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風力發(fā)電論文風電并網(wǎng)對電力系統(tǒng)影響

所屬分類:建筑論文 閱讀次 時間:2016-12-30 16:49

本文摘要:本風力發(fā)電論文主要對風電大規(guī)模并網(wǎng)后所引起的電能質(zhì)量問題和系統(tǒng)穩(wěn)定性問題進行了分析和探究。風能作為一種清潔的新能源,對我們社會的發(fā)展與環(huán)境保護具有重大的意義?梢园l(fā)表風力發(fā)電論文的期刊有《 電力與能源 》(雙月刊)創(chuàng)刊于1980年,是由上海市能源

  本風力發(fā)電論文主要對風電大規(guī)模并網(wǎng)后所引起的電能質(zhì)量問題和系統(tǒng)穩(wěn)定性問題進行了分析和探究。風能作為一種清潔的新能源,對我們社會的發(fā)展與環(huán)境保護具有重大的意義。可以發(fā)表風力發(fā)電論文的期刊有《電力與能源》(雙月刊)創(chuàng)刊于1980年,是由上海市能源研究所和上海市工程熱物理學會聯(lián)合主辦的綜合性能源類技術(shù)雜志。雜志以報道當前能源技術(shù)發(fā)展動態(tài)為主,在積極宣傳政府可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的同時,配合政府的重點能源項目規(guī)劃,組織相關(guān)熱點技術(shù)和成果的報道。雜志堅持普及與提高、先進和實用、理論和實踐相結(jié)合的辦刊方針,在報道理論研究成果的同時,還報道工作在第一線的能源工作者節(jié)能經(jīng)驗。

電力與能源

  摘 要:隨著電力系統(tǒng)中風力發(fā)電的快速發(fā)展,越來越多的風電場開始接入電壓等級更高的電網(wǎng)。風電的大規(guī)模接入對電網(wǎng)的運行造成了諸多影響,比如影響電網(wǎng)的安全性、調(diào)峰調(diào)頻、電能質(zhì)量等。這些問題不僅影響到了大電網(wǎng)的安全運行,還制約著電網(wǎng)接納風電。探究了風電并入電網(wǎng)后造成的影響,在電能質(zhì)量和電網(wǎng)穩(wěn)定性兩方面進行了分析,并對提出了解決方案。

  關(guān)鍵詞:風力發(fā)電;風電并網(wǎng);電能質(zhì)量;電網(wǎng)穩(wěn)定性

  1 風力發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀

  隨著世界經(jīng)濟的高速發(fā)展,能源危機和環(huán)境污染正日益困擾著人類的生產(chǎn)和生活。為了解決能源短缺問題,人們開始將目光投向取之不盡的清潔能源——風能。風力發(fā)電自20世紀80年代開始,受到了歐美各國的重視,各國政府都積極尋求替代化石燃料的新能源。由于風電與其他新能源相比其技術(shù)更加成熟,且具有更高的成本效益和資源有效性,因此,風電發(fā)展不斷超越著其預期的發(fā)展速度,一直保持著世界上增長最快的能源地位。

  根據(jù)全球風能理事會(Global Wind Energy Council)的統(tǒng)計數(shù)據(jù),2014年新增裝機容量超過50 GW大關(guān),與2013的35.7GW相比增長47%.圖1為截至2014年,全球新增和累計裝機容量。從圖1中可以看出,全球的累計裝機容量一直保持較快的增長。

  隨著中國經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展,風電產(chǎn)業(yè)得到了快速的發(fā)展。在《可再生能源法》、風電設(shè)備70%國產(chǎn)化率的要求、風電特許權(quán)示范項目等的支持下,我國風電產(chǎn)業(yè)在短短的幾年之內(nèi)實現(xiàn)了跨越式發(fā)展,已經(jīng)躋身全球風電發(fā)展的前列。根據(jù)中國風能協(xié)會(China Wind Energy Association )的統(tǒng)計數(shù)據(jù),我國風電裝機容量截至2014年已經(jīng)達到114.6 GW,占全球風電市場的31%,位列世界第一。圖2為我國風電歷年新增和累計裝機容量。

