摘要：随着科技的进步，我国风力发电应用越来越多。风电机组集中并网在地区电网中处于特殊地位。对风电机组集中并网系统构造进行了分析，探究了风电机组集中并网对地区电网的影响，并提出了相应的运行改善措施。研究表明：风电机组集中并网会对电网安全、电能质量、自然环境产生重大影响。加强电网运行监管，强化机组运行控制，提高潮流计算能力，调节并控制风电机组集中并网对地区电网的不利一面，提高地区电网安全性和稳定性，为我国风能应用提供宝贵经验。
关键词：风电机组集中并网；稳定性；措施
引言
风力发电作为可再生能源的主要利用方式，近年来得到了快速发展。过去10年，世界范围内风力发电年均增长28%。中国不断加大对风电场的投资建设，到2020年力争使风力装机容量达到30GW。随着大型风电场在电网中并网比例的增多，风电场给电网的安全运行带来了巨大挑战。目前，电网运行通常采用自动发电控制（AGC）进行管理。经验表明，在风电穿透率高的电网中，若仍采用以往的管理方式，将影响电网的安全与经济运行。由于风电场具有一定的特殊性，与常规调峰调频电厂相比，能做出的有功调整十分有限。风电场只能在发电功率小于风电机组最大发电容量的情况下才能参与调峰调频，这显然违反了最优发电原则。此外，风电场的并入导致电网的转动惯量降低，使系统的频率特性恶化。在电网正常运行中，系统的转动惯量越大，频率调节特性越好。当电网频率大幅度下降时，系统惯量对频率稳定起决定作用，惯量越低系统频率下降变快。在严重频率事故中，系统惯量的下降不利于维持系统频率的稳定。由于风电机组缺乏针对电网频率变化的有功调节，使得风电场并网后电网的稳定性下降。
1风电机组集中并网系统
风力发电系统分为两种类型，分别是独立运行供电系统和风电机组集中并网系统。这里主要针对风电机组集中并网展开研究，分析风电机组集中并网构造，并对风电机组可控措施进行探讨。风电机组集中并网主要是由供电网共同连接在一起，通过并网结合，风电机组就相当于一个移动电源，能够及时通过发电补充某一电网的电量，风电机组出力对风电系统电网损耗及潮流都会产生影响。风能资源自身的不稳定性，导致风电机组运行承受较大压力，加大风电机组出力力度；同时，风力介入机组设备时，线路功率及电网节点电压波动幅度较大，当风电机组容量较大时，就要考虑基本的系统节点电压变化情况，根据实际要求进行潮流计算。
2风力发电运行的特点
随着大型风电场接入电网实际运行，并入电网的风电容量急剧增加，大型风电场已然成为电力系统电源的重要组成部分。风力发电与常规能源发电有所不同，现代大型风电场发电具有以下几方面特点：（1）无污染，可再生，投产快，运行管理自动化程度高；（2）大型风电场多建于风能充足的“三北”地区，远离沿海负荷中心，具有大规模、集中化及远距离的特点；（3）风电出力无规律且大小变化快，具有很强的随机性与间歇性，波动幅度大，波动频率无规律，部分时段与电网负荷呈现明显的反调节特性；（4）异步风力发电机组的大量使用，会导致实际运行过程中风电机组发出的有功功率大量吸收电网的无功功率，造成机端电压波动大；（5）风电功率的调节能力较差，若不采用弃风运行方式，只能进行有限的功率调节，而由于机组的运行特性和风能的不确定性，风力发电不具备常规火电机组的功率调节能力。
3风电机组的发展
针对中国中南部地区处于低风速区的实际情况，我国风电企业通过技术创新，研发出低风速风电机组产品及解决方案，最为明显的特征是风轮叶片更长、塔架更高，捕获的风能资源更多。以 1.5 MW 风电机组为例，国内已有 10 多家风电机组制造商具备了直径 90 m 以上风轮直径机型的供应能力。低风速风电机组多为2 MW机型。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆在 2 MW 机型中，国电联合动力、广东明阳和金风科技等公司的 2 MW 低风速风电机组的风轮直径已达到 121 m；上海电气、湘电风能、东方电气和浙江运达的该机型的风电机组的风轮直径甚至达到了 126 m 或 127 m。