风电并网的方式、问题、技术……一文了解风电并网

2017-12-08 10:24 [风能] 来源于：风电头条作者：凌霄

导读：据中电联数据统计，截至10月底风电累计并网容量达到1.6亿千瓦。1-10月份，全国风电基建新增发电生产能力1070万千瓦；全国6000千瓦及以上风电厂发电量2397亿千瓦时，同比增长25.3%。风电在最近几十年保持着了蓬勃发展的势头，在相当长的未来，风电并网的容量

　　据中电联数据统计，截至10月底风电累计并网容量达到1.6亿千瓦。1-10月份，全国风电基建新增发电生产能力1070万千瓦；全国6000千瓦及以上风电厂发电量2397亿千瓦时，同比增长25.3%。

　　风电在最近几十年保持着了蓬勃发展的势头，在相当长的未来，风电并网的容量也将继续保持这种良好的发展势头，风电正在从补充性能源向替代性能源转变。然而谈及风电的取得的成绩，不得不谈到弃风限电等风电消纳问题。

　　在很长时间内，风电消纳都是制约风电发展的重要因素，这个问题并不是无解的。风电外送就是最直接有效地解决消纳的方法之一，而外送的风电仍需面临并网的问题。

　　今天风哥就整理了风电并网的知识以飨读者。

　　01、风电并网是什么？

　　风力发电有两种不同的类型：

　　1、独立运行的——离网型：离网型的风力发电规模较小，通过蓄电池等储能装置或者与其他能源发电技术相结合（如风电/水电互补系统、风电——柴油机组联合供电系统）可以解决偏远地区的供电问题。并网型的风力发电是规模较大的风力发电场，容量大约为几兆瓦到几百兆瓦，由几十台甚至成百上千台风电机组构成。

　　2、接入电力系统运行的——并网型：并网运行的风力发电场可以得到大电网的补偿和支撑，更加充分的开发可利用的风力资源，是国内外风力发电的主要发展方向。在日益开放的电力市场环境下，风力发电的成本也将不断降低，如果考虑到环境等因素带来的间接效益，则风电在经济上也具有很大的吸引力。

　　并网运行的风力发电场具有以下优点：

　　（1）建设工期短：风电机组及其辅助设备具有模块化的特点，设计和安装简单，单台风机的运输及安装时间不超过三个月，一个 10MW 级的风电场建设工期不超过一年，而且安装一台即可投产一台。

　　（2）实际占地面积小，对土地质量要求低：风电场内设备建的筑面积仅约占风电场的 1%，其余场地仍可供农、牧、渔使用。

　　（3）运行管理自动化程度高，可做到无人值守另一方面，风力发电受到其一次能源——风能的限制。

　　“电网友好型”风电场：

　　是指能够结合电力系统稳定要求和潮流分布及时进行状态和参数调整，实现风电可控、在控的风电场。

　　“电网友好型”风电场特点：

　　一是风机具有有功无功调节和低电压穿越能力，确保电网发生波动时风机不解列；

　　二是风场拥有风功率预测系统，能够完成风电场48小时内的短期功率预测和15分钟至4小时的超短期功率预测；

　　三是集中优化配置有功功率和无功功率控制系统，实现风机的远程调节控制。

　　02、风电并网-现行并网方法

　　总得来说，目前风力发电的并网方式大致可以分为异步发电机、同步发电机和双馈发电机三种方式。

　　异步发电机组的并网：

　　当前在风力发电系统中采用的异步发电机并网方法有以下几种：

　　直接并网

　　这种并网方法要求在并网时发电机的相序与电网的相序相同，当风力驱动的异步发电机转速接近同步转速时即可自动并入电网；自动并网的信号由铡速装置给出，而后通过自动空气开关合闸完成并网过程。

