【科普】淺析風電並網對電網影響


  風力發電的主要特點是隨機性與不可控性,主要隨風速變化而變化。因此,風電並網運行對主電網運行帶來諸多不利影響。分析風電場並網對電網影響是風電事業發展的關鍵技術問題,同時也是電網部門安全、經濟運行的一個新課題。

  一、風力發電機的類型

  分析風電並網的影響,首先要考慮風力發電機類型的不同。不同風電機組的工作原理、數學模型都不相同,因此分析方法也有所差異。目前國內風電機組的主要機型有3種,每種機型都有其特點。

  1.1異步風力發電機

  國內已運行風電場大部分機組是異步風電發電機。主要特點是結構簡單、運行可靠、價格便宜。這種發電機組為定速恒頻機沮,運行中轉速基本不變,風力發電機組運行在風能轉換最佳狀態下的幾率比較小,因而發電能力比新型機組低。

  同時運行中需要從電力係統中吸收無功功率。為滿足電網對風電場功率因數的要求,多采用在機端並聯補償電容器的方法,其補償策略是異步發電機配有若幹組固定容量的電容器。

  由於風速大小隨氣候環境變化,驅動發電機的風力機不可能經常在額定風速下運行,為了充分利用低風速時的風能,增加全年的發電量,近年廣泛應用雙速異步發電機。這種雙速異步發電機可以改變極對數,有大、小電機2種運行方式。

  1.2雙饋異步風力發電機

  國內還有一些風電場選用雙饋異步風力發電機,大多來源於國外,價格較貴。這種機型稱為變速恒頻發電係統,其風力機可以變速運行,運行速度能在一個較寬的範圍內調節,使風機風能利用係數Cp得到優化,獲得高的利用效率;可以實現發電機較平滑的電功率輸出;發電機本身不需要另外附加無功補償設備,可實現功率因數在一定範圍內的調節,例如功率因數從領先0.95調節到滯後0.95範圍內,因而具有調節無功功率出力的能力。

  1.3直驅式交流永磁同步發電機

  大型風力發電機組在實際運行中,齒輪箱是故障較高的部件。采用無齒輪箱結構能大大提高風電機組的可靠性,降低故障率,提高風電機組的壽命。目前國內有風電場使用了直驅式交流永磁同步發電機,運行時全部功率經A-D-A變換,接入電力係統並網運行。與其他機型比較,需考慮諧波治理問題。

  二、風電並網對主電網運行的影響

  由於風速變化是隨機性的,因此風電場的出力也是隨機的。風電本身這種特點使其容量可信度低,給電網有功、無功平衡調度帶來困難。

  在風電容量比較高的電力網中,可能會產生質量問題。例如電壓波動和閃變、頻率偏差、諧波等問題。更重要的是:係統靜態穩定、動態穩定、暫態穩定、電壓穩定都需要驗證。

  當然,相同裝機容量的風電場在不同的接入點對電網的影響也是不同的。在短路容量大的接入點對係統影響小。反之,影響就大。

  定量分析風電場對主電網運行的影響,要從穩態和動態兩方麵進行分析。穩態分析就是對含風電場的電力係統進行潮流計算。在穩態潮流分析中,風電場高壓母線不能簡單視為PQ節點或PU節點。含風電場的電力係統對平衡節點的有功、無功平衡能力提出更高要求,要分別分析含風電場電網在電網大、小運行方式下,是否滿足係統的安全穩定運行的各種約束。

  由於不同的風電機組的工作原理、數學模型都不相同,因此,對不同類型風電場的潮流計算方法也有所差異。對於異步發電機組組成的風電場。采用風電場、主係統分別迭代的方法:首先要設定風速,取值範圍為風機切入風速到切出風速之間。考慮尾流效應,利用RAHMAN模型計算出各台風機輪轂處風速。根據各台風機功率風速曲線,計算出各台發電機出力P,以及整個風電場ΣP。

  再設風電場的電壓初始設定值值Uo,在不考慮風電場內部電壓損耗的情況下,所有風機出口電壓都設為Uo,從而根據Uo、P計算出各台風機的無功功率Qi以及整個風電場的ΣQ。由於風電場己經計算出P、Q,因此可視為PQ節點,代入主係統進行潮流計算,得出風電場電壓U,將設定值Uo與計算值U進行比較,修正設定值,重新重複迭代,直至計算收斂。

