②諧波污染

風電給系統(tǒng)帶來諧波的途徑主要有兩種。一種是風機本身配備的電力電子裝置, 可能帶來諧波問題。對于直接和電網(wǎng)相連的恒速風機, 軟啟動階段要通過電力電子裝置與電網(wǎng)相連, 因此會產生一定的諧波, 不過因為過程很短, 發(fā)生的次數(shù)也不多,通?？梢院雎浴５菍τ谧兯亠L機則不然, 因為變速風機通過整流和逆變裝置接入系統(tǒng), 如果電力電子裝置的切換頻率恰好在產生諧波的范圍內, 則會產生很嚴重的諧波問題, 不過隨著電力電子器件的不斷改進, 這個問題也在逐步得到解決。另一種是風機的并聯(lián)補償電容器可能和線路電抗發(fā)生諧振, 在實際運行中, 曾經(jīng)觀測到在風電場出口變壓器的低壓側產生大量諧波的現(xiàn)象。與閃變問題相比, 風電并網(wǎng)帶來的諧波問題不是很嚴重, 相關的研究文獻也不多。

(3)穩(wěn)定性

①無功和電壓問題

大規(guī)模風電場接入電力系統(tǒng)時風電場對無功功率的消耗是導致電網(wǎng)產生電壓問題的主要原因。如果電網(wǎng)不能滿足風電場的無功需求，就會產生電壓問題，這也是限制風電場容量繼續(xù)增長的一個重要因素。

風電場所采用的風機類型不同對于電壓穩(wěn)定性的影響有很大的區(qū)別。其中對電網(wǎng)電壓最為不利的是采用基于普通異步機的恒速風電機組。這類機組不具有電壓控制能力，穩(wěn)態(tài)運行消耗大量無功功率，在系統(tǒng)發(fā)生故障后的電壓恢復期間消耗的無功功率更大，導致地區(qū)電網(wǎng)出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)電壓穩(wěn)定性問題。

對風電來講，長期電壓穩(wěn)定非常重要，因為一般風電接入弱系統(tǒng)，并且風電場需要大量無功功率。風電場無功電壓特性可以用P-V曲線和Q-V曲線進行分析。一般在風電場安裝可分組投切的電容器或電抗器來調節(jié)風電場的無功功率，提高電壓穩(wěn)定性。在風電比較集中的地區(qū)，為了提高風電場電壓穩(wěn)定性，可以考慮安裝SVC或STATCOM。

②暫態(tài)穩(wěn)定性問題

電力系統(tǒng)正常運行的必要條件是所有發(fā)電機保持同步，電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析就是分析遭受大干擾后系統(tǒng)中各發(fā)電機維持同步運行的能力。嚴格來講定速風電機組和雙饋變速風電機組本身不存在暫態(tài)穩(wěn)定性問題，但是對于有大量風電的系統(tǒng)，因為大量小慣量的風電機組代替了常規(guī)機組，系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性也發(fā)生了一些變化。有大量文獻對風電機組的模型進行了研究，表明定速風電機組對系統(tǒng)的功率震蕩有一定的阻尼作用，而變速風電機組因為變流器的作用，風電機組轉速與電網(wǎng)頻率解耦，阻尼作用被減弱了。另外，系統(tǒng)故障時，風電機組可能因為電壓越限或轉速越限導致保護動作而跳閘，這就是說，系統(tǒng)可能遭受失去大量風電功率的第二次沖擊。對此有人提到了用SVC和STATCOM來提高風電機組的低電壓穿越能力(LVRT)，防止機組跳閘，還有用槳距角調節(jié)來提高風電場的低電壓穿越能力，以及通過改變轉子回路勵磁方式來實現(xiàn)風電機組的功能。

③頻率穩(wěn)定問題

頻率穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)維持系統(tǒng)頻率于某一規(guī)定的運行極限內的能力。大量風電功率的波動增加了系統(tǒng)調頻的難度，而系統(tǒng)頻率的變化又會影響風電機組的運行狀態(tài)。各國風電接入系統(tǒng)導則都要求風電機組能夠在一定的頻率范圍內正常運行，頻率超過一定范圍后限制出力運行或延遲一定時間后退出運行，以維護系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定。愛爾蘭國家電網(wǎng)公司要求風電場通過控制輸出功率的3%~5%參與系統(tǒng)的頻率調整，其它并網(wǎng)導則也要求風電場參與系統(tǒng)的二次調頻。當系統(tǒng)頻率過高時，可以通過控制系統(tǒng)使部分風電機組停機或通過槳距角控制減少風電場的輸出功率。在正常情況下限制風電場的出力，可保證在系統(tǒng)頻率降低時調高風電場的出力，讓風電功率參與系統(tǒng)二次調頻。

(4) 發(fā)電計劃與調度

傳統(tǒng)的發(fā)電計劃基于電源的可靠性以及負荷的可預測性, 以這兩點為基礎, 發(fā)電計劃的制定和實施有了可靠的保證。但是, 如果系統(tǒng)內含有風電場, 因為風電場出力的預測水平還達不到工程實用的程度, 發(fā)電計劃的制定變得困難起來。如果把風電場看做負的負荷, 不具有可預測性;如果把它看做電源,可靠性沒有保證。