　　缺点：直接并网时会出现较大的冲击电流及电网电压的下降；

　　适用：异步发电机容量在百千瓦级以下而电网容量较大的情况下。

　　降压并网

　　这种并网方法是在异步电机与电网之间串接电阻或电抗器或者接入自耦变压器，以达到降低并网合闸瞬间冲击电流幅值及电网电压下降的幅度。

　　缺点：因为电阻、电抗器等元件要消耗功率，在发电机并入电网以后，进入稳定运行状态时，必须将其迅速切除。

　　适用：百千瓦级以上、容量较大的机组，显而易见这种并网方法的经济性较差。

　　通过晶闸管软并网

　　这种并网方法是在异步发电机定子与电网之间通过每相串入一只双向晶闸管连接起来，三相均有晶闸管控制，双向晶闸管的两端与并网自动开关的动合触头并联。

　　特点：这种软并网方连接方式可以省去一个并网自动开关，因而控制回路较为简单，而且避免了有触头自动开关触头弹跳、沾着及磨损等现象，可以保证较高的开关频率。

　　不足：需选用电流允许值大的高反压双向晶闸管，这是因为双向晶闸管中通过的电流需满足能通过异步发电机的额定电流值，而具有旁路并网自动开关的软并网连接方式中的高反压双向晶闸管只要能通过较发电机空载电流略高的电流就可以满足要求。

　　同步发电机组并网：

　　1、同步发电机的并网：由风力机驱动同步发电机经变频装置与电网并联。这种系统并联运行的特点如下：

　　a、由于采用频率变换装置进行输出控制，因此并网时没有电流冲击，对系统几乎没有影响。

　　b、为采用交一直一交转换方式，同步发电机组工作频率与电网频率是彼此独立的。风轮及其发电机的转速可以变化，不必担心发生同步发电机直接井网运行可能出现的失步问题。

　　c、由于频率变换装置采用静态自励式逆变，虽然可以调节无功功率，但是有高频电流流向器电网

　　d、在风电系统中使用阻抗匹配和功率跟踪反馈来调节输出负荷，可使风力发电机组按最佳效率运行，向电网输送更多的电能。
　　2、直驱交流永磁同步发电机组的并网：由风力机直接驱动低速交流发电机，通过工作速度快。驱动功率小、导通压降低的IGBT逆变器井网。这种系统并联运行的特点如下：

　　a、由于不采用齿轮箱，机组水平轴向的长度大夫减小，电能生产的机械传动路径缩短，避免了因齿轮箱旋转而产生的损耗，噪音等。

　　b、由于发电机具有大的表面，散热条件更有利，使发电机运行时的温升减低。减小发电机温升的起伏。

　　双馈发电机组并网：

　　特点：在发电机侧和电网侧分别加入脉冲整流器，在低风速的情况下，发电机输出的交流电压经过电机侧脉冲整流器升压后，可以满足电网侧脉冲整流器的正常工作。

　　小结：并网运行是目前风力发电的主要形式。各种并网方案有其自身的优缺点。随着风力发电机组容量的增大。存并网时对电网的冲击也越来越大。这种冲击严重时不仅引起电力系统电压的大幅度下降。而且可能对发电机和机械部件（塔架、桨叶及增速器等）造成损坏。如果并网冲击时间过长，还可能使系统瓦解或威胁其他挂网机组的正常运行。

　　根据以上情况分析可得选择直驱交流永磁低速同步发电机比较合理，由风力机直接驱动低速交流发电机通过工作速度快，驱动功率小，导通压降的IGBT逆变器并网。通过交－直－交转换方式后，使随风速变化的交流电变为满足并网要求的交流电，采用准同期的并网方式降风力发电机并入电网。

　　03、风电并网-并网技术分类

　　风电场联网有交流联网和直流联网两种方式。传统的交流联网方式应用时间已相当长，目前仍然占据主要地位。过去的风电机组装机容量小，对电网的冲击相当有限，那时风电并网给系统带来的影响主要有电压波动和闪变、谐波污染等一些电能质量问题，随着现代风电场规模的不断扩大，大容量风电机组并入电网，风电联网给系统带了的负面影响扩展到系统的稳定性和安全性。

　　风电的交流并网技术（HVAC）

　　主要优点：传输系统结构简单，当传输距离比较近时，其成本比较低。

　　不足：存在一系列难以跨越的技术阻碍，如线路的容性功率、同步运行系统的稳定性、潮流控制等。

　　风电的直流并网技术（HVAC）

　　与HVAC相比，具有以下4个特点：

　　（1）经济性：HVDC线路的造价和运行费用比HVAC低，而换流站的造价和运行费用均比交流变电站高。因此对同样的输电容量，输送距离越远，直流比交流的经济性越好。

　　（2）互联性：HVAC能力受到同步发电机功角稳定问题的限制，且随着输送距离的增大，同步机之间的联系电抗越大，稳定问题更加突出，HVAC能力受到更大限制。

　　（3）控制性：HVDC具有潮流快速可控的特点，可用于所连交流系统的稳定和频率控制。HVDC 的变换器为基于电力电子器件构成的电能控制电路，因此对于电力潮流的控制迅速而精确。