  由雙饋異步發電機組成的風電場:當雙饋異步發電機恒功率因數運行時,要先根據風力機轉速控製規律計算轉差率S,再計算風電場發出或吸收的無功功率Q,然後以PQ節點形式代入主係統進行潮流計算迭代。當雙饋異步發電機恒電壓運行時,以PQ節點形式代入電力係統進行潮流計算。在某個設定風速的計算完成後,改變設定風速,進行新一輪的計算。

  從上述計算過程可以看出,穩態含風電場電力係統潮流計算的結果,實質上是一個各風速下係統的潮流計算分布情況表。其中風電場零出力、最大、最小出力等3種情況需要著重關注。

  動態過程分析,一般采用仿真的方法。要考慮異步發電機、雙饋異步發電機等不同發電機的模型以及風速、風力機、槳距調節等環節,用仿真程序PSS/E、PSCAD、Matlab/Simulink、PSASP等進行分析。分析的關鍵是各種風力發電機模型的選用。

  分析風電並網對主電網的影響,還需考慮風電場無功問題。風電場無功消耗包括:異步風力發電機消耗,雙饋異步發電機和直流永磁同步機沒有此部分;風機出口升壓變壓器,由於整個風電場升壓變數目眾多,有成百上千台,疊加起來數量不小;風電場升壓變電站主變壓器消耗等。對於由異步風力發電機組成的風電場,應考慮電壓穩定性問題。如有必要,可采用動態電壓控製設備。

  三、風電並網的經濟影響

  風電場的發電成本加上合理的利潤,構成風電的價格。2006年施行的<<可再生能源法>>中規定,電網企業必須全額收購可再生能源電量。費用高於常規能源發電平均上網電價,其電價之間的差額附加到銷售電價中分攤。

  據統計,全國己建風電場的電價水平在(0.46-1.2)元/(KWh)之間。目前,國內風電上網電價大概分為:成本利潤電價;特許權招標電價;全省統一電價等三種。與火電相比,風電上網電價較高。

  風電場出力的隨機性,可能造成如負荷跟蹤、頻率控製、備用容量、無功功率和電壓調節等電網輔助服務的成本增加,從而影響了電網企業的效益。

  四、結束語

  近年來,中國風力發電事業的高速發展有目共睹,隨著風電裝機容量的不斷增長,風電並網對主電網所帶來的技術和經濟影響越來越大,該領域的研究無論是對風電發電商,還是對電網公司都愈顯其戰略重要性。(來源:中國可再生能源學會)






風電場升壓站電氣設備的“站位”


  先扯一段題外話:喜歡看足球的朋友都知道,在足球比賽開始前,雙方教練的主要任務就是如何合理的選擇隊員來進行陣型的布置與打法的設定。正是由於賽前此類準備工作,比賽才能按照教練的思路來進行,我們也因此才能欣賞到到4-2-3-1的防守穩固、反擊犀利以及4-3-3的全攻全守、傳接華麗。

  


  倘若遵循前麵的思路來看,風電場的升壓過程莫不如一場足球比賽:由集電線路彙集電能到升壓站就像守門員開球發起,經過開關設備到主變的升壓正如中場的傳遞組織,最後經升壓的電能經架空送出標誌進球,整個過程如出一轍。前段時間小編的同事寫了一篇《風電場升壓站“閱兵”不慌張》來介紹風電場升壓站主要設備,就像球探把球員的能力信息告訴了您,那麼今天小編就獻醜推出姊妹篇來叨叨一下此類電氣設備在風電場升壓站中的布置原則,好讓您對電氣設備的“站位”有相應的掌握。

  


  1、高壓斷路器

  高壓斷路器作為高壓電路中的重要電器元件之一,具有相當完善的滅弧結構和足夠的斷流能力。在高壓斷路器不僅可以切斷或閉合高壓電路中的空載電流和負荷電流,而且當係統發生故障時通過繼電器保護裝置的作用,切斷過負荷電流和短路電流。

  一般配置於以下幾個位置:

  ◆對於主接線不同類型的接線方式,用於分合不同段或不同條母線;

  ◆進出線通過高壓斷路器與母線聯接;

  


  2、隔離開關

  隔離開關的主要作用是保證高壓電器設備裝置在檢修工作時的安全。在電氣設備檢修時,提供一個電氣間隔,並且是一個明顯可見的斷開點,用以保障維護人員的人身安全。但無滅弧能力,隻能在沒有負荷電流的情況下分、合電路。

  隔離開關一般配置於以下幾個位置:

  ◆用於倒閘操作,斷路器的兩側均應配置隔離開關,以便在斷路器檢修時隔離電源;

