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摘要 针对国内风电场常用的5种风力发电机类型，分析了风电并网对主电网运行方面的影响以及经济方面的影响。
关键词 风力发电机 并网 稳态
0 引言
据悉，我国2008年风电的装机容量已突破1000万kW，全国有投运的风电场65座，中国不久将成为最大的风力发电国家。风力发电的主要特点是随机性与不可控性，主要随风速变化而变化。因此，风电并网运行对主电网运行带来诸多不利影响。分析风电场并网对电网影响是风电事业发展的关键技术问题，同时也是电网部门安全、经济运行的一个新课题。
1 风力发电机的类型
分析风电并网的影响，首先要考虑风力发电机类型的不同。不同风电机组的工作原理、数学模型都不相同，因此分析方法也有所差异。目前国内风电机组的主要机型有3种，每种机型都有其特点。
1.1异步风力发电机
国内已运行风电场大部分机组是异步风电发电机。主要特点是结构简单、运行可靠、价格便宜。这种发电机组为定速恒频机组，运行中转速基本不变，风力发电机组运行在风能转换最佳状态下的几率比较小，因而发电能力比新型机组低。同时运行中需要从电力系统中吸收无功功率。为满足电网对风电场功率因数的要求，多采用在机端并联补偿电容器的方法，其补偿策略是异步发电机配有若干组固定容量的电容器。
由于风速大小随气候环境变化，驱动发电机的风力机不可能经常在额定风速下运行，为了充分利用低风速时的风能，增加全年的发电量，近年广泛应用双速异步发电机。这种双速异步发电机可以改变极对数，有大、小电机2种运行方式。
1.2双馈异步风力发电机
国内还有一些风电场选用双馈异步风力发电机，大多来源于国外，价格较贵。这种机型称为变速恒频发电系统，其风力机可以变速运行，运行速度能在一个较宽的范围内调节，使风机风能利用系数Cp得到优化，获得高的利用效率；可以实现发电机较平滑的电功率输出；发电机本身不需要另外附加无功补偿设备，可实现功率因数在一定范围内的调节。例如功率因数从超先0.95调节到滞后0.95范围内，因而具有调节无功功率出力的能力。
1.3直驱式交流永磁同步发电机
大型风力发电机组在实际运行中，齿轮箱是故障较高的部件。采用无齿轮箱结构能大大提高风电机组的可靠性，降低故障率，提高风电机组的寿命。目前国内有的风电场使用了直驱式交流永磁同步发电机，运行时全部功率经A-D-A变换，接入电力系统并网运行。与其他机型比较，需考虑谐波治理问题。
2 风电并网对主电网运行的影响
由于风速变化是随机性的，因此风电场的出力也是随机的。风电本身这种特点使其容量可信度低，给电网有功、无功平衡调度带来困难。
在风电容量比较高的电力网中，可能会产生质量问题。例如电压波动和闪变、频率偏差、谐波等问题“’。更重要的是：系统静态稳定、动态稳定、暂态稳定、电压稳定都需要验证。
当然，相同装机容量的风电场在不同的接入点对电网的影响也是不同的。在短路容量大的接入点对系统影响小。反之，影响就大。
定量分析风电场对主电网运行的影响，要从稳态和动态两方面进行分析。稳态分析就是对含风电场的电力系统进行潮流计算。在稳态潮流分析中，风电场高压母线不能简单视为PQ节点或PU节点。含风电场的电力系统对平衡节点的有功、无功平衡能力提出更高要求，要分别分析含风电场电网在电网大、小运行方式下，是否满足系统的安全稳定运行的各种约束。
由于不同的风电机组的工作原理、数学模型都不相同，因此，对不同类型风电场的潮流计算方法也有所差异。对于异步发电机组组成的风电场，采用风电场、主系统分别迭代的方法：首先要设定风速，取值范围为风机切入风速到切出风速之间。考虑尾流效应，利用RAHMAN模型计算出各台风机轮毂处风速。根据各台风机功率风速曲线，计算出各台发电机出力P，以及整个风电场∑P。再设风电场的电压初始设定值U0，在不考虑风电场内部电压损耗的情况下，所有风机出口电压都设为U0，从而根据U0、P计算出各台风机的无功功率Qi以及整个风电场的∑Q。由于风电场已经计算出P、Q，因此可视为PQ节点，代入主系统进行潮流计算，得出风电场电压U，将设定值U0与计算值U进行比较，修正设定值，重新重复迭代，直至计算收敛。