　　（4）灵活性：易于构成多端直流输电网络，进而实现多个风电场或混合分布式电源的并网。

　　由于上述 HVDC自身的一系列特点，使得 HVDC有其适用的应用领域，如海底电缆输电、长架空线输电、交流系统互连以及作为限制短路电流的对策而获得了各国人们的极大关注。目前，HVDC已成为电力电子技术在电力系统应用中最全面，但同时也是最为复杂的系统，对 HVDC的研究仍然任重而道远。风电场通过交流方式联网存在上述难以解决的困难，大型风电场和海上风电场联网，人们越来越青睐高压直流输电。HVDC技术是电力电子技术在电力系统输电领域中应用最早同时也是较为成熟的技术。

　　采用VSC-HVDC系统的风电并网技术

　　目前，联网风电场主要手段有VSC-HVDC、常规直流输电HVDC和交流输电HVAC 3种。VSC-HVDC由于本身的很多优良特性，更适用于风电场联网，还有助于系统黑启动和风电场的“孤岛”运行等。特点：

　　a、采用直流联网方式实现风电场的长距离联网时，由于直流电缆成本的降低以及直流线路上损耗所占比例的降低，可抵消掉由于安装换流站带来的成本增加。

　　b、直流联网可以隔离风电场和交流主网，有助于系统故障后的快速恢复。交流联网的优点是成本较低，但是当输电线路距离超过一定数值后，交流电缆成本所占比例变大，会产生大量容性无功电流，需要加静止无功补偿器（SVC）进行无功补偿。而且交流联网必须使风电场与所联交流电网保持同步。

　　c、由于直流输电的运行特性，其传输电能时不会传播交流电网的交流属性（如电压相角，频率），也就隔绝了风电注入电网的谐波，避免了风力发电对电网的谐波污染；并且由于风电并网连接在各机组母线电压收到风机本身发电的影响，电压通常达不到稳定的要求，采用VSC-HVDC并网时，还可以起到STATCOM的作用，动态地补偿风机公共连接点的无功缺额，达到稳定机端母线电压的作用。另外，在风电机发生故障停运时，还可以借助VSC提供的母线电压，达到依靠网侧自启动的目的。

　　04、风电并网对电网的影响

　　定量分析风电场对主电网运行的影响，要从稳态和动态两方面进行分析。

　　稳态分析：对含风电场的电力系统进行潮流计算

　　在稳态潮流分析中，对风电场的电力系统对平衡节点的有功、无功平衡能力提出更高要求，要分别分析含风电场电网在电网大、小运行方式下，是否满足系统的安全稳定运行的各种约束。由于不同的风电机组的工作原理、数学模型都不相同，因此，对不同类型风电场的潮流计算方法也有所差异。

　　稳态含风电场电力系统潮流计算的结果，实质上是一个各风速下系统的潮流计算分布情况表。其中风电场零出力、最大、最小出力等3种情况需要着重关注。

　　动态过程分析一般采用仿真的方法

　　要考虑异步发电机、双馈异步发电机等不同发电机的模型以及风速、风力机、桨距调节等环节，用仿真程序PSS/E、PSCAD、Matlab/Simulink、PSASP等进行分析。分析的关键是各种风力发电机模型的选用。

　　此外还需考虑风电场无功问题

　　风电场无功消耗包括：异步风力发电机消耗，双馈异步发电机和直流永磁同步机没有此部分；风机出口升压变压器，由于整个风电场升压变数目众多，有成百上千台，叠加起来数量不小；风电场升压变电站主变压器消耗等。对于由异步风力发电机组成的风电场，应考虑电压稳定性问题。如有必要，可采用动态电压控制设备。

　　风电并网的经济影响

　　风电场的发电成本加上合理的利润，构成风电的价格。2006年施行的《可再生能源法》中规定，电网企业必须全额收购可再生能源电量。费用高于常规能源发电平均上网电价，其电价之间的差额附加到销售电价中分摊。

　　据统计，全国己建风电场的电价水平在（0.46-1.2）元/（KWh）之间。目前，国内风电上网电价大概分为：成本利润电价；特许权招标电价；全省统一电价等三种。与火电相比，风电上网电价较高。

