大规模风电并网可靠性提升分析

大规模风电并网可靠性提升分析

宋晓瑛

明阳智慧能源集团股份公司 广东 中山 528437

摘要：大规模风电并网后，构成了局部高比例风电电力系统形态，为保证风电并网可靠运行，本文分析了一种大规模风电并网可靠性提升构建方案，通过风电机组的电网耐受性提升、电压支撑能力提升等，为风电系统可靠性运行提供参考。

关键词：大规模风电并网；可靠性提升；并网接入性能

引言：大规模风电项目并网日益剧增，并网的适应性问题及电网支撑能力所导致的风电机组或风电场停运的情况时有发生，对电网的安全稳定运行形成威胁，加上风资源的波动性、随机性和反调峰属性，导致风电具有监测复杂、难预测、可控性差、对电网弱支撑的特性，因此提升风电机组的并网可靠性是保证新能源场站涉网安全水平，促进网源协调发展的前提条件。

1大规模风电并网体系特点

1.1评价对象

风电系统具备装机容量小、数量规模大、种类构成复杂等特征，现有用于发电指标评价的评估体系无法与风电的复杂程度相适应，能够给出的评价结果很难深入、客观反映风电系统存在的问题，还无法达到全方位、多角度评价的要求。

1.2指标选择

相较于传统发电系统，风电系统依托于风能，使得系统带有更高的随机性和不确定性。以往的评估指标多集中在发电量、发电时间等基础参数上，很难反映风电并网的接入性能。

2大规模风电并网可靠性提升指标构建

2.1指标选择

2.1.1电网耐受性提升

考虑不同电网对风电机组耐受性能力的不同要求，以690V侧电压运行范围、频率运行范围、谐波运行范围、三相电压不平衡运行范围为关键因子，研究出基于机组主电路控制及硬件回路的电网输出能力评估方法，以及基于电控设备电气运行范围及故障保护逻辑的机组电网耐性受评估方法，形成整机的并网可靠性评估方法。为明确接入风机不同电压点（风机690V/塔底400V/机舱400V电压）电气设备的考核标准，通过建立数学模型、matlab模型仿真、现场实测数据相互校验的方式，搭建塔底400V、机舱400V电压与风机690V侧的电能质量变化关联方程，利用风机690V侧电网耐受性考核标准推导塔底400V及机舱400V电网耐受性标准，形成辅电设备并网可靠性选型标准，见图1。

图1 电网耐受技术方案

通过评估各接入点电气设备运行能力匹配性及电控系统保护设置匹配性，以此判断是否满足耐受性。并以优化设备启/停控制、增加隔离设备、增加滤波设备为手段，研究提升电网耐受性方案。利用可编程交流电源及调压器模拟耐受性标准要求运行范围，校验并优化耐受性提升方案。

2.1.2电网支撑能力

电网支撑能力评估指标主要有一次调频、无功调压、并网振荡主动阻尼等。风电机组需克服自身弱惯量、弱阻尼及弱频率/电压支撑等特性，主动维持系统暂态、稳态电压与频率稳定，提升系统的安全稳定水平。

一次调频

一次调频快速频率响应有功-频率下垂特性通过设定频率与有功功率折线函数实现，公式如下: ，其中：f_d为快速频率响应死区,Hz；f_N为系统额定频率,Hz;P_N为额定功率,MW；δ%为新能源快速频率响应调差率；P₀为有功功率初值,MW。

通过给风电机组配套能量管理平台（Energy Management System，简称EMS系统）按照电网要求的有功-频率特性输出有功功率，实现快速频率响应功能，电网的频率一旦偏离额定值时，系统将迅速控制机组有功功率的增减，限制电网频率变化，使电网频率维持稳定。EMS系统快速调频控制逻辑及系统组成见下图2

图2 EMS系统快速调频控制逻辑及组成

无功调压

无功功率的变化引起的系统电压变化可通过如下公式表示： 式中， 无功功率为零时的系统电压， 为系统短路容量。由公式可知，当并网点的电压变化 时，投入 无功补偿后，并网点电压即可回到正常值。

通过模拟同步机的无功-电压下垂控制，在风机输出功率中增加与电压变化率和电压偏差成正比的无功功率，可以使风电机组具备调压能力。当电网电压偏差大于一定值，风电机组应能自动或接受上级指令快速调节无功输出，参与电网调压。当系统电压下降时，风电机组应根据调压曲线发出无功功率，直到无功调节量达到允许最大值；当系统电压上升时，风电机组应根据调压曲线吸收无功功率，直到无功调节量达到允许最大值，实现自主调压和无功控制。

并网振荡主动阻尼

风电系统发生宽频（低频、次/超同步、高频）振荡时，风电机组需通过自身调节主动抑制振荡的发生，提升高比例风电系统应对小干扰的稳定水平。

电网谐波来自于三个方面：一是发电源质量不高产生谐波；二是输配电系统产生谐波；三是用电设备产生的谐波，其中用电设备产生的谐波最多。当谐波源频率与谐振点一致时，很小的谐波源会被放大到百倍甚至千倍。

风电并网等效电路普遍为LCL拓扑，见图3。

图3 风电并网等效电路普遍为LCL拓扑

LCL拓扑存在谐振尖峰，因此需对该谐振尖峰进行主动阻尼，通过改变电容组数调整LCL谐振频率或加上阻尼后，保证并网电流的稳定，谐波可快速有效衰减。

在大规模风电场并网系统中，经串联补偿、弱交流系统或HVDC 并网均有可能引发风电机组的次同步振荡，在风电机组变流器控制系统中引入阻尼控制环节，不需要额外增加设备，是一种经济有效的方式可以抑制风电场的次同步振荡的方式.

结论：风电并网项目是电力行业现代化、可持续发展的重要体现。风电项目在调节能源消耗结构、新能源开发等方面优势突出。风电系统并网耐受性和电网支撑能力不断提升和优化能够对风电并网后发电系统运行效益有更直观影响，构建风电并网可靠性指标体系，还有待进一步深入研究与完善。

参考文献：

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