关于风电不确定性对电力系统影响的评述 张岩

发表时间:2019/4/9   来源:《防护工程》2018年第36期   作者:张岩
[导读] 要提高风电应用质量,就必须研究风电不确定性特征会对电力系统产生的实际影响,以提高能源利用率。

国华(通辽)风电有限公司  内蒙古通辽  028000
        摘要:风能的开发与利用是缓解电力紧张局面,减少污染的重要途径。风能本身具有不确定性的特征,在风能利用中,这一特征会给给风电应用效果造成影响。要提高风电应用质量,就必须研究风电不确定性特征会对电力系统产生的实际影响,以提高能源利用率。
        关键词:风电;不确定性;电力系统;影响
       
       
        引言:我国风能资源丰富,在各地也兴建了很多风电设备,经过多年发展,风电在区域电能供应方面发挥了重要作用。基于风电不确定性特征,特殊的环境要求等使风电利用率普遍不高,还有一些提升空间。而要提高利用率,就必须对风电不确定性会产生的影响有全面了解,针对性制定对策。
        1 风电概述
        传统的能源往往具有不可再生的特点,在能源危机的威胁下,发展可再生能源成为各国关注的问题。如今,风能、水能、太阳能等具有再生能力的清洁能源成为解决能源问题、减少传统能源污染问题的重要突破口。我国风能发电规模日益扩大,不仅是风能可以提供优质电能,与我国庞大的用电量也有很大关系,也是环境保护工作在能源方面的重要项目。风电本身具有间歇性、随机性、波动性等特点,转换、风电系统外部等也会存在不确定性,必须明晰不确定性影响,缓解不确定性给电力系统运行造成的影响,实现有效调度。
        2 风电不确定性分析
        2.1 风速的不确定性
        2.1.1 波动性、间歇性
        现实中的风速呈现出较强的波动性、阵风特点,如果在时域上进行划分,呈现出大时间范围内风速相对平均,小时间范围内脉动性风速变化的特征,频域上与低频、高频分量分别对应。无论波动还是间歇,其变化都具有明显的随机性特征,如下表所示。风电功率与风速有关,一般是风速的3次幂函数。风电功率会有较大波动性,这与脉动风速有很大关系。风电具备的间歇性特点会导致平均风速出现明显变化。
        
        2.1.2 随机性
        在不确定因素中,风速产生的影响最大,无论是平均风速还是脉动风速都具有随机性特征且十分明显,这也是风电出现不确定性特征的主要缘由。风速会受地形、高度、空气密度等影响,计算平均风速通常会使用Weibull分布概率模型,在实际工作中,对风速的预测以及运行调度等工作本质是随机数学,不过通常是估计出未来平均风速情况,不做详细研究。常用的统计方法一般难以反馈出影响风电的全部因素以及时空分布情况,所以所得数据会与实际情况存在偏差,也在一定程度上增加了不确定性。
        2.2 风电转换中存在的不确定性因素
        不只是时刻处于变化中的风速会使风电充满不确定性,风电系统以及一些相关设备如果出现故障也会导致风电转换不确定性增加。例如常见的风机故障,由于风机系统因故障难以维持正常工作状态,会明显受到风速影响出现不断切入切出问题;如果风电相关机组出现问题,也会影响正常的运行状态,导致一系列问题;风电功率检测与远程控制系统故障也是导致风电不确定性的一大因素。
        2.3 来自外部的不确定性
        不只是风电系统本身,系统外部也会影响风电系统正常工作,从而增加风电不确定性,如下表所示。在进行电网调度时,必须针对这些问题做好相应分析工作。
        