　　风电场出力的随机性，可能造成如负荷跟踪、频率控制、备用容量、无功功率和电压调节等电网辅助服务的成本增加，从而影响了电网企业的效益。

　　05、风电并网存在的问题

　　大规模集中式并网和分布式并网，在接入电网电压等级，输送容量，对电网的影响等方面，显然是显著不同的。

　　大规模集中式并网

　　从丹麦乃至欧美的风电并网与我国的大规模风电并网的不同种寻求答案：

　　1、数量级不同：中国所谓‘大规模’指的是千万千瓦级风场，而欧美的‘大规模’指的是几十万千瓦级的风场；中国所说的‘远距离’指的是几百上千公里的输送，欧美的‘远距离’基本上在一百公里左右。

　　2、并网思路不同：我国风电存在“大基地建设，大规模送出”的思路，欧美则是“”分散接入，就地消纳“的思路，这里先不提好坏，只说事实。

　　3、能源结构不同：欧洲燃气、燃油发电和水电比例大，调峰能力强，电力的互送非常频繁；而我国幅员辽阔，电源负荷分布不均，而且电源以火电为主，调节能力相对较差。风电的波动性带来的是它需要对应合理的电源进行调峰，从而来满足负荷平衡。而我国以煤电为主的电网难以为风电做深度调峰的。

　　4、对电网的要求不同：欧洲风电基本是分散接入，对电网用户侧的智能化要求是比较高的，而欧洲电网也是围绕这个方向在发展；而我国的大规模送出则是另一个课题了，面对的困难也不一样。

　　5、其他问题：

　　a、风电运行管理水平：欧洲水平是很高的，以西班牙和丹麦为代表。他们广泛开展了风电功率预测工作，都实现了风电输出功率的日前预测，西班牙规定风电出力预测误差超过20%时将被罚款，然后对风电场进行有效调控。而我国这方面就差强人意了。

　　b电价等管理政策：各国国情不同，政策不同，但是学习的经验还是很多。作者举了德国电价的例子；我国的电价制度仍需根据实际情况的变化及时更新。

　　分布式并网

　　我国目前的分布式能源发展非常缓慢，导致很多高渗透率并网才发生的问题一点都没有凸显。然而和大规模集中式并网类似，调峰和调度问题依然是分布式并网的最主要问题，分布式电源量更多，更细微，更复杂，平台需求更高，对储能的依赖会很高。

　　双向潮流引起的问题：

　　传统配电网是单向电流流动，配电网只接收负荷。大量接入分布式光伏发电后，传统辐射状的无源配电网络将变成一个充满中小型电源的有源网络，潮流开始双向流动，这是最根本的问题。

　　潮流的变化，对配电网的规划设计、信息采集、运行方式、保护控制等影响很大。但是这是个规模问题，以后如果分布式新能源的渗透率搞了，这些问题应该会很大，网络的构架上就存在问题。

　　还有运行控制方面，针对双向潮流引起的复杂的线路保护、有功无功控制，通信等等。

　　无功和电压问题：

　　集中供电的配电网一般呈辐射状，稳态运行状态下，电压沿馈线潮流方向逐渐降低。目前问题没有凸显，但当大量分布式能源并网后，需要通盘考虑这些系统性问题。

　　谐波问题：

　　分布式发电通过电力电子逆变器并网，易产生谐波、三相电压/电流不平衡；输出功率随机性易造成电网电压波动、闪变；分布式电源直接在用户侧接入电网，电能质量问题直接影响用户的电器设备安全。

　　谐波问题，目前确实是个比较大的问题，它和诸多因素有关，但很多问题可以优化，在今后的实际运行中，谐波问题将相对可控。

　　孤岛问题：

　　由于线路故障等原因，断路器QF2或QF3跳开，此时分布式电源DG和负载L就构成了一个孤岛系统。在孤岛系统中，DG脱离电网后继续运行，独立地给负载L供电，称为孤岛运行。由于故障跳闸等偶然原因形成的孤岛运行，称为非计划孤岛运行。非计划的孤岛运行具有偶然性和不确定性，会对系统、用户和DG本身带来不利影响。必须发展合理的孤岛运行，以及更为合理的并网、离网协调控制机制。

　　还有很多其他的次要问题，比如接地、谐振等等。

　　文末彩蛋：风哥整理了已经过去的11月份并网发电的风电项目一览表：