DQZHAN技術(shù)訊：分散式風(fēng)電并網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究
摘要：本文介紹了國(guó)內(nèi)外分散式風(fēng)電的發(fā)展現(xiàn)狀，從政府政策和分散式風(fēng)電本身優(yōu)劣兩方面分析了原因。針對(duì)分散式風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)于配電網(wǎng)的影響和分散式風(fēng)電運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了綜述，列舉了目前的各項(xiàng)研究成果，并對(duì)未來(lái)發(fā)展進(jìn)行展望。
0 引言
隨著經(jīng)濟(jì)增速放緩，社會(huì)用電量減少，風(fēng)電消納問(wèn)題日益突出，目前我國(guó)的集中風(fēng)電發(fā)展受到很大限制。
相較于集中式風(fēng)電，分散式風(fēng)電有諸多優(yōu)點(diǎn)。在化石能源和水資源較為貧瘠的地區(qū)，可利用分散式風(fēng)電補(bǔ)償負(fù)荷突然增長(zhǎng)，免去擴(kuò)容輸配電設(shè)備所產(chǎn)生的費(fèi)用;在負(fù)荷集中的周邊地區(qū)修建分散式風(fēng)電場(chǎng)，可減小用電壓力，推遲電網(wǎng)的擴(kuò)建，增加政策制定的彈性并緩解資金壓力。
分散式風(fēng)電布局靈活，可以布置在需要提高電能質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)末端，同時(shí)達(dá)到提高電能質(zhì)量的目的。另外，分散式風(fēng)電還可參與調(diào)峰調(diào)頻等輔助服務(wù)，拓展風(fēng)電的利用場(chǎng)景。
國(guó)內(nèi)的分散式風(fēng)電發(fā)展仍處于起步階段，借鑒全球發(fā)展經(jīng)驗(yàn)、集中攻關(guān)并網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)和積極推廣實(shí)踐，是目前階段的主要任務(wù)。
1 國(guó)內(nèi)外分散式風(fēng)電的發(fā)展現(xiàn)狀分析
1.1國(guó)內(nèi)外分散式風(fēng)電的定義
我國(guó)的分散式風(fēng)電接入項(xiàng)目是指距離負(fù)荷較近[1]，不經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離輸送，所發(fā)電力直接接入周邊電網(wǎng)就地消納的風(fēng)電項(xiàng)目。
分散式風(fēng)電與分布式風(fēng)電的發(fā)展模式略有不同。前者的發(fā)展模式為同一監(jiān)控、當(dāng)?shù)叵{，主要目的在于解決區(qū)域負(fù)荷增長(zhǎng);后者發(fā)電的風(fēng)電裝機(jī)容量小、電壓等級(jí)低、所發(fā)電量自發(fā)自用，剩余電量才接入電網(wǎng)，主要目的在于解決用戶本身的負(fù)荷要求。
國(guó)際上沒有明確定義分散式風(fēng)電。雖然強(qiáng)調(diào)風(fēng)電的分散接入，但是沒有對(duì)風(fēng)電的容量進(jìn)行限定[2]?？偟膩?lái)說(shuō)，提倡在電壓水平相對(duì)不高的電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)接入，以提高利用效益。在決定適合接入的電壓等級(jí)前，需綜合考慮當(dāng)?shù)氐囊延胸?fù)荷情況和中長(zhǎng)期范圍內(nèi)將興建的電源規(guī)劃，此外，還要考慮當(dāng)?shù)氐馁Y源，探索風(fēng)電場(chǎng)適宜的開發(fā)規(guī)模。
