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智能伺服变压器:分散式风电并网关键技术研究

2018-05-07 09:13:10 德州信平电子有限公司 阅读

本文介绍了国内外分散式风电的发展现状,从政府政策和分散式风电本身优劣两方面分析了原因。针对分散式风电并网对于配电网特性的影响和分散式风电运行的关键技术进行了综述,列举了目前的各项研究成果,并对未来发展进行展望。

0 引言

随着经济增速放缓,社会用电量减少,风电消纳问题日益突出,目前我国的集中风电发展受到很大限制。

相较于集中式风电,分散式风电有诸多优点。在化石能源和水资源较为贫瘠的地区,可利用分散式风电补偿负荷突然增长,免去扩容输配电设备所产生的费用;在负荷集中的周边地区修建分散式风电场,可减小用电压力,推迟电网的扩建,增加政策制定的弹性并缓解资金压力。

分散式风电布局灵活,可以布置在需要提高电能质量的网络末端,同时达到提高电能质量的目的。另外,分散式风电还可参与调峰调频等辅助服务,拓展风电的利用场景。

国内的分散式风电发展仍处于起步阶段,借鉴全球发展经验、集中攻关并网关键技术和积极推广实践,是目前阶段的主要任务。

1 国内外分散式风电的发展现状分析

1.1国内外分散式风电的定义

我国的分散式风电接入项目是指距离负荷较近[1],不经过长距离输送,所发电力直接接入周边电网就地消纳的风电项目。

分散式风电与分布式风电的发展模式略有不同。前者的发展模式为同一监控、当地消纳,主要目的在于解决区域负荷增长;后者发电的风电装机容量小、电压等级低、所发电量自发自用,剩余电量才接入电网,主要目的在于解决用户本身的负荷要求。

国际上没有明确定义分散式风电。虽然强调风电的分散接入,但是没有对风电的容量进行限定[2]。总的来说,提倡在电压水平相对不高的电网节点接入,以提高利用效益。在决定适合接入的电压等级前,需综合考虑当地的已有负荷情况和中长期范围内将兴建的电源规划,此外,还要考虑当地的资源,探索风电场适宜的开发规模。

丹麦、德国等可再生能源比例较高的国家,存在直接接入低电压等级电网的风电[3],这些风电规模不大,且不经过远距离传送,与国内对分散式风电的定义十分相近。而西班牙、美国等风能开发方式,则接近我国此前的集中开发方式。因为存在风电资源分布与大型负荷不匹配的问题,所以采用集中兴建大型风电场,再利用输电网络统一外送到电量需求大的地方。

1.2国内分散式风电的发展

我国的分散式发电发展时日尚短。国家能源局在2012年3月公布的第二批风电项目核准计划中,“分散式”三字才被明确提及,预计装机容量为837MW。分散式风电的发展也存在地域性的差别,西北地区发展得最为迅速[3],风电装机容量占到总体的53.8%,发电量占到48.3%,华东地区次之,分别是34.4%和39.6%。较早启动的华能定边狼尔沟分散式示范风电场于2012年正式运行,新疆哈密雅满苏风电场也于2013年投入运行。但总体而言,真正投入运营的分散式风电场仍为少数。

我国分散式风电的发展速度并不快,主要原因有:(1)分散式风电主要利用低风速资源[4]。高风速和低风速资源需要的风电机组不完全一致,为了建立分散式风电场,需要更新已有的风电设备。一方面需要投资方投入额外资金,另一方面也需要市场容量足够大才能驱动上下游产业做出技术革新;(2)分散式风电发展时间短,诸多产业规范、技术标准还未完善,且分散式风电设备与分布式光伏相比,体积较大、安装麻烦,从而在征地、安装、环评方面的程序都较为复杂;(3)2014年后,我国的经济发展结构发生变化,社会电力需求增速放缓,某些地域甚至停滞,电网对可再生能源的消纳能力大幅减弱。且目前风电机组辅助设备应用水平较低,参与调峰调频能力弱,无法撼动传统能源发电场在电力系统中的地位。

