电投集团河北电力有限公司张家口分公司，河北 张家口 075000）

风力发电是近年发展非常迅速的清洁能源，有着比太阳能高50%效率的优势。风力发电开始于20世纪70年代的丹麦，经过几十年的发展，已经从丹麦逐渐地发展到了整个欧盟同时也成为了重要的清洁能源。因为我国的能源结构特征方面的原因导致风力发电在我国起步比较晚的同时，还扮演着调节者的角色，还无法将其视作主要能源。因此，为了强化风电在我国的应用，增加其在我国能源供给中的占比，对其涉及到的新技术以及并网后对我国电网的影响进行研究是非常必要的。

1 风力发电新技术

1.1 气动风轮建模

气动风轮的机械功率共有叶片元素动量算法和功率系数算法两种计算方式，使用叶片元素动量算法需要掌握气动风轮叶片上的空气动力数据，使用功率系数算法需要掌握气动风轮的功率系数曲线，功率系数曲线通常都由生产厂商提供。该曲线的表现形式通常为Cp（λ,β），λ和β分别代表叶尖速比以及桨距角。另外通过叶片元素动量也能够得到功率系数曲线。叶片元素动量算法以及功率系数算法都属于静态算法，在气动风轮高速变桨时的计算精度会有所下降，因此为了提高这两种算法的精度需采用相应的动态模型。另外，如果风电机组使用的是变速风轮，还应考虑风速的影响并用区间法建立气动风轮模型。

1.2 轴系建模技术

轴系将风电机组的各个部分连接，其中风轮侧的轴系转矩为Tm，在发电机侧的轴系转距为Te，因轴系关系到风力发电系统是否能够稳定运行，因此在研究整个发电系统之前，必须对轴系进行明确。轴系可依据刚度进行分类，共有两质量块模型和集总质量模型，其中两质量块模型在风电机组的研究中使用较多，这种模型精度比较高但是特别复杂，而且数量也特别多，因此如果轴系刚度足够也可以使用集中质量模型。轴系感应电机模型共有三种，分别为8阶、5阶和3阶。其中8阶最为精确，但是计算的难度非常高，5阶的计算难度适中，虽然精度不如8阶但是应用较为广泛，3阶使用的是接近值算法，在对精度要求不是非常严格的时候会使用。

1.3 大型风电场建模

在大型风电场的建模中通常会使用详细模型或者是综合模型，使用哪个模型要以具体研究的焦点为准，如果对大型风电场和电网故障的关系进行研究可以使用综合模型，它的好处就是模型简单，相应的计算过程并不复杂，不需要投入过多的时间，缺点是计算结果的准确程度可能会有所降低，因此如果使用综合模型，必须尽量提升计算结果的准确性。

为了更好地分析大型风电场介入电网时的稳定性，还可以使用等值建模，使用的方式有一台风机和一台发电机与多台风机和一台发电机以及多台风机和多台发电机之间的关系，等值的具体过程如下：首先，构建两台风机间的出力关系，并分析两台风机在一起的时候具体的出力效果，进而分析风机出力和电机间的具体联系。其次，如果确定了风机对发电机的影响，就可以通过一对一、多对一以及多对多的方式进行等值建模，接下来就可以对风电场结网点的稳定性进行分析。

1.4 风电接入电网

风电接入电网的方式特别重要，如果选择的方式有误，那么将会对稳定性造成严重的影响，而选择接入电网的方法都要从容量、输电距离、电压、成本等方面做综合考虑。一般大型风电场和风电站之间的距离都在100km以上，因此从风电场传输出来的电力会有很大损耗，所以风电场中同行都会使用高压供电的方式来减少传输过程中产生的损耗。风电场使用的高压供电共有两种，分别为高压直流电和高压交流电，其中高压直流电分为了电流源型和电压源型两种。