丹麥、德國(guó)等可再生能源比例較高的國(guó)家，存在直接接入低電壓等級(jí)電網(wǎng)的風(fēng)電[3]，這些風(fēng)電規(guī)模不大，且不經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)距離傳送，與國(guó)內(nèi)對(duì)分散式風(fēng)電的定義十分相近。而西班牙、美國(guó)等風(fēng)能開發(fā)方式，則接近我國(guó)此前的集中開發(fā)方式。因?yàn)榇嬖陲L(fēng)電資源分布與大型負(fù)荷不匹配的問(wèn)題，所以采用集中興建大型風(fēng)電場(chǎng)，再利用輸電網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一外送到電量需求大的地方。
1.2國(guó)內(nèi)分散式風(fēng)電的發(fā)展
我國(guó)的分散式發(fā)電發(fā)展時(shí)日尚短。國(guó)家能源局在2012年3月公布的**批風(fēng)電項(xiàng)目核準(zhǔn)計(jì)劃中，“分散式”三字才被明確提及，預(yù)計(jì)裝機(jī)容量為837MW。分散式風(fēng)電的發(fā)展也存在地域性的差別，西北地區(qū)發(fā)展得*為迅速[3]，風(fēng)電裝機(jī)容量占到總體的53.8%，發(fā)電量占到48.3%，華東地區(qū)次之，分別是34.4%和39.6%。較早啟動(dòng)的華能定邊狼爾溝分散式示范風(fēng)電場(chǎng)于2012年正式運(yùn)行，新疆哈密雅滿蘇風(fēng)電場(chǎng)也于2013年投入運(yùn)行。但總體而言，真正投入運(yùn)營(yíng)的分散式風(fēng)電場(chǎng)仍為少數(shù)。
我國(guó)分散式風(fēng)電的發(fā)展速度并不快，主要原因有：(1)分散式風(fēng)電主要利用低風(fēng)速資源[4]。高風(fēng)速和低風(fēng)速資源需要的風(fēng)電機(jī)組不完全一致，為了建立分散式風(fēng)電場(chǎng)，需要更新已有的風(fēng)電設(shè)備。一方面需要投資方投入額外資金，另一方面也需要市場(chǎng)容量足夠大才能驅(qū)動(dòng)上下游產(chǎn)業(yè)做出技術(shù)革新;(2)分散式風(fēng)電發(fā)展時(shí)間短，諸多產(chǎn)業(yè)規(guī)范、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)還未完善，且分散式風(fēng)電設(shè)備與分布式光伏相比，體積較大、安裝麻煩，從而在征地、安裝、環(huán)評(píng)方面的程序都較為復(fù)雜;(3)2014年后，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，社會(huì)電力需求增速放緩，某些地域甚至停滯，電網(wǎng)對(duì)可再生能源的消納能力大幅減弱。且目前風(fēng)電機(jī)組輔助設(shè)備應(yīng)用水平較低，參與調(diào)峰調(diào)頻能力弱，無(wú)法撼動(dòng)傳統(tǒng)能源發(fā)電場(chǎng)在電力系統(tǒng)中的地位。
隨著國(guó)家政策的進(jìn)一步推動(dòng)，分散式風(fēng)電即將開始新一輪快速增長(zhǎng)。2016年國(guó)家頒布的“十三五”規(guī)劃綱要明確指出，要加速我國(guó)分散式風(fēng)電的發(fā)展。尤其是在經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)、負(fù)荷水平較高的中東部和南方地區(qū)。這些地區(qū)的省份多為用電大省[5]，而風(fēng)力條件卻不如西部和北部省份。
因此，高效靈活的分散式風(fēng)電更有助于滿足負(fù)荷需求和電源質(zhì)量要求。
1.3國(guó)外分散式風(fēng)電的發(fā)展
美國(guó)和一些歐洲國(guó)家為了推進(jìn)分散式風(fēng)電的建設(shè)，出臺(tái)了一系列政策[6-10]，包括可再生能源配額制、財(cái)政補(bǔ)貼和稅收優(yōu)惠政策、雙向義務(wù)機(jī)制等，得到了不錯(cuò)的結(jié)果。
美國(guó)的風(fēng)電裝機(jī)容量位列全球**，風(fēng)電在美國(guó)的兩個(gè)州達(dá)到了占比25%的電力供應(yīng)，九個(gè)州達(dá)到12%以上。雖然風(fēng)電發(fā)展依然受制于生產(chǎn)稅額抵免政策，但近來(lái)美國(guó)商業(yè)公司大舉投資可再生能源，或?qū)⒓铀亠L(fēng)電進(jìn)入平價(jià)上網(wǎng)的趨勢(shì)。