  2 風電并網(wǎng)對電能質(zhì)量的影響

  2.1 電壓變動和閃變問題

  由于風速具有隨機性和間歇性,且考慮到風力發(fā)電機組本身的固有特性,因此,風電場的輸出功率會隨著這些特性的影響而改化,進而引發(fā)電壓波動和閃變現(xiàn)象。電壓波動和閃變是指電壓幅值在一定范圍內(nèi)有規(guī)則地變動時,電壓的最大值與最小值相對額定電壓的百分比,或電壓幅值不超過0.9~1.1 p.u.的一系列變化。這種電壓變化稱為閃變,以表達電壓波動對照明燈的視覺影響。數(shù)學表達式如下:

  風力發(fā)電機組在變動的風速的作用下,其功率輸出具有變動的特性,可能引發(fā)所接入系統(tǒng)的某些節(jié)點的電壓變動。風力發(fā)電機組并網(wǎng)運行引起的電壓變動源于波動的功率輸出,而輸出功率的變動主要是因風速的快速變動以及塔影效應、風剪切、偏航誤差等引起的。

  為了有效控制風電場接入閃爍干擾值的公共連接點的波動和閃變問題,在風力發(fā)電廠接入公共連接點處的閃變干擾值必須滿足電能質(zhì)量,滿足GB 12326—2000中的要求。此外,風電廠必須根據(jù)短期和長期計劃進行適當?shù)陌才,必須按照風力發(fā)電廠裝機的總?cè)萘颗c供電公共連接點干擾源的總?cè)萘恐g的比值進行相應安排。

  2.2 電壓偏差問題

  電壓偏差是指電力系統(tǒng)各處的電壓允許偏離其額定值的百分比,即:

  電力系統(tǒng)中的負荷以及發(fā)電機組的出力隨時會發(fā)生變化,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)會隨著運行方式的改變而改變。這些因素都將引起電力系統(tǒng)功率的不平衡。系統(tǒng)無功功率不平衡是電壓偏差的根本原因。

  恒速風電機組在投入運行時,風電場輸出的有功功率與無功功率存在函數(shù)關(guān)系。當其輸出有功功率P增加時,風電場吸收無功功率Q也會增加。因此,必然引起電壓的波動,造成電壓偏差。由于變速風電機組構(gòu)成的風電場能夠?qū)崿F(xiàn)有功和無功的解偶控制,所以,風電場與電網(wǎng)之間不會發(fā)生無功功率的交換。但當變速機組出力較高時,傳輸有功功率在線路上消耗的無功功率也可能會造成電壓下降,進而引起電壓偏差。

  針對電壓偏差的問題,可以通過調(diào)整中樞點的電壓、調(diào)節(jié)發(fā)電機端的電壓以及變壓器調(diào)壓等方式來解決,這些措施的主要作用是對系統(tǒng)進行無功補償。

  2.3 諧波問題

  無論何種類型的風力發(fā)電機組,風電機本身產(chǎn)生的諧波是可以忽略的,諧波電流的真正來源是風力發(fā)電機組中的電力電子元件。由于定速風電機組在連續(xù)運行過程中沒有電力電子元件的參與,因此,基本不產(chǎn)生諧波。當機組進行投切操作時,軟并網(wǎng)裝置處于工作狀態(tài),會產(chǎn)生諧波電流,但由于投切的過程較短,此諧波注入可以忽略。變速風電機組則采用大容量的電力電子元件,并網(wǎng)后變流器始終處于工作狀態(tài),因此,應當考慮變速風電機組的諧波注入問題。諧波不是固定的,是隨著用電環(huán)境而變化的,加之配電網(wǎng)具有的復雜性,很有可能將諧波電流放大產(chǎn)生諧振,這將對電力系統(tǒng)造成極大的危害。

  諧波問題不僅會對電場造成極大的影響,還會對電力系統(tǒng)造成嚴重的損害。因此,應做好對新能源發(fā)電中諧波電流的控制。當發(fā)電廠利用電力電子轉(zhuǎn)換器發(fā)電機組時,要做好對電場注入系統(tǒng)的諧波電流相應的抑制措施,諧波注入電流需要滿足GB/T 14549中的要求。在使用新能源發(fā)電的過程中,應盡量避免采用單一的發(fā)電機,這樣會使局部諧波電壓過高,進而對發(fā)電系統(tǒng)造成一定的威脅;盡量采用不同種類型的發(fā)電機混合配置,以有效控制諧波電流,促進新能源發(fā)電的安全、有效運行。

