DQZHAN技術(shù)訊：分散式風電并網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究
摘要：本文介紹了國內(nèi)外分散式風電的發(fā)展現(xiàn)狀，從政府政策和分散式風電本身優(yōu)劣兩方面分析了原因。針對分散式風電并網(wǎng)對于配電網(wǎng)的影響和分散式風電運行的關(guān)鍵技術(shù)進行了綜述，列舉了目前的各項研究成果，并對未來發(fā)展進行展望。
0 引言
隨著經(jīng)濟增速放緩，社會用電量減少，風電消納問題日益突出，目前我國的集中風電發(fā)展受到很大限制。
相較于集中式風電，分散式風電有諸多優(yōu)點。在化石能源和水資源較為貧瘠的地區(qū)，可利用分散式風電補償負荷突然增長，免去擴容輸配電設(shè)備所產(chǎn)生的費用;在負荷集中的周邊地區(qū)修建分散式風電場，可減小用電壓力，推遲電網(wǎng)的擴建，增加政策制定的彈性并緩解資金壓力。
分散式風電布局靈活，可以布置在需要提高電能質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)末端，同時達到提高電能質(zhì)量的目的。另外，分散式風電還可參與調(diào)峰調(diào)頻等輔助服務(wù)，拓展風電的利用場景。
國內(nèi)的分散式風電發(fā)展仍處于起步階段，借鑒全球發(fā)展經(jīng)驗、集中攻關(guān)并網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)和積極推廣實踐，是目前階段的主要任務(wù)。
1 國內(nèi)外分散式風電的發(fā)展現(xiàn)狀分析
1.1國內(nèi)外分散式風電的定義
我國的分散式風電接入項目是指距離負荷較近[1]，不經(jīng)過長距離輸送，所發(fā)電力直接接入周邊電網(wǎng)就地消納的風電項目。
分散式風電與分布式風電的發(fā)展模式略有不同。前者的發(fā)展模式為同一監(jiān)控、當?shù)叵{，主要目的在于解決區(qū)域負荷增長;后者發(fā)電的風電裝機容量小、電壓等級低、所發(fā)電量自發(fā)自用，剩余電量才接入電網(wǎng)，主要目的在于解決用戶本身的負荷要求。
國際上沒有明確定義分散式風電。雖然強調(diào)風電的分散接入，但是沒有對風電的容量進行限定[2]?？偟膩碚f，提倡在電壓水平相對不高的電網(wǎng)節(jié)點接入，以提高利用效益。在決定適合接入的電壓等級前，需綜合考慮當?shù)氐囊延胸摵汕闆r和中長期范圍內(nèi)將興建的電源規(guī)劃，此外，還要考慮當?shù)氐馁Y源，探索風電場適宜的開發(fā)規(guī)模。
丹麥、德國等可再生能源比例較高的國家，存在直接接入低電壓等級電網(wǎng)的風電[3]，這些風電規(guī)模不大，且不經(jīng)過遠距離傳送，與國內(nèi)對分散式風電的定義十分相近。而西班牙、美國等風能開發(fā)方式，則接近我國此前的集中開發(fā)方式。因為存在風電資源分布與大型負荷不匹配的問題，所以采用集中興建大型風電場，再利用輸電網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一外送到電量需求大的地方。
1.2國內(nèi)分散式風電的發(fā)展
我國的分散式發(fā)電發(fā)展時日尚短。國家能源局在2012年3月公布的**批風電項目核準計劃中，“分散式”三字才被明確提及，預計裝機容量為837MW。分散式風電的發(fā)展也存在地域性的差別，西北地區(qū)發(fā)展得*為迅速[3]，風電裝機容量占到總體的53.8%，發(fā)電量占到48.3%，華東地區(qū)次之，分別是34.4%和39.6%。較早啟動的華能定邊狼爾溝分散式示范風電場于2012年正式運行，新疆哈密雅滿蘇風電場也于2013年投入運行。但總體而言，真正投入運營的分散式風電場仍為少數(shù)。