德國(guó)陸地風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)規(guī)模較小，大部分直接接入6～36kV或110kV的配電網(wǎng)，以就地消納為主。但隨著裝機(jī)容量的不斷擴(kuò)大，德國(guó)也將考慮將風(fēng)電并入輸電網(wǎng)。
丹麥電網(wǎng)與挪威、瑞典、德國(guó)電網(wǎng)相連，組成北歐電網(wǎng)[3]。丹麥的配電網(wǎng)為100kV以下電網(wǎng)。丹麥風(fēng)電較早開始大規(guī)模發(fā)展，受時(shí)代限制，風(fēng)電機(jī)組的規(guī)模不大，因此丹麥風(fēng)電機(jī)組主要接入電壓等級(jí)為20kV及以下的配電網(wǎng)。另外還有小部分接入30～60kV的電網(wǎng)。目前，前者占到丹麥總風(fēng)電裝機(jī)容量的86.7%，后者則為3.1%[6]。
2 分散式風(fēng)電機(jī)組接入對(duì)配網(wǎng)的影響
分散式風(fēng)電的滲透率不斷增長(zhǎng)會(huì)對(duì)配電網(wǎng)的特性產(chǎn)生很大影響。如正常運(yùn)行時(shí)風(fēng)速的隨機(jī)波動(dòng)性引起輸出功率的變化給電網(wǎng)帶來(lái)波動(dòng)與閃變、風(fēng)速低于切出風(fēng)速時(shí)風(fēng)機(jī)從額定運(yùn)行狀態(tài)退出[11]、短路電流水平增大引起的電壓暫降特征的改變等。雖然分散式風(fēng)電并網(wǎng)產(chǎn)生了一些負(fù)面影響，但同時(shí)也有積極的一面。當(dāng)電網(wǎng)中關(guān)聯(lián)負(fù)載較大時(shí)，它能及時(shí)提供電能，緩解傳輸線路上的輸電壓力，從而降低電網(wǎng)出現(xiàn)故障的可能性。風(fēng)電機(jī)組還能提供一定的無(wú)功支撐，增強(qiáng)母線節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定電壓的能力。
2.1電壓波動(dòng)
分散式風(fēng)電接入電網(wǎng)的位置選取具有較大的靈活性，能使電網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生很大改變。分散式接入使得電網(wǎng)功率流動(dòng)不再簡(jiǎn)單從電源流出，分層流向各級(jí)負(fù)荷。而是在電量的任何輸送環(huán)節(jié)上都可能存在電源，因此功率流動(dòng)方向不再單一。電網(wǎng)潮流改變，必然會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電壓和相角的變化。此外，風(fēng)電自身還具有隨機(jī)性、波動(dòng)性等特點(diǎn)，風(fēng)機(jī)出力的不斷變化，也會(huì)給電壓調(diào)整造成難度，不利于電壓穩(wěn)定。
文獻(xiàn)[2]指出接入風(fēng)電后，由于饋線上的傳輸功率減小以及風(fēng)電輸出的無(wú)功支持，使得沿饋線的各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)處的電壓被抬高。風(fēng)電接入配電網(wǎng)后，若風(fēng)電的變化與當(dāng)?shù)刎?fù)荷變化趨勢(shì)相同，此時(shí)風(fēng)電將起到抑制系統(tǒng)電壓波動(dòng)的作用;當(dāng)風(fēng)電不與當(dāng)?shù)氐呢?fù)荷協(xié)凋運(yùn)行時(shí)，風(fēng)電將增大系統(tǒng)電壓的波動(dòng)。
文獻(xiàn)[12-16]研究了變速風(fēng)電機(jī)組接入電網(wǎng)對(duì)電壓穩(wěn)定所產(chǎn)生的影響，可采用多種不同的電壓穩(wěn)定性指標(biāo)來(lái)進(jìn)行判斷。文獻(xiàn)[12]運(yùn)用基于負(fù)荷波動(dòng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定指標(biāo)衡量系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定程度。文獻(xiàn)[13]則是根據(jù)測(cè)量到的實(shí)時(shí)電壓變化來(lái)判斷電網(wǎng)電壓波動(dòng)程度。文獻(xiàn)[14]通過(guò)系統(tǒng)固有電壓電流特性快速判別節(jié)點(diǎn)電壓，從而得出節(jié)點(diǎn)電壓波動(dòng)程度。文獻(xiàn)[15-16]則從短路容量角度對(duì)電壓的穩(wěn)定裕度做出判斷。
