大型风电场并网运行的若干技术问题研究

包文鹏

（中国华电集团公司甘肃公司，甘肃 玉门 730300）

0 引 言

在全球各地的各类型可再生能源中，风能属于热点能源，全世界都积极展开风能的开发，也促进了风电技术不断升级。一直以来，我国拥有着丰富的风能资源，这就为风电开发奠定了极为便利的基础。对于风能利用，并网发电属于目前大规模风电场在风能开发过程中的最重要形式，因此学术界对于并网运行存在的各类型问题极为关注。

1 发电机并网运行概述

发电机并网是指将发电机同步并入电网，以向电网输出电能。发电机组并网运行简单来说就是发电机和系统电网之间的一种运行连接模式，在这一种模式中，发电机的电压、频率与其他发电机组一致。发电机有两类并网方法，准同期和自同期。准同期的意思为发电机的电压、频率、相序、相位与系统电网完全一致，而发电机的出口断路器和电网系统并网的手段；自同期并列属于发电机不加励磁时，等到系统电网和发电机所共有的频率一致时，合上发电机出口断路器，与系统相连的基础上，提高发电机励磁电流升压，并借助系统进一步促进发电机同步频率的一类运行方式，不过实际情况中，自同期并网模式一般不被采用于风力发电机组。目前，大规模风力发电中，基本上采用自动准同期的并网模式，借助微机进一步针对是否达到同期条件做出判断的基础上，自动发信号断路器合闸并网（见图1）。

图1 大型风电场并网方式示意图

2 我国风电场并网运行特殊性

与世界其他地方不同，我国风电并网问题存在一定的特殊性，主要表现为如下两方面。

一方面，众所周知，风能资源的分布在我国相对集中，华北、西北、东部沿海等一些地区都是风能资源丰富的地区。地理位置的不均衡就造成了我国一些百千万级别的大型风电场输出风电时，输出模式务必要接入超高压系统。与我国相比，德国最大风电场为6×104kW，而丹麦风电场装机容量大部分仅仅为2×104kW左右，欧洲国家风电的间歇性与冲击对于其风电输电系统并不会造成大规模影响，因此这一些地区风电场电网的调频、稳定性等各类型问题都相对简单。不过随着大型风电场的不断发展，风电系统附加于同步电网之上的影响力逐渐提升，这就造成了电力系统稳定机理会发生极为显著的变化。实际调查可以得知，在我国，千万千瓦级别的大型风电场目前仅仅可以对接输电系统，这就导致大规模风电系统的随机扰动很难获得平抑及分散，这也一定会导致整个输电系统的动态特性更为复杂化，并导致其对于输电系统电能质量的控制难度进一步提升[1]。

另一方面，在我国，大型风电场在输送风电时采取直流输电系统，即借助“风火打捆”，利用一种超高压直流输电方式，使得西部地区大型风电场所生成的电能输送到东部负荷中心。这一种电能输送模式并没有先例，故而运行时，会存在一定程度的技术障碍问题[2]。

3 大型风电场并网技术存在问题研究

3.1 大型风电场引起输电系统功率谐振的机理、监测方法和抑制的问题

由于容量有限，当小规模风电场接入配电网之后，电场与发电机之间的距离较大，因此基本不会发生功率谐振。但是对于那些直接联入输电网络之中的大型风电场，共振型低频振荡的风险极其容易发生，主要原因有如下4点。第一，由于自然风速的不稳定与随机性，使得导入每一组风力机的风能都成为一种激励源。第二，和普通型的常规发电机组的整体结构动力学性质比较，风电机组的柔性更高，这就使得机械振动成为一种无法避免的存在，从而造成风电机组有一部分旋转部分的机械振动与输出功率振荡之间存在直接性的因果联系。第三，与传统发电机的平均转矩相比，风电机组的转矩振荡要超出其20%左右。对于大型风力发电场，风电机组的转矩振荡会引发几十万千瓦级别的功率波动，这对于输电系统的安全造成严重威胁。第四，当风电场功率所形成的波动频率和电力系统低频振荡固有频率逐渐一致时，造成共振的风险概率就会进一步提升。例如，三叶片风电机组，当其功率输出波动频率大小处于1～3 Hz，就与低频振荡频率极为接近，从而导致大型风电场存在较高的共振型低频振荡风险[3]。

3.2 大型风电场抗扰能力的在线评价及预警问题

目前，我国风电机组及风电场入网与监测两个标准完善程度不高，大部分风电机组的电能质量、功率曲线、低电压穿越能力、有功调节性能及无功调节性能等并没有采取较为系统性的科学监测。通过分析一系列风电事故可以得知，与常规电场抗扰能力相比，风电场的抗扰能力相对较低，这就使得风电场的持续性发电受到影响。更严重的是，由于相对较差的抗扰能力，会导致未来一些大型风电场存在极为频繁的脱网问题，从而使得输电系统的安全性大打折扣。此外，和常规电站不同之处在于，风电场汇集大量机组，并且目前大部分大型风电场离线稳定计算的等效数学模型的可靠程度相对较低，随着机组运行时间不断增加，就会进一步造成机组动态存在一种常态化的变动趋势。对于大规模风电机组，即使在并网之前展开了较为严格的测试，不过并网之后，也要针对大型风电场抗扰能力展开实时性、常态性的及时评价，以基本上保障在线安全分析的基础性需求。故而从风电场的安全视角上分析，一定要针对并网运行之后的风电场抗扰能力展开在线评价，对于难以满足正常需求范围内的，要及时给予警报，以便于大型风电场的电网运行人员做好较为科学、安全的应急准备[4]。

3.3 风电机组与常规同步机组的交互作用与协调控制问题

目前，针对并网风力发电稳定性的大量学术型研究中，大部分主要针对大型风电场运行环节的大电网整体稳定性予以常态性研究。主要原因在于大电网稳定一旦遭到破坏，势必会造成整个大型风电场的任何接入元件运作存在一定的故障。故而大电网接入大型风电场系统之后，其稳定性到底会发生什么样的演变，是趋向于变好，还是趋向于变差，都难以得到一种较为系统性、固定性的结论。在平常研究中，不论是趋向于变好，还是趋向于变差都曾经有专家给予系统性的研究，而且研究过程、结果都相对较为公正。不过也存在一定的问题，主要为当电网大规模接受异步电机所导出的功率时，该怎么样才可以做到“趋利避害”，从而使得电网接入之后，整个大型风电机组的系统整体稳定性可以获得很大程度的提升。通过研究可知，风电机组与常规同步机组之间的交互作用与协调控制问题的解决突破口在于，研究大型风电场风电机组对于同步机组的影响，以及风电机组与常规同步机组两者之间所存在的交互作用与协调控制[5]。

4 结 论

作为世界首创，我国的大型风电场大规模并网属于一项极为宏伟的世纪工程。为了保障大规模并网工程进展顺利，针对目前大规模电场并网运行技术要不断改进创新。本文基于发电机并网运行概述，分析我国大型风电场并网运行与世界其他国家风电场并网运行之间存在的特殊性及不同之处，并提出3点目前大型风电场并网运行急需要解决的关键性技术问题。大型风电场并网运行技术依旧需要不断地累积经验，对于各种极有可能存在的问题，在理论及实践上，都需要一种超前意识，做够充足的准备，以便于大型风电场并网运行能够更好地为我国社会现代化做出贡献。