由双馈异步发电机组成的风电场：当双馈异步发电机恒功率因数运行时，要先根据风力机转速控制规律计算转差率S，再计算风电场发出或吸收的无功功率Q，然后以PQ节点形式代入主系统进行潮流计算迭代。当双馈异步发电机恒电压运行时，以PQ节点形式代入电力系统进行潮流计算。在某个设定风速的计算完成后，改变设定风速，进行新一轮的计算。
从上述计算过程可以看出，稳态含风电场电力系统潮流计算的结果，实质上是一个各风速下系统的潮流计算分布情况表。其中风电场零出力、最大、最小出力等3种情况需要特别关注。
动态过程分析，一般采用仿真的方法。要考虑异步发电机、双馈异步发电机等不同发电机的模型以及风速、风力机、桨距调节等环节，用仿真程序PSS／E、PSCAD、Matlab／Simulink、PSASP等进行分析。分析的关键是各种风力发电机模型的选用。
分析风电并网对主电网的影响，还需考虑风电场无功问题。风电场无功消耗包括：异步风力发电机消耗(双馈异步发电机和直流永磁同步机没有此部分)；风机出口升压变压器(由于整个风电场升压变数目众多，有成百上千台，叠加起来数量不小)；风电场升压变电站主变压器消耗等。对于由异步风力发电机组成的风电场，应考虑电压稳定性问题。如有必要，可采用动态电压控制设备。
3 风电并网的经济影响
风电场的发电成本加上合理的利润，构成风电的价格。2006年施行的《可再生能源法》中规定，电网企业必须全额收购可再生能源电量。费用高于常规能源发电平均上网电价，其电价之间的差额附加到销售电价中分摊。
据统计，全国已建风电场的电价水平在0.46～1.2元／kW·h之间。目前，国内风电上网电价大概分为：成本利润电价；特许权招标电价；全省统一电价等三种。与火电相比，风电上网电价较高。
风电场出力的随机性，可能造成如负荷跟踪、频率控制、备用容量、无功功率和电压调节等电网辅助服务的成本增加，从而影响了电网企业的效益。
4 结束语
近年来，中国风力发电事业的高速发展有目共睹随着风电装机容量的不断增长，风电并网对主电网所带来的技术和经济影响越来越大，该领域的研究无论是对风电发电商，还是对电网公司都愈显其战略重要性。
关键词 风力发电机 并网 稳态
0 引言
据悉，我国2008年风电的装机容量已突破1000万kW，全国有投运的风电场65座，中国不久将成为最大的风力发电国家。风力发电的主要特点是随机性与不可控性，主要随风速变化而变化。因此，风电并网运行对主电网运行带来诸多不利影响。分析风电场并网对电网影响是风电事业发展的关键技术问题，同时也是电网部门安全、经济运行的一个新课题。
1 风力发电机的类型
分析风电并网的影响，首先要考虑风力发电机类型的不同。不同风电机组的工作原理、数学模型都不相同，因此分析方法也有所差异。目前国内风电机组的主要机型有3种，每种机型都有其特点。
1.1异步风力发电机
国内已运行风电场大部分机组是异步风电发电机。主要特点是结构简单、运行可靠、价格便宜。这种发电机组为定速恒频机组，运行中转速基本不变，风力发电机组运行在风能转换最佳状态下的几率比较小，因而发电能力比新型机组低。同时运行中需要从电力系统中吸收无功功率。为满足电网对风电场功率因数的要求，多采用在机端并联补偿电容器的方法，其补偿策略是异步发电机配有若干组固定容量的电容器。
由于风速大小随气候环境变化，驱动发电机的风力机不可能经常在额定风速下运行，为了充分利用低风速时的风能，增加全年的发电量，近年广泛应用双速异步发电机。这种双速异步发电机可以改变极对数，有大、小电机2种运行方式。
1.2双馈异步风力发电机
国内还有一些风电场选用双馈异步风力发电机，大多来源于国外，价格较贵。这种机型称为变速恒频发电系统，其风力机可以变速运行，运行速度能在一个较宽的范围内调节，使风机风能利用系数Cp得到优化，获得高的利用效率；可以实现发电机较平滑的电功率输出；发电机本身不需要另外附加无功补偿设备，可实现功率因数在一定范围内的调节。例如功率因数从超先0.95调节到滞后0.95范围内，因而具有调节无功功率出力的能力。
1.3直驱式交流永磁同步发电机
