风电大规模并网带来的问题及对策

风电大规模并网带来的问题及对策,风力发电是21世纪重要的绿色能源，也是化石能源的重要替代能源之一。加快发展风力发电，是世界许多国家解决能源可持续利用的重要举措。美国的风电装机容量仅次于天然气，连续3年领先世界；欧盟将风能当作新能源领头羊，风电装机容量占了新增发电装机的4成；国外其他国家的风电发展也十分迅速。据预测，世界风电总装机容量在2010年将超过140GW。,我国2000-2008年风电装机情况,2009年中国风电并网获大突破,工信部2010的1月7日数据显示，我国风电并网总容量16.13GW，同比增长92.26%，2009年是中国近年风电并网增长最快的一年。一直以来,我国风电装机容量都在以100%的增速增加，但风电并网容量却远远落后于装机容量，造成极大的浪费，而这也是制约我国风电产业发展的瓶颈之一。截至2008年底，中国风电装机容量累计达12.21GW，但实现并网发电的只有8.94GW，还有3.27GW的风电在空转，并未联上电网。,2009年底我国发电装机（并网）容量情况（单位：GW）,目录,（一）风电大规模并网带来的问题（二）风电并网技术的新进展（三）国内外的相关情况（四）结论,一）风电大规模并网带来的问题,1.潮流与网损2.电能质量2.1电压偏差2.2电压波动和闪变2.3谐波污染3.稳定问题3.1大规模风电并网的影响及风电场电压控制3.2大规模风电接入对电网暂态稳定性的影响3.3风电机组低电压穿越能力4.发电计划与调度4.1对电网调度运行的影响4.2风电功率预测的必要性,潮流与网损,风电场接入配电网以后，减少了输电网向该地区输送的电力，既缓解了电网的输电压力，一般也会降低系统的网损。,输电网,配电网,发电厂,负荷,环状结构电压等级高网络损耗小,树状，结构松散电压低网损较大,风电场,P,Q,潮流与网损,潮流问题主要的研究热点：风电场的模型P-Q模型不需要额外的迭代步骤，也可以得到相当满意的结果R-X模型计算量较大,电能质量,风能因具有随机性、间歇性和不可调度性的缺点，随着风电机组单机容量和风电场规模的增大，并网后对风电机组功率连续波动和本身产生电力脉动给电力系统的电能质量带来负面影响，需要研究风电的特性和评估其对电能质量的影响。,电能质量,风力机输出功率随着风速随机变化，风电场注入电网的有功功率和吸收的无功功率也会有所改变，引起风电场母线及附近电网电压的波动；同时，风力发电机组并网和脱网、补偿电容器的投切等操作时对电网电压造成冲击。,电能质量,风电机组的固有特性也可能会引起电压波动和闪变。电压波动和闪变是风力发电对电网电能质量的主要负面影响之一，电压波动和闪变通常会引起许多电工设备不能正常工作，如影响电视画面质量、使电动机转速脉动、使电子仪器工作失常、影响自动控制设备的正常工况、使白炽灯光发生闪烁等。,电能质量,风力发电机组本身配备的电力电子装置（如可控硅装置）可能带来谐波问题，势必造成谐波电流注入电网。谐波对电力网的危害：增加了电力网中发生谐振的可能；增加电气设备附加损耗；加速绝缘老化，缩短使用寿命；继电保护、自动装置不能正常动作；不能正确计量仪表；干扰通信系统。如超过电能质量公用电网谐波（GB/T14549-93）的允许值，须装设滤波装置解决这个问题。与闪变问题相比，在实际运行中风电并网带来的谐波问题不是很严重。,风电引起的电压偏差问题,风力发电机组在其并网运行时需要从系统中吸收大量无功功率，所以风电场的电压往往很低，特别是当地方电力系统电压等级较低和系统容量较小时尤为严重，机端需要并联电容器，进行无功补偿。大型并网风电机组：动态无功补偿装置,风电引起的电压波动和闪变问题,电压波动：电压幅值在一定范围内（通常为额定值的90110）有规律或随机地变化。软并网方式，启动时冲击电流闪变对并网点的短路电流水平和电网的阻抗比十分敏感。,风机出力的波动,电压闪变（低于25Hz）,风速超过切出风速风速变化风机的塔影效应,风电引起的电压波动和闪变问题,风电机组并网简化示意图,风电引起的电压波动和闪变问题,合适的X/R比可以使有功功率引起的电压波动被无功功率引起的电压波动补偿掉，使平均闪变值有所降低。电网线路的X/R比是影响风电机组引起的电压波动和闪变的重要因素。,风电引起的电压波动和闪变问题,国际电工委员会颁布了并网风电机组电能质量标准IEC61400-21IEC61400-21的主要内容是并网风力发电机组功率质量特性测试与评价：描述并网风电机组电能质量特征参数的定义测定过程（额定值、最大容许功率、最大测量功率、无功功率、电压波动等）功率质量评估（稳定状态电压、电压波动等）,风电引起的电压波动和闪变问题,影响并网风力发电机组输出功率的波动因素：风况风力发电机组类型控制系统电网状况（短路容量、线路X/R比和负荷特性）在运行过程中的电压闪变是由功率波动引起的，而功率波动主要源于风速的变动、塔影效应影响和风力机机械特性等。