        3 对电力系统造成的影响
        3.1 对频率造成的影响
        通常我们所说的电力系统稳定性指的是在受到干扰后所具备的抵抗能力,充裕性指的是能否满足广大用户的电力需要。越是大规模的风电,就越容易受到不确定因素影响。如果是一次调频时间尺度,在不同地域,风力发电机组在功率波动上的表现没有显示出很大相关性,风电场本身的集聚效应会降低总功率波动情况。
        3.2 对暂态稳定性的影响
        对于恒速异步风电机而言,不会受到同步稳定性问题困扰。有学者根据EEAC理论进行了研究工作,以FSIG替代同步发电机,这一过程中,如果使用的风机类型、发生故障的位置以及出现故障问题的时间点等有变化电力系统暂态稳定也会受到影响。在接入高等级电压的情况下,暂态稳定性更容易受到双馈异步风电机的影响。在这种情况下,必须用变频器施加控制力才能提升系统稳定性。
        3.3 对电压产生的影响
        由于风电功率本身具备的波动性特点,可能会导致电力系统电压也随之出现波动。电压闪变值会受到风速、塔影效应以及湍流强度等影响,其离散化算法可以满足低频段准确性要求,如果因风电不确定性导致电力系统出现电压波动问题,可以使用这一方法解决。在某些情况下,会出现风机频繁脱网问题,究其原因,与电网电压稳定性、双馈异步风电机上网需求等均有关系。如果是大规模风机入网,会导致实际电网中存在的感应电机数量大大增加,进一步导致频繁电压失稳问题出现。为应对这一问题,可以安装动态无功补偿装置,能够大大减少电压失稳导致的安全问题。
        3.4 对动态特性产生的影响
        一般这方面影响和风机类型有很大关系,有学者研究发现,风速不确定性会使DFIG出现低频振荡现象。分析低频震荡原因,是由于Hopf分岔在工作状态中是按照特征值灵敏度来进行有关参数分岔值计算工作的。
        3.5 对环保工作影响
        风电能源应用在一定程度上推进了环保事业开展,有效维持了生态平衡,节约了能源资源,促进了区域经济发展。当前,世界主流发电方式依然以火电为主,我国大部分地区也要靠火电提供能源。火电污染严重,所用燃料也是不可再生资源,不利于环境保护与可持续发展。风电本身不确定性较大,接入电网后存在稳定性差、充裕性难以保证等问题,在一定程度上降低了应用价值,难以大范围推广、长期运行。基于这些特征,电力系统转变传统的发电方式依然有很长的路要走,风电降低了部分火电发电,有一定的环境效益,但要真正发挥出环保推动效果还要继续进行研究。
        4 对策分析
        4.1 着手解决风电并网调峰问题
        必须加强直调电厂低谷期调峰考核工作,完善调峰辅助服务补偿。首先是要在风电集中区域架设储能装置,如果频率超出阈值,则调整风电出力运行,还要确保风电出力可以继续运行一段时间后退出工作状态。其次是要充分利用好抽水储能调峰,这种调峰办法相对火电调峰来说速度更快,可以满足风电出力变化情况需要,不止能够有效利用风能,也避免了因风电并网、火电大幅调峰造成的经济损失。最后是要加强风能规律性观测记录工作,做好出力统计,按不同季节出力情况对火电厂进行开机方式上的调节控制,合理利用能源。
        4.2 着手解决并网电压波动难题
        一方面要在风电接入相对集中区域设置静止无功补偿器或者是其他柔性的交流输电设备,不仅能够使系统稳定性上升,还可以降低风电并网造成的电压波动。另一方面是要注意控制好地区二级电压。通常风电接入所在地由于风功率的出力变化现象会导致电压出现明显波动,同时枢纽节点位置所需无功功率补偿上也会出现明显变化。针对这些问题,可以尝试在大容量风电场接入区着手稳压,设置二级电压控制设备,以优化区域无功功率分配、电网潮流,起到稳压作用。
        4.3 做好风电场对电网影响分析
        针对不同风电场类型采用针对性方法计算涉及风电网的电力系统潮流。异步发电机组风电场,风电场、主系统可以分别迭代。风电场有众多升压变压器,相互叠加下也会对电压稳定性造成影响。如果电网出现故障,要做好风电场相应功率的控制工作,确保风电场具有足够故障穿越能力,发生故障后,仍然可以保持一段时间的并网运行状态,确保电网稳定性。
        5 结束语
        风电是可利用、也在实际应用中体现出很大价值的清洁能源。风电不确定性会影响电网稳定性,对于风电发展有很大阻碍。在能源、环境危机迫近的今天,做好风能研究工作,提供风能利用效率、发挥风电价值对于可持续发展意义重大,也是今后电能研究的重要方向之一。
        参考文献:
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