風力發(fā)電并網(wǎng)以后, 如果電力系統(tǒng)的運行方式不相應地做出調整和優(yōu)化, 系統(tǒng)的動態(tài)響應能力將不足以跟蹤風電功率的大幅度、高頻率的波動, 系統(tǒng)的電能質量和動態(tài)穩(wěn)定性將受到顯著影響, 這些因素反過來會限制系統(tǒng)準入的風電功率水平, 因此有必要對電力系統(tǒng)傳統(tǒng)的運行方式和控制手段做出適當?shù)母倪M和調整, 研究隨機的發(fā)電計劃算法和AGC算法, 以便正確考慮風電的隨機性和間歇性特性。有文獻的研究表明, 旋轉備用的容量和類型對系統(tǒng)的可靠性、安全性指標的影響都是至關重要的。燃氣輪機組和柴油機組反應速度快, 很適合作為旋轉備用機組配合風電場的運行, 但是其燃料費用昂貴, 這種方案明顯提高了系統(tǒng)正常的運行成本, 風電的價值也因此大打折扣。有人研究了較高水平的風電穿透功率對系統(tǒng)的發(fā)電計劃、經(jīng)濟調度、調頻和調峰等控制手段的影響, 討論了修改發(fā)電計劃的方法、成本及修改發(fā)電計劃可能帶來的收益。提出一種梯度穿透功率約束的概念,其實質是限制風電功率的變化率, 防止水火電機組頻繁調整出力, 增加運行及維護成本。還有文獻提出對風電并網(wǎng)以后的系統(tǒng)發(fā)電計劃進行優(yōu)化的算法,該算法基于對風速和負荷的預測。實踐表明: 對風柴混合電力系統(tǒng)的運行計劃進行優(yōu)化以后, 能夠避免頻繁啟動和調整柴油機組, 有效防止柴油機組過度疲勞, 減少了維護成本和運行成本。

(5) 容量可信度

發(fā)電容量的價值往往體現(xiàn)在負荷高峰期, 由于風電場無法保證可靠的出力, 一度被認為只能提供能源, 不能提供有效的發(fā)電容量。風電的容量可信度有兩種評價方法: 一種是計算含風電系統(tǒng)的可靠性指標, 在保證系統(tǒng)可靠性不變的前提下, 風電能夠替代的常規(guī)發(fā)電機組容量即為其容量可信度, 這種方法適合于系統(tǒng)的規(guī)劃階段;另一種方法是時間序列仿真, 選擇合適的時間段作為研究對象, 通過計算風電場的容量系數(shù)(風電場實際出力與理論發(fā)電量的比值)來估算容量可信度, 在負荷高峰時段, 可以認為容量系數(shù)等于容量可信度, 該方法適用于為系統(tǒng)的運行提供決策支持。要評價風電對系統(tǒng)的可靠性指標的影響, 首先要知道風電場所在地的氣象信息, 獲得風資源數(shù)據(jù);了解風機的技術參數(shù), 根據(jù)風速計算風電場出力;最后根據(jù)風電場出力與負荷的相關性, 計算供電可靠性等指標, 也可以計算節(jié)省的發(fā)電成本等。蒙特卡洛仿真技術是可靠性分析中常用的計算方法。

三:風電并網(wǎng)問題的新動態(tài)

目前變速風機將逐漸取代恒速風機, 以達到最大限度地提高風能的利用效率。而使用變速風機有幾種方案可供選擇: 采用通過電力電子裝置與電網(wǎng)相連的同步電機, 如果進一步采用多極同步電機, 甚至有可能取消風機上常用的變速齒輪箱, 減少風機的故障率;或者采用雙饋感應電機, 實現(xiàn)風機以最佳葉尖比運行, 比變槳距控制的實現(xiàn)更簡單、更經(jīng)濟。

由于電力電子元件的性能價格比不斷提高, 以IGBT為代表的新型電力電子器件的最大功率已經(jīng)達到MVA級, 開關頻率達到10kHz, 脈寬調制技術(PWM)的采用有效地抑制了電力電子器件容易帶來的諧波。如果把這些技術用于同步電機與電網(wǎng)的接口, 可以屏蔽掉風機固有的隨機特性對電網(wǎng)的影響, 提高捕獲風能的效率, 較少對槳葉和驅動軸的應力損傷, 降低空氣動力噪聲水平, 改進風機運行的靈活性。同樣, 電力電子器件性能價格比的不斷提高為雙饋電機在風電領域的應用提供了可能。普通的感應電機轉子回路是短路的, 轉子電壓為0, 雙饋電機是在感應電機的轉子回路中加入一個可控電壓源, 通過改變其電壓幅值或相角, 實現(xiàn)對風機速度和功率因數(shù)的控制。在風速變化及風機端電壓變化的情況下, 保證風機的穩(wěn)定高效運行。當然, 這種控制策略并不局限于感應電機和采用電壓源, 在同步電機上也可以實現(xiàn)這種控制, 根據(jù)控制算法的不同, 也可以采用電流源。仿真表明, 只要對風力發(fā)電機組進行適當?shù)母倪M, 它同樣可以承擔有功及無功電壓調節(jié)的任務, 在系統(tǒng)中起到常規(guī)發(fā)電機組的作用, 這也是風電發(fā)展到一定規(guī)模以后的必然要求。

四：結論

以前風電場的主要特點是采用感應發(fā)電機, 裝機規(guī)模較小, 與配電網(wǎng)直接相連, 對系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)為電能質量?，F(xiàn)在隨著電力電子技術的發(fā)展, 大量新型風力發(fā)電機組開始投入運行, 風電場裝機達到可以和常規(guī)機組相比的規(guī)模, 直接接入輸電網(wǎng), 與風電場并網(wǎng)有關的電壓及無功控制、有功調度及穩(wěn)定性的問題越來越受到人們的關注。而對于風電并網(wǎng)的很多問題還沒有好的解決方法，這些問題的解決將是風力發(fā)電未來發(fā)展的關鍵。