在切换操作过程中也产生闪变，典型的切换操作是风电机组的启动、停机和发电机切换，输出功率发生一定的变化，将导致公共连接点的电压变化，而电压变化将产生闪变。,风电引起的谐波污染问题,风电给系统带来谐波的途径主要有两种：风力发电机本身配备的电力电子装置，可能带来谐波问题是风力发电机的并联补偿电容器可能和线路电抗发生谐振,谐波对电力网的定危害：增加了电网的供电损耗；干扰电网的保护装置与自动化装置的正常运行；影响仪表正确计量；用电设备发热增加，影响其使用寿命。,风电引起的谐波污染问题,恒速风电机组在运行过程中没有产生谐波电流，但当其在投入时，往往采用软并网可控硅装置并网，势必造成谐波电流注入电网，由于投入过程较短，发生的次数也不多，谐波电流注入实际上是可以忽略的。变速恒频风电机组通过整流和逆变装置接入系统，如果电力电子装置的切换频率恰好在产生谐波的范围内，则会产生很严重的谐波问题。随着电力电子器件的不断改进，这个问题正在逐步得到解决。与闪变问题相比，在实际运行中风电并网带来的谐波问题不是很严重。,风电引起的谐波污染问题,在电力系统中，电压波型是中心对称的，基本上不含有偶次谐波，主要存在在奇次谐波，而三、九次谐波可以通过变压器的绕组进行隔离。而11、13次以上高次谐波由于其频率比较高，在线路传输过程中衰减比较快，在电网中所占的比重也不大。往往5次谐波和7次谐波成分较多。因此需根据每台机的谐波发生量，计算出公共接入点上的谐波电压畸变值和谐波电流注入值,如计算值超过允许值需要采取措施，通过装设滤波装置使注入电网的谐波电流降低到国标允许值内。,风电引起的谐波污染问题,有些情况下，采用APF和传统的滤波装置组合而成的混合型滤波器，由电容吸收高次谐波，而APF提高滤波性能，具有较好的性价比。,通过电容、电抗和电阻等元件串联或并联；结构简单，价格低廉，运行可靠；可能对某次谐波在某个条件下会起放大作用，效果会收到限制,谐波治理的发展方向，将占主导地位。,电能质量小结,风能属于清洁的可再生能源，因其随机波动性会对并网点附近电能质量带来一定影响，尤其是接入薄弱电网，需要通过计算分析后评估影响程度，分析风电并网对电能质量带来的影响的原因，必要时采取一定的措施抑制电压波动与闪变、谐波污染等，降低影响，促进风电事业的良性、健康发展。,大规模风电并网的影响及风电场电压控制,风电接入后的电压变化曲线（以吉林白城地区风电接入为例）,大规模风电并网的影响及风电场电压控制,电网的电压稳定极限限制了风电场最大的装机容量，在电网规划没有与风电规划协调发展时，往往电网接纳风电的能力不能适应风电规划的发展,接入的风电场容量受到电网自身条件的限制。,大规模风电并网的影响及风电场电压控制,通过采用一定的无功补偿手段，可以增加电网的电压稳定裕度、提高风电场的最大装机容量。,进行无功补偿后节点电压变化曲线。,大规模风电并网的影响及风电场电压控制,实际运行过程中，在风电功率波动大、无功需求量大且变化相对较快时，可能单依靠电容器组快速投切不能满足控制的要求，这时就需要在风电场内安装能够在风速波动时提供快速的无功支撑，有利于电网和风电场的无功电压调节的动态无功补偿装置。,大规模风电接入对电网暂态稳定性的影响,如果地区电网足够强，则系统发生故障后风电机组在故障清除后能够恢复机端电压并稳定运行，地区电网的暂态电压稳定性便能够得到保证；如果地区电网较弱，则风电机组在系统故障清除后无法重新建立机端电压，风电机组运行超速失去稳定，就会引起地区电网暂态电压稳定性的破坏。此时，需利用风电场或风电机组的保护将风电场或风电机组切除以保证区域电网的暂态电压稳定性；或者通过在风电场安装动态无功补偿装置、及利用变速风电机组的动态无功支撑能力在暂态过程中及故障后电网的恢复过程中支撑电网电压，保证区域电网的暂态电压稳定。,大规模风电接入对电网暂态稳定性的影响,某风电场并网前，系统中某一传输线路发生三相短路并被切除后，网内相关节点电压变化曲线,大规模风电接入对电网暂态稳定性的影响,风电场并网后且满发，发生相同故障时网内相关节点电压变化曲线,大规模风电接入对电网暂态稳定性的影响,风电场切除后节点电压变化曲线,风电机组低电压穿越能力问题,低电压穿越(Lowvoltageridethrough,LVRT)：指在风机并网点电压跌落的时候风机能够保持并网，甚至向电网提供一定的无功功率，支持电网恢复电压，直到电网恢复正常，从而“穿越”这个低电压时间。