我國分散式風電的發(fā)展速度并不快，主要原因有：(1)分散式風電主要利用低風速資源[4]。高風速和低風速資源需要的風電機組不完全一致，為了建立分散式風電場，需要更新已有的風電設(shè)備。一方面需要投資方投入額外資金，另一方面也需要市場容量足夠大才能驅(qū)動上下游產(chǎn)業(yè)做出技術(shù)革新;(2)分散式風電發(fā)展時間短，諸多產(chǎn)業(yè)規(guī)范、技術(shù)標準還未完善，且分散式風電設(shè)備與分布式光伏相比，體積較大、安裝麻煩，從而在征地、安裝、環(huán)評方面的程序都較為復雜;(3)2014年后，我國的經(jīng)濟發(fā)展結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，社會電力需求增速放緩，某些地域甚至停滯，電網(wǎng)對可再生能源的消納能力大幅減弱。且目前風電機組輔助設(shè)備應(yīng)用水平較低，參與調(diào)峰調(diào)頻能力弱，無法撼動傳統(tǒng)能源發(fā)電場在電力系統(tǒng)中的地位。
隨著國家政策的進一步推動，分散式風電即將開始新一輪快速增長。2016年國家頒布的“十三五”規(guī)劃綱要明確指出，要加速我國分散式風電的發(fā)展。尤其是在經(jīng)濟較為發(fā)達、負荷水平較高的中東部和南方地區(qū)。這些地區(qū)的省份多為用電大省[5]，而風力條件卻不如西部和北部省份。
因此，高效靈活的分散式風電更有助于滿足負荷需求和電源質(zhì)量要求。
1.3國外分散式風電的發(fā)展
美國和一些歐洲國家為了推進分散式風電的建設(shè)，出臺了一系列政策[6-10]，包括可再生能源配額制、財政補貼和稅收優(yōu)惠政策、雙向義務(wù)機制等，得到了不錯的結(jié)果。
美國的風電裝機容量位列全球**，風電在美國的兩個州達到了占比25%的電力供應(yīng)，九個州達到12%以上。雖然風電發(fā)展依然受制于生產(chǎn)稅額抵免政策，但近來美國商業(yè)公司大舉投資可再生能源，或?qū)⒓铀亠L電進入平價上網(wǎng)的趨勢。
德國陸地風電場裝機規(guī)模較小，大部分直接接入6～36kV或110kV的配電網(wǎng)，以就地消納為主。但隨著裝機容量的不斷擴大，德國也將考慮將風電并入輸電網(wǎng)。
丹麥電網(wǎng)與挪威、瑞典、德國電網(wǎng)相連，組成北歐電網(wǎng)[3]。丹麥的配電網(wǎng)為100kV以下電網(wǎng)。丹麥風電較早開始大規(guī)模發(fā)展，受時代限制，風電機組的規(guī)模不大，因此丹麥風電機組主要接入電壓等級為20kV及以下的配電網(wǎng)。另外還有小部分接入30～60kV的電網(wǎng)。目前，前者占到丹麥總風電裝機容量的86.7%，后者則為3.1%[6]。
2 分散式風電機組接入對配網(wǎng)的影響
分散式風電的滲透率不斷增長會對配電網(wǎng)的特性產(chǎn)生很大影響。如正常運行時風速的隨機波動性引起輸出功率的變化給電網(wǎng)帶來波動與閃變、風速低于切出風速時風機從額定運行狀態(tài)退出[11]、短路電流水平增大引起的電壓暫降特征的改變等。雖然分散式風電并網(wǎng)產(chǎn)生了一些負面影響，但同時也有積極的一面。當電網(wǎng)中關(guān)聯(lián)負載較大時，它能及時提供電能，緩解傳輸線路上的輸電壓力，從而降低電網(wǎng)出現(xiàn)故障的可能性。風電機組還能提供一定的無功支撐，增強母線節(jié)點穩(wěn)定電壓的能力。