这些低风速（或超低风速）风电机组在我国南部省份的风电场建设运行中将发挥较好的作用。重庆海装推出的 HZ120-2.0 MW 风电机组是专门为低风速区域最新研制的。该机型采用长达58.6 m 的特殊叶片，风轮直径达 120 m。远景能源推出的 EN121-2.2 MW 风电机组是专门为超低风速区域最新研制的。该机型采用的风轮直径达 120 m，轮毂高度标配为 100 m，最高可达 140 m。截至 2017 年 3 月底，远景能源EN121-2.2 MW 机组已并网 116 台。针对我国市场，维斯塔斯公司推出风轮直径分别为 116 m 和 120 m 的 V116-2.0 MW 和 V120-2.0 MW 双馈式机型。这两种机型能在低风速和超低风速条件下产生更高的发电量，显示了维斯塔斯在风电业界领先的度电成本优势。与 V110-2.0 MW 风电机组相比，适应低风速的 V116-2.0MW 风电机组扫风面积增加 11%，发电量提升4%；适应超低风速的 V120-2.0 MW 风电机组扫风面积增加 19%，发电量提升 7%。此外，我国低风速风电机组的轮毂高度不断增加，2 MW 低风速风电机组的轮毂高度已增加到 95 m 或 100 m。
4风电机组集中并网在地区电网中的运行改善
4.1含风电场和同步电机的两机无穷大系统
当风机接入送电侧，随着风电机组接入容量的增加，同步系统在三相短路故障下的临界切除时间减小，不利于大扰动下的同步系统的暂态稳定性；当风机接于送电侧，将 2 机无穷大系统中风机逐渐减少，减少量用同容量的同步机替代，随着风机接入比例的减少，系统在三相短路故障下的切除时间减小，说明风电场相比较同容量的同步机有利于系统的暂态稳定性。当接入的风电机组远离同步机组至受电侧，同步机在三相短路故障下临界切除时间增加；通过对三相短路故障下的临界切除时间的比较得出含定速异步风电机组的同步系统暂态稳定性小于含双馈感应风电机组的同步系统暂态稳定性。
4.2将单台定速异步风机接入无穷大系统
在机械扰动和电网侧故障情况下对风机进行稳定性分析；并在 Matlab/simulink平台上对含定速异步风机的单机无穷大系统和含双馈感应风机
4.3建立定速异步风机和双馈感应风电机组的数学模型
建立了定速异步风机和双馈感应风电机组的数学模型，并将定速异步风机和双馈感应风机分别接入无穷大系统，给出了基于定速异步风机的单机无穷大系统模型和基于双馈感应电机的单机无穷大系统模型；在稳态运行点附近将数学模型线性化，利用特征值分析方法，分别计算出FSIG-OMIB系统和DFIG-OMIB系统的特征值，并对FSIG-OMIB系统和DFIG-OMIB系统进行小干扰稳定性分析，得到了FSIG-OMIB系统和DFIG-OMIB系统的振荡模态和阻尼特性。
结语
现代经济发展对资源需求量不断增大，可再生资源开发迫在眉睫。风电机组能够降低地区电网运行负荷，减少自然能源消耗，同时也对电网安全性产生积极作用。风能作为世界第三大可再生资源，若要提高其利用效率，就要重视风电机组电网建设，提高风电机组集中并网稳定性，改善电网本身的不稳定性、间歇性等，充分发挥其在地区电网中的重要角色。
参考文献：
[1]李自明，姚秀萍，王海云，等.不同风电机组并网对电力系统暂态电压稳定性的影响[J].电力科学与技术学报，2016，31（2）：16-21.
[2]贺益康，胡家兵.双馈异步风力发电机并网运行中的几个热点问题[J].中国电机工程学报，2012，32（27）：1-15.
论文作者:段乐伟
论文发表刊物:《电力设备》2018年第29期
论文发表时间:2019/3/27
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