,风电机组低电压穿越能力问题,当风电在电网中所占比例较低时，若电网出现故障，风机就实施被动式自我保护而立即解列，不用考虑故障的持续时间和严重程度，从而最大限度地保障风机安全，这种情况是可以被接受的。当风电在电网中所占比例较大时，若风机在系统发生故障时仍采取被动保护式解列方式，则会增加整个系统的恢复难度，甚至可能加剧故障，最终导致系统其他机组全部解列，此时对风电机组必须要求风电机组具有相应的低电压穿越能力，且必须采取有效的低电压穿越措施，以维护风场电网的稳定。,风电机组低电压穿越能力问题,不同国家和地区所提出的低电压穿越要求不尽相同。仅当电网电压在时间或数值上处于图中曲线下方时，风机才允许解列；而处于曲线以上区域时，风机应保持并网，等待电网恢复。且当电压位于图中阴影区域时，还要求风机向电网提供无功功率支撑，帮助电网恢复。,德国EonNetz公司对风电场/风力机组的低电压穿越要求,风电机组低电压穿越能力问题,风电场/风力机组在电网发生故障时，没有低电压穿越能力和有低电压穿越能力两种情况下的表现,发电计划与调度,传统的发电计划基于电源的可靠性以及负荷的可预测性，以这两点为基础，发电计划的制定和实施有了可靠的保证。但是，如果系统内含有风电场，因为风电场出力的预测水平还达不到工程实用的程度，发电计划的制定变得困难起来。如果把风电场看做负的负荷，不具有可预测性；如果把它看做电源，可靠性没有保证。,发电计划与调度,风力发电并网以后，如果电力系统的运行方式不相应地做出调整和优化，系统的动态响应能力将不足以跟踪风电功率的大幅度（高频率的波动，系统的电能质量和动态稳定性将受到显著影响，这些因素反过来会限制系统准入的风电功率水平，因此有必要对电力系统传统的运行方式和控制手段做出适当的改进和调整，研究随机的发电计划算法和AGC算法，以便正确考虑风电的随机性和间歇性特性。,对电网调度运行的影响,一般而言，我国风能资源丰富地区经济不甚发达，无法消纳大规模的风电电力；且地区负荷特性往往与风电场风电功率特性相反，或称之为风电的反调峰特性，导致大规模风电接入后往往会增加电网调度的难度，需要电网留有更多的备用电源和调峰容量，这必将给电网带来附加的经济投入，增加电网运行的费用。,对电网调度运行的影响,某地区两个典型日等效负荷曲线图,风电功率预测的必要性,风电接入给电网带来的调度问题及额外备用容量的要求完全是由于风电的随机及间歇特性引起的。在风电功率无法预测时，电网必须按比较保守的方案为风电留出足够的备用容量以平衡风功率的波动；而当风电功率可以预测并且有足够的精度时，将风电功率作为负的负荷叠加到负荷预测的曲线上，就可以像传统的电力系统调度方式一样根据预测的负荷与风电功率安排常规机组的发电计划，从而优化发电机组的开机组合，降低整个电网运行的费用。因此，为了降低风电接入对电网调度的影响及对备用容量的要求，进行风电功率预测十分必要和迫切。,风电功率预测的必要性,对某风电场一周输出功率进行的预测情况,风电功率预测的必要性,风电场附近母线节点的短路容量在风电场发电与不发电时相差较大，风电场对短路容量有很大贡献；离风电场较远的母线节点短路容量几乎不受风电场接入的影响。因此，大装机容量的风电场接入电网后，其附近变电站母线及断路器等设备需考虑更新，增加断路器的遮断容量。由于风速的随机波动特性以及风电机组运行过程中受湍流、尾流效应、塔影效应的影响，导致并网风电机组的输出功率波动，从而引起电网电压波动和闪变等电能质量问题；而变速风电机组中大量使用的电力电子变频设备则会带来谐波和间谐波问题，因此还需要对风电机组电能质量进行测试，为中国风电的健康发展把好风电机组产品的入网关。,风电功率预测的必要性,风能资源有着间歇性和随机性的特点，以及风电机组/风电场的性能不同于同步发电机组/常规发电厂，因此大规模的风电并入电网将对电网的规划建设、运行调度、分析控制、经济运行和电能质量等产生一定的影响。风电场的大规模建设，给电网规划和运行都带来了巨大挑战，需要电力系统研究机构与电网运行部门密切合作，深入研究，高度重视大规模风电并网问题，提出合理有效的技术方案，以确保大规模风电并网后电力系统运行的安全性与稳定性。,（二）风电并网技术的新进展,目前：恒速风机趋势：变速风机，最大限度地提高风能的利用效率使用变速风机的几种方案：采用通过电力电子装置与电网相连的同步电机，如果进一步采用多极同步电机，甚至有可能取消风机上常用的变速齿轮箱，减少风