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大规模风电并网后有功调度与控制

导读: 本文首先分析风电场的建模方法和风电场有功调节特性,然后提出了大规模风电并网后系统有功调度的两层结构框架,为了解决调度计划与实际运行中较大的有功差额,建议了一种改进在线调度及AGC控制策略,以支撑大规模风电友好并网和可靠运行。

  风力发电具有间歇性、随机性、可调度性低的特点,大规模接入后对电网运行会产生较大的影响,需要合理调整运行方式和优化系统动态响应,以及时跟踪风电功率大幅度、高频率的波动。本文首先分析风电场的建模方法和风电场有功调节特性,然后提出了大规模风电并网后系统有功调度的两层结构框架,为了解决调度计划与实际运行中较大的有功差额,建议了一种改进在线调度及AGC控制策略,以支撑大规模风电友好并网和可靠运行。

  为应对全球气候变化,减少温室气体排放,可再生能源技术得到越来越多的重视,其中风力发电是目前除水电外的,最成熟、经济效益最好的一种可再生能源发电技术。随着风电技术的发展和国家政策上对可再生能源技术的重视,我国风电事业进入了一个快速发展的时期。但随着风力发电技术的推广、建设规模的扩大和风力发电产业市场化的深入,在风电设备制造、风电场运行管理、电能质量控制、风电环保问题以及风电与其它形式能源的联合使用等方面还存在一系列技术问题,如:如何降低风电成本、风力机的设计与制造、风电并网与电能质量控制、独立运行风电机组、储能设备及其与其他形式能源的联合发电等。

  我国风能资源丰富,开发潜力巨大,根据全球风能委员会最新统计数据显示,2009年新增装机1300万kW,位居世界第一,累计装机容量超过2500万kW,位居世界第三。风电已经在节约能源,缓解我国电力供应紧张的形势、降低长期发电成本、减少能源利用造成的大气污染,以及温室气体减排等方面崭露头角,并开始有所作为。

  文献[1,2]首先提出了利用潮流追踪的思想,对风电场并网后风电场潮流变化的寻踪来快速进行有功缺额(或过剩)的补偿,采用电气剖分法对大型电力网络分析存在复杂性和较大的实现难度,但对于小容量风电接入的中小型电网具有较高的参考价值;文献[3,4],考虑到风电功率预测的精度较低,提出基于模糊控制的风电场有功控制策略,将风电输出的随机性问题转化为概率问题进行考虑和分析,不适合大规模风电并网;文献[5-7]变速恒频风机通过扭矩和桨距角控制来对风机功率进行限制性输出,进行风电备用,从而改善变速恒频风机并网后出现系统惯性系数降低,频率响应较差的问题;文献[8]则风电场参与系统的调频会降低系统对于风电波动性所造成的系统频率波动,减少系统中非风电机组对风电出力波动执行有功补偿量,降低系统运行成本。

  大规模风电场大都建设在偏远地区,这部分地区电网结构相对比较薄弱,本地无法消化的电能,只能通过并网来实现风电资源利用的最大化。风电接入电网后必然对电网造成较大的影响,因此通过对风电特性的分析,模型建立,同时在有功和无功控制方面调度策略进行改进,以维持系统的稳定性,从而更好的应对风电并网后出现的各种问题。

  1 风电场建模

  风能具有波动性和随机性,因此不能像传统的能源那样,在保持一次能源相对稳定的情况下,产生电能。风能是一种能量密度低,稳定性较差的能源由于风速、风向随机变化,引起叶片攻角不断变化,导致风电机的效率和功率的波动,并使传动力矩产生振荡,影响电能质量和电网稳定性。由于风轮从空气中吸收的功率和风机发出的功率有直接关系,因此风电功率具有间歇性和随机性。研究发现,风电出力的不稳定性随着发展规模的增加而增大,但由于风电变化具有分散互补性,所以其出力并非按发展规模的比例增大。

  1.1风力发电机模型

  目前主流风力发电机分为三类:鼠笼式异步风力发电机、双馈式感应风力发电机和直驱永磁式同步风力发电机。根据风力发电技术,鼠笼式异步发电机属于恒速恒频,双馈式感应发电机和直驱永磁同步发电机属于变速恒频。不同类型的风机工作原理和数学模型不同,因此分析方法有所差异。然而到目前为止,还没有得到一种公认的风力发电机模型,并且国际工业界还没有对风力发电机模型组成和简化条件达成共识。但是部分电力系统仿真软件中提供了专用的工具箱元件库,进行风电场建模和对风电场并网影响仿真。每种类型风机的控制结构可以用图1方框图加以描述。

典型风机组控制模型方框图

  图1典型风电机组控制模型方框图

  风力机输出机械功率特性可以表示为:

  式中ρ-空气密度,kg/m3;V-风速,m/s;S-风轮机扫掠的面积,m2;Cp—风力机的风能利用系数,是尖速比λ和叶片节距角β的函数,系数Cp反映了风力机吸收风能的效率,它是一个与风速、叶轮转速和叶片节距角有关的量。

  考虑到发电机的效用系数η,发电机出力为:

  实际应用中由于风速较低时受风轮机的设计限制,而风速较高时又受到发电机的设计限制风轮机和发电机的输出特性不完全等同于上述公式。大部分风力机在一段风速范围内的输出功率是不变的。

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