2.1電壓波動
分散式風電接入電網(wǎng)的位置選取具有較大的靈活性，能使電網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生很大改變。分散式接入使得電網(wǎng)功率流動不再簡單從電源流出，分層流向各級負荷。而是在電量的任何輸送環(huán)節(jié)上都可能存在電源，因此功率流動方向不再單一。電網(wǎng)潮流改變，必然會導致網(wǎng)絡(luò)節(jié)點電壓和相角的變化。此外，風電自身還具有隨機性、波動性等特點，風機出力的不斷變化，也會給電壓調(diào)整造成難度，不利于電壓穩(wěn)定。
文獻[2]指出接入風電后，由于饋線上的傳輸功率減小以及風電輸出的無功支持，使得沿饋線的各負荷節(jié)點處的電壓被抬高。風電接入配電網(wǎng)后，若風電的變化與當?shù)刎摵勺兓厔菹嗤?，此時風電將起到抑制系統(tǒng)電壓波動的作用;當風電不與當?shù)氐呢摵蓞f(xié)凋運行時，風電將增大系統(tǒng)電壓的波動。
文獻[12-16]研究了變速風電機組接入電網(wǎng)對電壓穩(wěn)定所產(chǎn)生的影響，可采用多種不同的電壓穩(wěn)定性指標來進行判斷。文獻[12]運用基于負荷波動的靜態(tài)電壓穩(wěn)定指標衡量系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定程度。文獻[13]則是根據(jù)測量到的實時電壓變化來判斷電網(wǎng)電壓波動程度。文獻[14]通過系統(tǒng)固有電壓電流特性快速判別節(jié)點電壓，從而得出節(jié)點電壓波動程度。文獻[15-16]則從短路容量角度對電壓的穩(wěn)定裕度做出判斷。
文獻[17-18]研究了風電并網(wǎng)如何影響電壓波動。節(jié)點電壓偏差由兩方面共同作用，一方面是系統(tǒng)運行水平和負荷大小，另一方面則取決于風力出力的大小。文獻[17]仿真發(fā)現(xiàn)，接入節(jié)點的短路比和線路抗阻比直接影響電網(wǎng)電壓波動情況，節(jié)點電壓高低與風電出力相關(guān)。文獻[18]還對電壓閃變值和網(wǎng)絡(luò)阻抗角之間的關(guān)系做了進一步研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，阻抗角和電壓閃變值并非呈現(xiàn)完全負相關(guān)，而是存在拐點。越過此拐點后，電壓閃變值隨阻抗角增大而增大。
文獻[19]制定了風電場并網(wǎng)的配電網(wǎng)電壓波動分析及多目標抑制策略。分析了風電機組恒功率因數(shù)、恒電壓和恒無功功率三種控制方式對電壓波動抑制的影響和風參數(shù)、電網(wǎng)參數(shù)對電壓波動的影響規(guī)律。然后提出依靠風電機組的多目標電壓波動抑制策略，在現(xiàn)有控制方式基礎(chǔ)上，添加輔助的電壓波動抑制環(huán)節(jié)，并通過迅速操控并網(wǎng)點與電網(wǎng)之間的無功交換功率，達到減小電壓波動。該抑制策略不需要增加額外設(shè)備，通過輔助閃變控制來動態(tài)控制風電機組無功功率抵消因有功功率波動產(chǎn)生的電壓波動，但是其抑制效果會受到風機無功容量的限制。
文獻[20]以湖南省某110kV地區(qū)電網(wǎng)為例，研究風電波動對電網(wǎng)無功電壓特性的影響。對比仿真了雙饋異步風力發(fā)電機的恒功率控制和恒電壓控制兩種情況。前者控制策略下，風電機組只輸出有功，不輸出無功。電網(wǎng)電壓由系統(tǒng)中原有設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)決定。后者則通過風機的無功備用，將風電機組的機端電壓保持在常數(shù)，有助于整個系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定。