文獻(xiàn)[17-18]研究了風(fēng)電并網(wǎng)如何影響電壓波動(dòng)。節(jié)點(diǎn)電壓偏差由兩方面共同作用，一方面是系統(tǒng)運(yùn)行水平和負(fù)荷大小，另一方面則取決于風(fēng)力出力的大小。文獻(xiàn)[17]仿真發(fā)現(xiàn)，接入節(jié)點(diǎn)的短路比和線路抗阻比直接影響電網(wǎng)電壓波動(dòng)情況，節(jié)點(diǎn)電壓高低與風(fēng)電出力相關(guān)。文獻(xiàn)[18]還對(duì)電壓閃變值和網(wǎng)絡(luò)阻抗角之間的關(guān)系做了進(jìn)一步研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，阻抗角和電壓閃變值并非呈現(xiàn)完全負(fù)相關(guān)，而是存在拐點(diǎn)。越過(guò)此拐點(diǎn)后，電壓閃變值隨阻抗角增大而增大。
文獻(xiàn)[19]制定了風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)的配電網(wǎng)電壓波動(dòng)分析及多目標(biāo)抑制策略。分析了風(fēng)電機(jī)組恒功率因數(shù)、恒電壓和恒無(wú)功功率三種控制方式對(duì)電壓波動(dòng)抑制的影響和風(fēng)參數(shù)、電網(wǎng)參數(shù)對(duì)電壓波動(dòng)的影響規(guī)律。然后提出依靠風(fēng)電機(jī)組的多目標(biāo)電壓波動(dòng)抑制策略，在現(xiàn)有控制方式基礎(chǔ)上，添加輔助的電壓波動(dòng)抑制環(huán)節(jié)，并通過(guò)迅速操控并網(wǎng)點(diǎn)與電網(wǎng)之間的無(wú)功交換功率，達(dá)到減小電壓波動(dòng)。該抑制策略不需要增加額外設(shè)備，通過(guò)輔助閃變控制來(lái)動(dòng)態(tài)控制風(fēng)電機(jī)組無(wú)功功率抵消因有功功率波動(dòng)產(chǎn)生的電壓波動(dòng)，但是其抑制效果會(huì)受到風(fēng)機(jī)無(wú)功容量的限制。
文獻(xiàn)[20]以湖南省某110kV地區(qū)電網(wǎng)為例，研究風(fēng)電波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)無(wú)功電壓特性的影響。對(duì)比仿真了雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的恒功率控制和恒電壓控制兩種情況。前者控制策略下，風(fēng)電機(jī)組只輸出有功，不輸出無(wú)功。電網(wǎng)電壓由系統(tǒng)中原有設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)決定。后者則通過(guò)風(fēng)機(jī)的無(wú)功備用，將風(fēng)電機(jī)組的機(jī)端電壓保持在常數(shù)，有助于整個(gè)系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定。
2.2諧波
目前市場(chǎng)上的風(fēng)電機(jī)組的主流機(jī)型為變速機(jī)組，而變速機(jī)組并網(wǎng)需要通過(guò)電力電子轉(zhuǎn)換器。隨著分散式風(fēng)電大量并網(wǎng)，這些電子設(shè)備的影響也不容忽視。例如，電子設(shè)備在開斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生諧波，這些諧波同樣被注入到電網(wǎng)中，使得電網(wǎng)的電壓產(chǎn)生畸變。