高压直流电的缺点是控制系统太过复杂，因此稳定性会有所降低；功率变换器会受距离影响且成本较高。高压交流电的优点是投资成本低，虽然其输电成本要高于高压直流电，但是从整体的效率来看，高压交流电要比高压直流电更有优势。例如有一座风电场其容量为500MW，输电距离为100km，其高压直流电的换流器损耗在6%到10%之间，真实效率在90%以下，高压交流电的效率为92%。但是高压交流电受距离的影响较为明显，随着输电线路的增加，其产生的无用功率也更多，这样在长距离输电以后真实功率会降低很多。

另外，高压交流电会在电缆上出现过电压，这样当给电和断电时，电缆面临的风险比较大，特别是当电缆比价弱的时候风险更大，因此如果输电距离大于200km，通常都会使用高压直流电。传统的风电场高压直流电使用的是晶管相控换流技术，通常情况下这种技术会在1000MW以上的远距离输电中使用，在接入电网的时候要通过换流变压器进行连接，为了减少无功损耗，通常都会选择使用电容器或者是调相机。

电压源型的高压直流电以绝缘栅双极型晶体管为基础，使用的是脉冲宽度调制，这种类型的高压直流电不仅可以控制高压电压，还可以控制有功和无管控，其连接电网的时候使用小型电抗器，其中小容量在供电时会经常被使用。但是电压源型高压直流电存在高频开关损耗、高频震荡等方面的缺陷，因此对高压直流和高压交流进行综合考虑，可使用低频交流输电技术，这种输电技术不仅具备高压直流和高压交流的优点，同时也完美地避免了二者的缺陷。

2 风电对电网稳定性的影响

2.1 功角

对功角进行观察，是判断风电接入电网之后对电网稳定性造成影响的重要标志。因风电的感应发电机存在功率变化，并且其和电网频率会彼此联合在一起，因此功角的变化并不是非常明显。通常情况下，对功角造成影响的有风电机组的类型及其所介入电网类型，经过研究发现，如果电网承受的发电压力比较高，且有很多的发电机组，那么风电接入时基本不会对其造成影响；如果接入电网比较分散、每个位置接入的风电容量也不是很高也不会对电网造成影响，如果风电接入电网的位置处于最大负荷点，那么此时电网的稳定性最高。

2.2 频率

频率指的是风电在接入电网后对电网稳定性造成影响时的系统频率，此时将频率锁定在一定的范围内非常重要，并且系统频率会因为风电机组的变化而变化。如果风电机组发生了故障，同时因为故障的原因而无法停止其功能，此时，系统的有功缺额就会出现，如果此时系统无法再继续听有功支持，频率就会出现一定变化。

从另一方面看，由于风电是无序变化的，那么保持运行的稳定也相对比较困难，此时，风能预测就显得尤为重要，同时利用加热泵对风电的不确定性进行调节，提升系统的稳定性。另外有研究也发现，风电的电压发生变化也会对接入点的频率产生较大影响，但这个影响是局部的。

2.3 电压

当大型风电接入电网时，电压对电网稳定性造成的影响也比较明显，其中电力系统静态稳定器以及自动电压调节的作用非常重要。通过静态稳定器以及自动电压调节并使用高压直流或者高压交流的方式接入电网，可以使双馈感应风电机组向电网发出一定的无功，这样风电机组和电网发电机组就具备了同样的特性，也就能将电压控制在一定范围内，如果同时结合动态无功补偿，对电压的控制将更为理想。

另外，高压交流电在接入电网时会出现电压方面问题，此时对电压稳定性将造成非常严重的影响，因此我国也对电网规范做了更改，这样风电机组就可以帮助因为意外而出现电压跌落的电网恢复正常。通常情况下，导致电压波动的主要原因都为风速，而且这个波动的大小和风电的容量关系密切，如果风电的容量很大，那么风速变化对电压造成的影响就很小，反之则会对电压造成比较大的影响。

3 结语

综上所述，风能是非常优秀的可再生能源，风力发电在全世界都受到了非常广泛的关注，但是利用风力发电也有比较多的技术难题。本文对风力发电新技术以及并网时风电对电网稳定性的影响，旨在通过本次分析强化对风电的利用，进而使我国在发展的同时减轻对环境造成破坏，从而真正实现可持续性的发展。