2.2諧波
目前市場上的風電機組的主流機型為變速機組，而變速機組并網(wǎng)需要通過電力電子轉(zhuǎn)換器。隨著分散式風電大量并網(wǎng)，這些電子設(shè)備的影響也不容忽視。例如，電子設(shè)備在開斷時會產(chǎn)生諧波，這些諧波同樣被注入到電網(wǎng)中，使得電網(wǎng)的電壓產(chǎn)生畸變。
文獻[17]發(fā)現(xiàn)分散式風電并網(wǎng)會擴大諧波頻率范圍。分散式風電接入使電網(wǎng)引入附加電容，既增添了新的共振頻率，也將主諧振頻率移到了低頻段。風機的電力電子變換器的基礎(chǔ)是開關(guān)元件，這些變換器的發(fā)射頻率主要為開關(guān)頻率及其整數(shù)倍。
當諧波頻率高于2.5kHz時，諧波幅值的測量會有明顯的誤差，并且在高頻段出現(xiàn)測量值低于實際值，是以需要對2kHz以上的高次諧波測量精度特點進一步分析。另外，這些電力電子裝置還將帶來非特征次諧波，這些特殊的諧波可能被放大，以致超過臨界值。
文獻[18]分析了風電并網(wǎng)產(chǎn)生諧波的成因。定速風電機組投入時會產(chǎn)生諧波，但這一過程十分短暫，通?？刹挥嬋肟紤]范圍。由于運行無需電子轉(zhuǎn)換器，基于同步機的定速風電機組在工作狀態(tài)不會產(chǎn)生諧波。變速風電機組則不同，它的有功無功出力都必須經(jīng)過電力電子設(shè)備的轉(zhuǎn)換，才能注入電網(wǎng)，這些電子變換器給系統(tǒng)帶來了大量的諧波干擾。
2.3繼電保護
分散式風電機組的接入對于配電網(wǎng)的繼電是一個新的挑戰(zhàn)。風電接入的位置和容量不同，系統(tǒng)潮流的變化也千差萬別，原有繼電保護方案常常不再適用。
文獻[2]計算了分散式風電接入電網(wǎng)后接入點上下游所流經(jīng)的故障電流變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)下游流經(jīng)保護的故障電流增大，而上游減小，證明了該線路繼電保護所要求的靈敏度發(fā)生了差異性變化。另外還存在風電接入后故障電流反向。若保護裝置未加裝方向元件，保護動作就會失去選擇性。文獻[21]的仿真分析表明，當上游繼電裝置加裝方向元件后，可完全消除風機接入的影響。
文獻[22]對分散式風電接入配電網(wǎng)后，短路故障產(chǎn)生時的情況做了定量分析。建立了一個分散式風電接入電網(wǎng)的簡化模型，通過計算不同線路發(fā)生短路故障時，分散式風電造成的影響，提出了相關(guān)繼電保護參數(shù)的整定建議。當風電接入容量較大，致使故障發(fā)生時，保護裝置誤動或拒動，就必須更換繼電器的閾值。
2.4無功支撐與電網(wǎng)規(guī)劃
文獻[21]研究了永磁直驅(qū)風力發(fā)電機的模型及其相應(yīng)控制策略，發(fā)現(xiàn)風電機組的變流器使得機組有功無功解耦;對風機進行建模并將其接入配網(wǎng)仿真分析，結(jié)果表明，電網(wǎng)電壓大幅下降時，風電機組運行所受到的影響小，反而能向外輸送無功，幫助系統(tǒng)重新恢復穩(wěn)定。
文獻[22]指出了分散式風電并網(wǎng)增大了地區(qū)負荷預測和地區(qū)電網(wǎng)規(guī)劃的難度，因為它不但具備隨機性等特點，還極大改變了電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)。