随着国家政策的进一步推动,分散式风电即将开始新一轮快速增长。2016年国家颁布的“十三五”规划纲要明确指出,要加速我国分散式风电的发展。尤其是在经济较为发达、负荷水平较高的中东部和南方地区。这些地区的省份多为用电大省[5],而风力条件却不如西部和北部省份。

因此,高效灵活的分散式风电更有助于满足负荷需求和电源质量要求。

1.3国外分散式风电的发展

美国和一些欧洲国家为了推进分散式风电的建设,出台了一系列政策[6-10],包括可再生能源配额制、财政补贴和税收优惠政策、双向义务机制等,得到了不错的结果。

美国的风电装机容量位列全球第二,风电在美国的两个州达到了占比25%的电力供应,九个州达到12%以上。虽然风电发展依然受制于生产税额抵免政策,但近来美国商业公司大举投资可再生能源,或将加速风电进入平价上网的趋势。

德国陆地风电场装机规模较小,大部分直接接入6~36kV或110kV的配电网,以就地消纳为主。但随着装机容量的不断扩大,德国也将考虑将风电并入输电网。

丹麦电网与挪威、瑞典、德国电网相连,组成北欧电网[3]。丹麦的配电网为100kV以下电网。丹麦风电较早开始大规模发展,受时代限制,风电机组的规模不大,因此丹麦风电机组主要接入电压等级为20kV及以下的配电网。另外还有小部分接入30~60kV的电网。目前,前者占到丹麦总风电装机容量的86.7%,后者则为3.1%[6]。

2 分散式风电机组接入对配网特性的影响

分散式风电的渗透率不断增长会对配电网的特性产生很大影响。如正常运行时风速的随机波动性引起输出功率的变化给电网带来波动与闪变、风速低于切出风速时风机从额定运行状态退出[11]、短路电流水平增大引起的电压暂降特征的改变等。虽然分散式风电并网产生了一些负面影响,但同时也有积极的一面。当电网中关联负载较大时,它能及时提供电能,缓解传输线路上的输电压力,从而降低电网出现故障的可能性。风电机组还能提供一定的无功支撑,增强母线节点稳定电压的能力。

2.1电压波动

分散式风电接入电网的位置选取具有较大的灵活性,能使电网结构发生很大改变。分散式接入使得电网功率流动不再简单从电源流出,分层流向各级负荷。而是在电量的任何输送环节上都可能存在电源,因此功率流动方向不再单一。电网潮流改变,必然会导致网络节点电压和相角的变化。此外,风电自身还具有随机性、波动性等特点,风机出力的不断变化,也会给电压调整造成难度,不利于电压稳定。

文献[2]指出接入风电后,由于馈线上的传输功率减小以及风电输出的无功支持,使得沿馈线的各负荷节点处的电压被抬高。风电接入配电网后,若风电的变化与当地负荷变化趋势相同,此时风电将起到抑制系统电压波动的作用;当风电不与当地的负荷协凋运行时,风电将增大系统电压的波动。

文献[12-16]研究了变速风电机组接入电网对电压稳定所产生的影响,可采用多种不同的电压稳定性指标来进行判断。文献[12]运用基于负荷波动的静态电压稳定指标衡量系统电压的稳定程度。文献[13]则是根据测量到的实时电压变化来判断电网电压波动程度。文献[14]通过系统固有电压电流特性快速判别节点电压,从而得出节点电压波动程度。文献[15-16]则从短路容量角度对电压的稳定裕度做出判断。

文献[17-18]研究了风电并网如何影响电压波动。节点电压偏差由两方面共同作用,一方面是系统运行水平和负荷大小,另一方面则取决于风力出力的大小。文献[17]仿真发现,接入节点的短路比和线路抗阻比直接影响电网电压波动情况,节点电压高低与风电出力相关。文献[18]还对电压闪变值和网络阻抗角之间的关系做了进一步研究。结果发现,阻抗角和电压闪变值并非呈现完全负相关,而是存在拐点。越过此拐点后,电压闪变值随阻抗角增大而增大。