文獻(xiàn)[17]發(fā)現(xiàn)分散式風(fēng)電并網(wǎng)會(huì)擴(kuò)大諧波頻率范圍。分散式風(fēng)電接入使電網(wǎng)引入附加電容，既增添了新的共振頻率，也將主諧振頻率移到了低頻段。風(fēng)機(jī)的電力電子變換器的基礎(chǔ)是開關(guān)元件，這些變換器的發(fā)射頻率主要為開關(guān)頻率及其整數(shù)倍。
當(dāng)諧波頻率高于2.5kHz時(shí)，諧波幅值的測(cè)量會(huì)有明顯的誤差，并且在高頻段出現(xiàn)測(cè)量值低于實(shí)際值，是以需要對(duì)2kHz以上的高次諧波測(cè)量精度特點(diǎn)進(jìn)一步分析。另外，這些電力電子裝置還將帶來(lái)非特征次諧波，這些特殊的諧波可能被放大，以致超過(guò)臨界值。
文獻(xiàn)[18]分析了風(fēng)電并網(wǎng)產(chǎn)生諧波的成因。定速風(fēng)電機(jī)組投入時(shí)會(huì)產(chǎn)生諧波，但這一過(guò)程十分短暫，通?？刹挥?jì)入考慮范圍。由于運(yùn)行無(wú)需電子轉(zhuǎn)換器，基于同步機(jī)的定速風(fēng)電機(jī)組在工作狀態(tài)不會(huì)產(chǎn)生諧波。變速風(fēng)電機(jī)組則不同，它的有功無(wú)功出力都必須經(jīng)過(guò)電力電子設(shè)備的轉(zhuǎn)換，才能注入電網(wǎng)，這些電子變換器給系統(tǒng)帶來(lái)了大量的諧波干擾。
2.3繼電保護(hù)
分散式風(fēng)電機(jī)組的接入對(duì)于配電網(wǎng)的繼電是一個(gè)新的挑戰(zhàn)。風(fēng)電接入的位置和容量不同，系統(tǒng)潮流的變化也千差萬(wàn)別，原有繼電保護(hù)方案常常不再適用。
文獻(xiàn)[2]計(jì)算了分散式風(fēng)電接入電網(wǎng)后接入點(diǎn)上下游所流經(jīng)的故障電流變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)下游流經(jīng)保護(hù)的故障電流增大，而上游減小，證明了該線路繼電保護(hù)所要求的靈敏度發(fā)生了差異性變化。另外還存在風(fēng)電接入后故障電流反向。若保護(hù)裝置未加裝方向元件，保護(hù)動(dòng)作就會(huì)失去選擇性。文獻(xiàn)[21]的仿真分析表明，當(dāng)上游繼電裝置加裝方向元件后，可完全消除風(fēng)機(jī)接入的影響。
文獻(xiàn)[22]對(duì)分散式風(fēng)電接入配電網(wǎng)后，短路故障產(chǎn)生時(shí)的情況做了定量分析。建立了一個(gè)分散式風(fēng)電接入電網(wǎng)的簡(jiǎn)化模型，通過(guò)計(jì)算不同線路發(fā)生短路故障時(shí)，分散式風(fēng)電造成的影響，提出了相關(guān)繼電保護(hù)參數(shù)的整定建議。當(dāng)風(fēng)電接入容量較大，致使故障發(fā)生時(shí)，保護(hù)裝置誤動(dòng)或拒動(dòng)，就必須更換繼電器的閾值。
2.4無(wú)功支撐與電網(wǎng)規(guī)劃
文獻(xiàn)[21]研究了永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的模型及其相應(yīng)控制策略，發(fā)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的變流器使得機(jī)組有功無(wú)功解耦;對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行建模并將其接入配網(wǎng)仿真分析，結(jié)果表明，電網(wǎng)電壓大幅下降時(shí)，風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行所受到的影響小，反而能向外輸送無(wú)功，幫助系統(tǒng)重新恢復(fù)穩(wěn)定。
文獻(xiàn)[22]指出了分散式風(fēng)電并網(wǎng)增大了地區(qū)負(fù)荷預(yù)測(cè)和地區(qū)電網(wǎng)規(guī)劃的難度，因?yàn)樗坏邆潆S機(jī)性等特點(diǎn)，還極大改變了電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
