摘要：风力发电的主要特点是随机性与不可控性，主要随风速变化而变化。因此，风电并网运行对主电网运行带来诸多不利影响。为此，从可靠性均衡的角度，提出一种利用虚拟机组进行源网协调规划的方法。该方法针对风电大规模接入后的电网规划，在规划电网的同时对电源规划方案进行反馈及微调，以经济性最优为目标，均衡优化源、网可靠性，确定电源及电网的可靠性优化值，从而得到与电源协调优化的电网规划方案。该方法可以有效减少电网建设投资及电力系统整体投资，并校验电源、电网规划中可靠性均衡的协调性。通过原型系统和测试系统的仿真及分析，验证了所提方法的有效性。
关键词：风力发电 电网规划 均衡优化
一、风力发电的现状
我国风力发电量仅占全国发电量的比例还不到3%，但是，已经出现较为严重的风电无法为电网所接纳的现象。如有“风电三峡”之称的内蒙古，内蒙属于供电大区，但是不属于用电大区，尤其是冬季内蒙电网的最低负荷约1230万千瓦，其中火电供热机组供电1200万千瓦，留给风电的余量负荷很少。另外，风电场选址偏远，风电入网和外送都很困难，蒙西电网目前只有两条500千伏“网对网’’东送华北的输电通道，电网的消纳问题导致出现了弃风现象。然而，我国风电场大多分布在内蒙、河北、辽宁、吉林以及东部沿海地区，其中内蒙、河北、辽宁以及吉林四省风电装机占全国总装机量的63.84%，除东部沿海风电基地外，这些大型风电基地多设在偏远地区，负荷水平较低，就地消纳风电的能力有限:而且电网结构薄弱，输配电线路电压等级低，远距离输送能力也受到限制。风电场选址受限于自然条件以及风电场出力不受控等原因，极大地制约了电网对风电的接纳。电网安全稳定运行需留有一定备用容量，但是风力机组出力不像常规机组可确定，而是随风力大小随机变化，风机出力的波动使得电网不能适应快速变化的负荷，因此风电并网对系统调峰调频容量提出了更高的要求。由于风电的不确定性以及反调峰特性，使得风电并网后系统的可靠性和稳定性受到了威胁。风电出力波动较大，需要实时调度机组出力来满足负荷和系统稳定性要求，对机组组合提出了更高的要求。但是机组的爬坡速度以及容量有限，仅通过机组组合可能维持不了负荷平衡，考虑负荷侧配合以实现系统负荷平衡成为一种可行且必要的手段。风能资源和市场分布不平衡，有风能资源的地方没有市场或市场比较小，风电场的开发规模及进度对风电并网和市场消纳等问题考虑不够，因此需要进行电网规划。且风电接入的电网发展要增加系统备用，需考虑相应的电源规划。但发电企业、电网企业和政府之间缺乏沟通，使得电源规划与电网规划相互脱节。
二、风电并网对主电网运行的影响
1、由于风速变化是随机性的，因此风电场的出力也是随机的。风电本身这种特点使其容量可信度低，给电网有功、无功平衡调度带来困难。
2、在风电容量比较高的电力网中，可能会产生质量问题。例如电压波动和闪变、频率偏差、谐波等问题。更重要的是：系统静态稳定、动态稳定、暂态稳定、电压稳定都需要验证。
3、相同装机容量的风电场在不同的接入点对电网的影响也是不同的。在短路容量大的接入点对系统影响小。反之，影响就大。
4、定量分析风电场对主电网运行的影响，要从稳态和动态两方面进行分析。稳态分析就是对含风电场的电力系统进行潮流计算。在稳态潮流分析中，风电场高压母线不能简单视为PQ节点或PU节点。含风电场的电力系统对平衡节点的有功、无功平衡能力提出更高要求，要分别分析含风电场电网在电网大、小运行方式下，是否满足系统的安全稳定运行的各种约束。
5、由于不同的风电机组的工作原理、数学模型都不相同，因此，对不同类型风电场的潮流计算方法也有所差异。对于异步发电机组组成的风电场。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆采用风电场、主系统分别迭代的方法：首先要设定风速，取值范围为风机切入风速到切出风速之间。考虑尾流效应，利用RAHMAN模型计算出各台风机轮毂处风速。根据各台风机功率风速曲线，计算出各台发电机出力P，以及整个风电场ΣP。