文献[19]制定了风电场并网的配电网电压波动分析及多目标抑制策略。分析了风电机组恒功率因数、恒电压和恒无功功率三种控制方式对电压波动抑制的影响和风参数、电网参数对电压波动的影响规律。然后提出依靠风电机组的多目标电压波动抑制策略,在现有控制方式基础上,添加辅助的电压波动抑制环节,并通过迅速操控并网点与电网之间的无功交换功率,达到减小电压波动。该抑制策略不需要增加额外设备,通过辅助闪变控制来动态控制风电机组无功功率抵消因有功功率波动产生的电压波动,但是其抑制效果会受到风机无功容量的限制。

文献[20]以湖南省某110kV地区电网为例,研究风电波动对电网无功电压特性的影响。对比仿真了双馈异步风力发电机的恒功率控制和恒电压控制两种情况。前者控制策略下,风电机组只输出有功,不输出无功。电网电压由系统中原有设备和网络参数决定。后者则通过风机的无功备用,将风电机组的机端电压保持在常数,有助于整个系统的电压稳定。

2.2谐波

目前市场上的风电机组的主流机型为变速机组,而变速机组并网需要通过电力电子转换器。随着分散式风电大量并网,这些电子设备的影响也不容忽视。例如,电子设备在开断时会产生谐波,这些谐波同样被注入到电网中,使得电网的电压产生畸变。

文献[17]发现分散式风电并网会扩大谐波频率范围。分散式风电接入使电网引入附加电容,既增添了新的共振频率,也将主谐振频率移到了低频段。风机的电力电子变换器的基础是开关元件,这些变换器的发射频率主要为开关频率及其整数倍。

当谐波频率高于2.5kHz时,谐波幅值的测量会有明显的误差,并且在高频段出现测量值低于实际值,是以需要对2kHz以上的高次谐波测量精度特点进一步分析。另外,这些电力电子装置还将带来非特征次谐波,这些特殊的谐波可能被放大,以致超过临界值。

文献[18]分析了风电并网产生谐波的成因。定速风电机组投入时会产生谐波,但这一过程十分短暂,通常可不计入考虑范围。由于运行无需电子转换器,基于同步机的定速风电机组在工作状态不会产生谐波。变速风电机组则不同,它的有功无功出力都必须经过电力电子设备的转换,才能注入电网,这些电子变换器给系统带来了大量的谐波干扰。

2.3继电保护

分散式风电机组的接入对于配电网的继电是一个新的挑战。风电接入的位置和容量不同,系统潮流的变化也千差万别,原有继电保护方案常常不再适用。

文献[2]计算了分散式风电接入电网后接入点上下游所流经的故障电流变化。结果发现下游流经保护的故障电流增大,而上游减小,证明了该线路继电保护所要求的灵敏度发生了差异性变化。另外还存在风电接入后故障电流反向。若保护装置未加装方向元件,保护动作就会失去选择性。文献[21]的仿真分析表明,当上游继电装置加装方向元件后,可完全消除风机接入的影响。

文献[22]对分散式风电接入配电网后,短路故障产生时的情况做了定量分析。建立了一个分散式风电接入电网的简化模型,通过计算不同线路发生短路故障时,分散式风电造成的影响,提出了相关继电保护参数的整定建议。当风电接入容量较大,致使故障发生时,保护装置误动或拒动,就必须更换继电器的阈值。

2.4无功支撑与电网规划

文献[21]研究了永磁直驱风力发电机的模型及其相应控制策略,发现风电机组的变流器使得机组有功无功解耦;对风机进行建模并将其接入配网仿真分析,结果表明,电网电压大幅下降时,风电机组运行所受到的影响小,反而能向外输送无功,帮助系统重新恢复稳定。

文献[22]指出了分散式风电并网增大了地区负荷预测和地区电网规划的难度,因为它不但具备随机性等特点,还极大改变了电网的拓扑结构。


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