大型风力发电机组在实际运行中，齿轮箱是故障较高的部件。采用无齿轮箱结构能大大提高风电机组的可靠性，降低故障率，提高风电机组的寿命。目前国内有的风电场使用了直驱式交流永磁同步发电机，运行时全部功率经A-D-A变换，接入电力系统并网运行。与其他机型比较，需考虑谐波治理问题。
2 风电并网对主电网运行的影响
由于风速变化是随机性的，因此风电场的出力也是随机的。风电本身这种特点使其容量可信度低，给电网有功、无功平衡调度带来困难。
在风电容量比较高的电力网中，可能会产生质量问题。例如电压波动和闪变、频率偏差、谐波等问题“’。更重要的是：系统静态稳定、动态稳定、暂态稳定、电压稳定都需要验证。
当然，相同装机容量的风电场在不同的接入点对电网的影响也是不同的。在短路容量大的接入点对系统影响小。反之，影响就大。
定量分析风电场对主电网运行的影响，要从稳态和动态两方面进行分析。稳态分析就是对含风电场的电力系统进行潮流计算。在稳态潮流分析中，风电场高压母线不能简单视为PQ节点或PU节点。含风电场的电力系统对平衡节点的有功、无功平衡能力提出更高要求，要分别分析含风电场电网在电网大、小运行方式下，是否满足系统的安全稳定运行的各种约束。
由于不同的风电机组的工作原理、数学模型都不相同，因此，对不同类型风电场的潮流计算方法也有所差异。对于异步发电机组组成的风电场，采用风电场、主系统分别迭代的方法：首先要设定风速，取值范围为风机切入风速到切出风速之间。考虑尾流效应，利用RAHMAN模型计算出各台风机轮毂处风速。根据各台风机功率风速曲线，计算出各台发电机出力P，以及整个风电场∑P。再设风电场的电压初始设定值U0，在不考虑风电场内部电压损耗的情况下，所有风机出口电压都设为U0，从而根据U0、P计算出各台风机的无功功率Qi以及整个风电场的∑Q。由于风电场已经计算出P、Q，因此可视为PQ节点，代入主系统进行潮流计算，得出风电场电压U，将设定值U0与计算值U进行比较，修正设定值，重新重复迭代，直至计算收敛。
由双馈异步发电机组成的风电场：当双馈异步发电机恒功率因数运行时，要先根据风力机转速控制规律计算转差率S，再计算风电场发出或吸收的无功功率Q，然后以PQ节点形式代入主系统进行潮流计算迭代。当双馈异步发电机恒电压运行时，以PQ节点形式代入电力系统进行潮流计算。在某个设定风速的计算完成后，改变设定风速，进行新一轮的计算。
从上述计算过程可以看出，稳态含风电场电力系统潮流计算的结果，实质上是一个各风速下系统的潮流计算分布情况表。其中风电场零出力、最大、最小出力等3种情况需要特别关注。
动态过程分析，一般采用仿真的方法。要考虑异步发电机、双馈异步发电机等不同发电机的模型以及风速、风力机、桨距调节等环节，用仿真程序PSS／E、PSCAD、Matlab／Simulink、PSASP等进行分析。分析的关键是各种风力发电机模型的选用。
分析风电并网对主电网的影响，还需考虑风电场无功问题。风电场无功消耗包括：异步风力发电机消耗(双馈异步发电机和直流永磁同步机没有此部分)；风机出口升压变压器(由于整个风电场升压变数目众多，有成百上千台，叠加起来数量不小)；风电场升压变电站主变压器消耗等。对于由异步风力发电机组成的风电场，应考虑电压稳定性问题。如有必要，可采用动态电压控制设备。
3 风电并网的经济影响
风电场的发电成本加上合理的利润，构成风电的价格。2006年施行的《可再生能源法》中规定，电网企业必须全额收购可再生能源电量。费用高于常规能源发电平均上网电价，其电价之间的差额附加到销售电价中分摊。
据统计，全国已建风电场的电价水平在0.46～1.2元／kW·h之间。目前，国内风电上网电价大概分为：成本利润电价；特许权招标电价；全省统一电价等三种。与火电相比，风电上网电价较高。
风电场出力的随机性，可能造成如负荷跟踪、频率控制、备用容量、无功功率和电压调节等电网辅助服务的成本增加，从而影响了电网企业的效益。
4 结束语
近年来，中国风力发电事业的高速发展有目共睹随着风电装机容量的不断增长，风电并网对主电网所带来的技术和经济影响越来越大，该领域的研究无论是对风电发电商，还是对电网公司都愈显其战略重要性。