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风电场并入电网的调控理论研究

王成福  
【摘要】:作为技术成熟度最高、商业化应用最广泛的可再生能源发电形式,风力发电已然成为替代化石燃料的最主要发电形式,对降低碳排放、改善当前能源结构起着举足轻重的作用。但风能的随机波动特性使得风力发电及其接入电网的调度与控制面临严峻挑战,直接影响风电的规模化发展乃至电网的安全、经济运行。由此,如何实现风电的有效调控,保证风电与接入电网间的协调发展,已成为该领域的研究热点与焦点。 当前,风力发电与接入电网间在无功电压调节与有功调度方面存在难以协调调控的问题,原因在于随机波动的风电功率无法实现类似于传统电源的主动性调控。对此,如何准确把握风功率波动规律,深刻理解风电机组的功率特性,合理制定风电与接入电网间的协调调控策略,实现或部分实现风力发电系统的主动性调控,进而在保证安全性前提下,充分体现风电运行的经济性,对于当前及未来风电发展具有明显的理论意义与实际价值。 在此背景下,本文以把握并适应风功率波动对风电系统及接入电网的影响为线索,以实现或部分实现风力发电系统的主动性调控为核心,开展包括风力发电及与并网系统间的无功调节与有功调度方面的优化与调控方法研究。其主要工作可概括如下: (1)依据风功率估算数据对风电场输出功率分布特性进行统计规律分析,在充分计及DFIG无功调节能力波动特性、风功率的时间与空间分布特性前提下,以无功补偿的投资成本与运行成本最小化为目标,以折中思想为指导,构建无功补偿容量优化计算模型。该研究可保证风电功率包含的个性与规律性信息于规划决策中得到充分体现,继而以最小代价实现双馈型风电场连续、无缝的无功电压调节,为风电场参与接入系统无功电压调节奠定基础。同时,优化补偿亦可有效提高风电场无功补偿决策的针对性及风电系统无功电压调节的经济性与主动性。 (2)在DFIG功率特性分析基础上,针对DFIG无功调节范围随有功输出变化而变化,且当有功出力处于或接近额定状态时需要吸收无功功率维持运行的特性,引入STATCOM作为风电系统无功补偿单元,并提出综合考虑风电场、补偿单元及接入系统三者间关系的风电系统无功功率协调控制策略。该控制策略可在稳态运行条件下,有效抑制风电系统的无功功率波动、稳定无功调节能力,扩大风电场无功调节范围、解决前述状态下机组吸收感性无功的不足,进而提高风电系统及其并网点电压水平,保证风电场有功功率输出。 (3)针对DFIG机组低电压穿越能力不足问题,提出可充分利用STATCOM无功电压调节特性,并有效协调风电场、补偿单元及接入系统三者间无功需求关系的故障时刻风电系统无功电压实时协调控制策略。该控制策略可在故障中协调补偿单元与风电场的无功输出,以支撑电压水平,协助提高风电场及接入系统的故障穿越能力。综合正常与故障状态下的协调控制策略,初步构建了风力发电的无功功率实时协调控制系统。该系统以灵活的运行方式、快速的无功响应,实现了正常与故障状态下风电系统无功电压主动性调节能力的有效提升。 (4)风功率预测误差对调度、控制等决策行为的影响随风电规模增大而增大,为此,本文在准确把握风功率变化规律基础上,依据可信度水平高低对预测功率进行分级处理,将其区分为基荷、次级及高频出力三个分量,进而以所得分级结果指导电网决策,以此达到降低预测误差影响决策的目的。该分级处理可与电网调度、负荷预测中的不同时间级相对应,从而为调度、控制提供决策依据,降低决策中因预测误差引起的风险,减少因风电增加引起的备用容量增加部分,实现电网决策中经济性与风险性的平衡。 (5)基于对风电预测功率的分级处理,建立考虑基荷出力、次级出力的机组组合优化与旋转备用容量计算模型,提出区域电网内的风功率协调调度与控制策略。该研究可依据各级别出力特性将其分别应用于日前调度、预调度及在线调度时间级,以降低日前决策中因功率预测误差而引起的风险。同时,引入超短期功率预测,在预调度、在线调度环节重新评估高频出力,并依其校正预调度、在线调度周期下的风功率协调调控策略,利用超短期预测的高精度进一步降低决策风险。通过不同出力级别与时间级别间的协调,实现风功率调控中主动性与经济性的提升。


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