  3 風電并網(wǎng)對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響

  目前,世界上主流的發(fā)電機組的額定容量一般為1.5~3 MW,單臺風力發(fā)電機組的最大額定容量可達7 MW,風電場具有更大的裝機容量。隨著風電裝機容量在各個國家電網(wǎng)中所占的比例越來越大,對電網(wǎng)的影響范圍從局部逐漸擴大。

  3.1 電壓穩(wěn)定性問題

  電壓穩(wěn)定性是指電力系統(tǒng)在正常運行中受到擾動后,維持系統(tǒng)中所有母線電壓在可接受水平的能力。當系統(tǒng)遭遇擾動,負荷的用量增加或改變系統(tǒng)條件時,引起電壓連續(xù)的并趨向于失控的衰減,系統(tǒng)由此進入電壓不穩(wěn)定的狀態(tài)。引起不穩(wěn)定的根本原因是電力系統(tǒng)的無功功率無法滿足需求。這可能是因負荷的變動而引起的,也可能是因聯(lián)絡(luò)線上的功率過大,超過了自然功率,進而導致線路中無功損耗急劇增大。

  目前,國內(nèi)風電場通常采用無功補償?shù)姆绞剑丛陲L力發(fā)電機組出口安裝并聯(lián)電容器組來保證系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定。由于并聯(lián)電容器補償通過電容器組的投切實現(xiàn),調(diào)節(jié)特性呈階梯性,補償效果受限于電容器組數(shù)及每組電容,響應速度慢,無法對無功進行平滑調(diào)節(jié)。因此,電力系統(tǒng)中常用無功補償器(SVC)、靜態(tài)同步補償器(STACOM)等動態(tài)無功補償設(shè)備控制電網(wǎng)暫態(tài)電壓。

  3.2 頻率穩(wěn)定性的問題

  電力系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性是指系統(tǒng)因發(fā)生了較大擾動,比如發(fā)電機停機、甩負荷等,而出現(xiàn)了有功功率不平衡的現(xiàn)象時,在自動調(diào)節(jié)裝置的作用下,全系統(tǒng)頻率或解列后的子系統(tǒng)頻率能保持在允許范圍內(nèi)或不降低至危險值以下的能力。要想整個電力系統(tǒng)在一個同步的頻率下運行,則產(chǎn)生的電能和消耗的電能必須是平衡的。頻率反映了整個系統(tǒng)中能量的產(chǎn)生和消耗是否平衡。如果電力系統(tǒng)中發(fā)出的電能過剩,同步發(fā)電機將加速,系統(tǒng)頻率提升;反之,發(fā)電機將減速,系統(tǒng)頻率下降。

  不同類型的風力發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)不同,接入電網(wǎng)后對電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響也不盡相同。恒速風力發(fā)電機組采用感應發(fā)電機將風輪機轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)化為電能,此類型的發(fā)電機組的頻率控制和電壓調(diào)節(jié)比較困難。然而,由于轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)頻率之間通過變速箱具有了耦合關(guān)系,當系統(tǒng)頻率下降時,能向電網(wǎng)提供慣性響應,響應的大小由儲存在轉(zhuǎn)子上的能量和頻率的變化率來決定。在變速風力發(fā)電機組中,直驅(qū)式同步發(fā)電機風電機組可將風能轉(zhuǎn)化為電能,并通過電力電子裝置并入電網(wǎng);陔p饋感應發(fā)電機(DFIG)風電機組,其定子側(cè)可直接接入電網(wǎng),轉(zhuǎn)子側(cè)可通過電力電子裝置接入電網(wǎng)。大量電力電子裝置的使用使變速風電機組的機械功率和電磁功率解耦,當電網(wǎng)頻率發(fā)生變化時,無法向系統(tǒng)提供任何慣性響應。

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