6、设风电场的电压初始设定值值Uo，在不考虑风电场内部电压损耗的情况下，所有风机出口电压都设为Uo，从而根据Uo、P计算出各台风机的无功功率Qi以及整个风电场的ΣQ。由于风电场己经计算出P、Q，因此可视为PQ节点，代入主系统进行潮流计算，得出风电场电压U，将设定值Uo与计算值U进行比较，修正设定值，重新重复迭代，直至计算收敛。
7、由双馈异步发电机组成的风电场：当双馈异步发电机恒功率因数运行时，要先根据风力机转速控制规律计算转差率S，再计算风电场发出或吸收的无功功率Q，然后以PQ节点形式代入主系统进行潮流计算迭代。当双馈异步发电机恒电压运行时，以PQ节点形式代入电力系统进行潮流计算。在某个设定风速的计算完成后，改变设定风速，进行新一轮的计算。
8、风电并网对主电网的影响，还需考虑风电场无功问题。风电场无功消耗包括：异步风力发电机消耗，双馈异步发电机和直流永磁同步机没有此部分；风机出口升压变压器，由于整个风电场升压变数目众多，有成百上千台，叠加起来数量不小；风电场升压变电站主变压器消耗等。对于由异步风力发电机组成的风电场，应考虑电压稳定性问题。如有必要，可采用动态电压控制设备。
从上述计算过程可以看出，稳态含风电场电力系统潮流计算的结果，实质上是一个各风速下系统的潮流计算分布情况表。其中风电场零出力、最大、最小出力等3种情况需要着重关注。
动态过程分析，一般采用仿真的方法。要考虑异步发电机、双馈异步发电机等不同发电机的模型以及风速、风力机、桨距调节等环节，用仿真程序PSS/E、PSCAD、Matlab/Simulink、PSASP等进行分析。分析的关键是各种风力发电机模型的选用。
三、电源和电网的协调发展
1、将风电场整合进电网的挑战不仅在于保证风电和电网的发展，还在于保证电力市场平衡下的灵活供给、系统操作和控制。例如，新疆电源结构中调节性能差的小火电和供热机组所占比例较大，而调节性能好的水电所占比例小。系统的调节能力将无法适应大规模的风电开发，且新疆本地的电能消纳有限，大规模的风电开发必须依靠外送。风电的随机性和间歇性使得中长距离单独输送风电的经济性很差。针对这些问题，考虑将风电和火电联合开发并打捆送出，以减小线路功率的波动，维护系统的安全稳定运行。
2、另一方面风电的上网价格较高，风电打捆后有利于降低受端的供电成本，提高风电的竞争力。相似的，提出蓄水能力的液压装置结合风电厂的wind.hydro系统，提出光伏发电系统和风电结合的互补能源系统。一般的调节机组只可正向调节，其调节范围窄，提出储能装置的建设，借助储能装置抑制风电的波动、弥补风电的间歇性，提高电网的利用率以及减少规划时的不确定因素。而且储能装置相对于常规能源机组调节的范围广，既能作为负荷也能作为电源，可实现双向调节。储能装置与风力发电系统的结合是风电大规模发展的必然趋势。且电源与电网的协调发展将提高风电的稳定性、弥补风电的不确定性，从而解决风电的穿透功率极限问题。
总结
在风电场的大规模开发过程中，对风电的并网和电能消纳问题考虑不够，风能资源和市场分布不平衡，有风资源的地方没有足够的电力需求。且风电接入的电网发展要增加系统备用，电源和电网规划很难在同一时间完成，因此电源投资者和电网公司必须建立相互协调的发展计划以考虑后续的电源发展。发电企业、电网企业间若缺乏沟通，将使得电源规划与电网规划相互脱节。
参考文献
[1]陈斌，赵国波，刘天琪，等.基于灰色机会约束规划的输电系统规划[J].电网技术，2009，33(1):22-25.
[2]曾鸣，吕春泉，邱柳青，等.风电并网时基于需求侧响应的输电规划模型[J].电网技术，2011，35(4):129-134.
[3]符杨，孟令合，胡荣，等.改进多目标蚁群算法在电网规划中的应用[J].电网技术，2009，33(18):57-62.
[4]曾鸣，田廓，薛松，等.基于混沌量子蜜蜂算法的机会约束输电规划[J].电力系统保护与控制，2010，38(22):1-7.
论文作者:胡瑞梅,张俊
论文发表刊物:《防护工程》2018年第27期
论文发表时间:2018/12/19
标签：电网论文; 风电论文; 风电场论文; 系统论文; 机组论文; 风速论文; 电源论文; 《防护工程》2018年第27期论文;