  ◆中性點直接接地的普通型變壓器均應通過隔離開關接地,自耦變壓器的中性點則不必裝設隔離開關;

  ◆接在母線上的避雷器和電壓互感器宜合用一組隔離開關;

  


  3、避雷器

  避雷器實際上是一種非線性極好的電阻,在高電壓下電阻很小,在低電壓下電阻很高,作用類似於穩壓二極管。目前避雷器一般為氧化鋅避雷器,主要元件為氧化鋅閥片。避雷器在電力係統中與被保護設備並聯,正常時泄漏電流很小,不影響係統運行。當係統有過電壓時(即超過正常運行電壓的高電壓),避雷器即呈現低電阻泄放能量,同時限製係統電壓的幅值,確保電氣設備的絕緣不被擊穿。

  以下幾個位置需配置避雷器:

  ◆配電裝置的每組母線上,應裝設避雷器,但進出線都裝設避雷器時除外;

  ◆三繞組變壓器低壓側的一相上宜配置一台避雷器;

  ◆直接接地係統中,變壓器中性點為分級絕緣且裝有隔離開關時應裝設避雷器;

  ◆單元連接的風力發電機出線處宜裝設一組避雷器;

  ◆35kV電纜進線段應裝設避雷器;

  


  4、電壓互感器

  電壓互感器與變壓器原理相同,都用來變換線路上的電壓。不同於變壓器變換電壓是為了傳輸電能;電壓互感器變換電壓的目的在於為測量儀表和繼電保護裝置供電,用來測量線路的電壓、功率和電能,或者用來在線路發生故障時保護線路中的貴重設備、電機和變壓器。

  一般布置以下位置:

  ◆6~220kV電壓等級的每組主母線的三相上均應裝設電壓互感器;

  ◆當需要監視和檢測線路側的電壓時,出線側的一相上應裝設電壓互感器;

  


  5、電流互感器

  同樣作為特種變壓器,工作原理與變壓器相同。作為中間元件聯絡交流電路中的一次和二次係統,傳遞信息供給測量儀表、儀器或繼電保護、控製裝置;同時使以上裝置與高電壓隔離。

  電流互感器一般應用於以下幾個位置:

  ◆凡裝有斷路器的回路均應裝設電流互感器,其數量應滿足測量儀表、保護和自動化裝置的要求;

  ◆對於直接接地係統,一般按照三相配置。對於非直接接地係統,以具體要求按兩相或三相配置;

  ◆發電機和變壓器的中性點以及出口處;

  以上便是小編對於風電場升壓站中電氣設備的“站位”的理解與認識,雖有不足之處,但也希望碼下的這些文字對您關於風電場升壓站的認識有些許幫助,果真如此,小編也就很欣慰噠!(來源:計鵬新能源)






風電機組保護離不開什麼?


  風力發電機組需具備低電壓穿越能力國網公司製訂的《風電場接入電網技術規定》中規定。當風力發電場內的風電機組在並網點(也就是風電場升壓變壓器高壓側的節點或母線)的電壓下滑到隻有額定電壓的20%時,要能具有保持繼續運行625ms且不脫網的能力;風力發電廠內的風力發電機組要在其並網點電壓出現電壓下降後的2s時間內立即上升至額定電壓的90%,且不能夠出現脫網現象。

  頻率越限的保護。這種保護主要是用來對頻率起伏較大的情況下,快速的把風機切除。電網中頻率的起伏將會對風機正常的運行造成危害,電網中的頻率高出風機限值時,越限保護會立即動作將風機切除。頻率的越限保護典型值為頻率大於等於50.5Hz或小於等級49.5Hz,延時小於等於100ms。

  電流保護。一般情況下風機會配備電流速斷保護以及過流保護來對電流實施保護。除此之外,風電機組還配備有三相電流、電壓不均衡保護,風機溫度上升、轉速上升、振動超過限製以及電纜扭絞等相關的保護。

  針對變速恒頻風機而言,變流器被大麵積的用來進行矢量的解耦控製。目前,基本上所有的風電場均采用的是雙饋型感應發電機。雙饋型風力發電機在實施並網運行的時候,定子側電壓為690V交流電,當電網發生故障時,機端電網會降低,在這種情況下定子磁鏈無法與機端電壓保持同步,為了確保定子鏈不發生改變,就要采取相關的措施來對過電壓以及過電流進行保護。

  目前雙饋型風電機組在變流器方麵的保護通常采用的是撬杠保護。撬杠保護係統所接入的參數為:直流環節過電壓、電網側變流器支路過電流、轉子過電流等。

來源:風電技術




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