【正文】 g Synchronous Generator)兩大類。 半直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機組 半直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機組又稱混合型風(fēng)力發(fā)電機組。一般采用單級齒輪箱升速，這種結(jié)構(gòu)可以分別應(yīng)用在雙饋型與直驅(qū)型中。與直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機組相比，單級齒輪箱半直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機組具有較佳的能量成本比，同時由于發(fā)電機的特殊設(shè)計，大大減輕了發(fā)電機的體積和重量，方便安裝和運輸，具有較好的應(yīng)用前景。 目前，失速型風(fēng)力發(fā)電機組已逐步被變槳變速型風(fēng)力發(fā)電機組替代。在變槳變速型風(fēng)力發(fā)電機組中，主流機型是雙饋型風(fēng)力發(fā)電機組，其次是直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機組，半直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機組正在研制階段。并且風(fēng)電機組的主要發(fā)展方向是重量更輕，結(jié)構(gòu)更具有柔性,直接驅(qū)動和變速恒頻等。從目前的發(fā)展趨勢來看，以水平軸、上風(fēng)向、三葉片的升力型機組為主流的風(fēng)電機組 [30]。 (1)變槳距調(diào)節(jié)方式將會取代定槳距失速調(diào)節(jié)方式。變槳距調(diào)節(jié)能夠按最佳參數(shù)運行，額定風(fēng)速以下具有較高的風(fēng)能利用系數(shù)，功率曲線飽滿；額定風(fēng)速以上功率輸出穩(wěn)定，不會造成發(fā)電機超負(fù)荷；較定距失速式整機2022 級電氣工程及其自動化（電力）專業(yè)畢業(yè)設(shè)計論文35 受力狀況得到改善,而且年發(fā)電量大。 (2)變速運行方式將會取代恒速運行方式變速運行。在低風(fēng)速時能夠調(diào)節(jié)發(fā)電機反轉(zhuǎn)矩以使轉(zhuǎn)速跟隨風(fēng)速變化，從而保持最佳葉尖速比以獲得最大風(fēng)能；高風(fēng)速時能夠利用風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的變化存儲或釋放部分能量，從而提高傳動系統(tǒng)的柔性，使得功率輸出更加平穩(wěn)，以獲得最大功率。 (3)直驅(qū)式的市場份額會越來越大。直接驅(qū)動可省去齒輪箱，減少傳動鏈能量損失、減少停機時間、發(fā)電成本和噪聲，降低了維護(hù)費用，提高風(fēng)電轉(zhuǎn)換效率和可靠性。 (4)風(fēng)力發(fā)電機無刷化可提高系統(tǒng)運行的可靠性，實現(xiàn)免維護(hù)，提高發(fā)電效率。 (5)大型風(fēng)機系統(tǒng)和小型風(fēng)機系統(tǒng)并列發(fā)展。在開發(fā)大型機的同時還應(yīng)重視小型機。用于海洋作業(yè)時，景觀、噪聲等方面的問題不突出，適于采用數(shù) MW 的大型機組；當(dāng)受地形、系統(tǒng)等外部條件限制時，應(yīng)用小型機較有利。 (6)并網(wǎng)大型化與離網(wǎng)分散化互補運行。偏僻地區(qū)等電網(wǎng)較小，適用于離網(wǎng)分散型電力系統(tǒng)。表 32 風(fēng)力發(fā)電中常見發(fā)電機結(jié)構(gòu)和性能比較何優(yōu)琪：風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢研究36第 4 章 風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng) 作為對新型清潔能源的開發(fā)和利用，風(fēng)力發(fā)電近年來發(fā)展迅速，各大發(fā)電企業(yè)紛紛上馬風(fēng)電。特別是在沿海等風(fēng)能資源地區(qū)，風(fēng)力發(fā)電接入電網(wǎng)的步伐不斷加快、規(guī)模不斷增大。風(fēng)電的大量并網(wǎng)，也給電網(wǎng)的運行帶來了一定的負(fù)面影響，風(fēng)能具有隨機變化的特性，而風(fēng)力發(fā)電機組的輸出功率與風(fēng)速的立方成正比，因此風(fēng)力發(fā)電機組的輸出功率通常隨著風(fēng)速大幅快速變化。 若將大量風(fēng)電接入電網(wǎng)，將會對電網(wǎng)的電能質(zhì)量和電網(wǎng)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，電能質(zhì)量下降，調(diào)度運行復(fù)雜化。在某些情況下會成為制約風(fēng)電場裝機容量的主要因素，甚至造成非常嚴(yán)重的事故。例如 2022 年 2 月 24 日清晨西北電網(wǎng)酒泉地區(qū)一個風(fēng)電場單條饋線故障，導(dǎo)致該地區(qū) 11 個風(fēng)電場引發(fā)風(fēng)電機群發(fā)生大規(guī)模脫網(wǎng)事故。該事故是截止目前我國風(fēng)電事故中脫網(wǎng)規(guī)模最大的一次，損失出力達(dá) ，西北主網(wǎng)頻率最低至[31]。隨著大規(guī)模風(fēng)電的接入，風(fēng)電容量在系統(tǒng)中所占比例的增加，其對系統(tǒng)的影響將不能被忽視。 風(fēng)電場并網(wǎng)運行對電力系統(tǒng)電能質(zhì)量、安全穩(wěn)定帶來諸多負(fù)面的影響，2022 級電氣工程及其自動化（電力）專業(yè)畢業(yè)設(shè)計論文37 現(xiàn)如今風(fēng)力發(fā)電逐步的規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化，風(fēng)電場裝機規(guī)模不斷增大，風(fēng)電場注入功率的變化對電網(wǎng)的影響也同益顯著。為了更加充分的開發(fā)利用風(fēng)力資源，在風(fēng)電場建設(shè)之前，需要對并網(wǎng)風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)穩(wěn)定的影響做深入的研究分析，這對風(fēng)電場的規(guī)劃設(shè)計以及電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行都有著重要意義。 風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的組成 風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)由風(fēng)力發(fā)電機群組成的風(fēng)電場 A、升壓變電站 B 和輸電線路 L 組成的并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，是將風(fēng)電電力通過 PCC 節(jié)點送入電力網(wǎng)絡(luò)，再提供給用戶，如圖 41 所示。PCC 節(jié)點是風(fēng)電場與電網(wǎng)的連接點，又稱公共連接點。圖 41 風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的組成 風(fēng)電相當(dāng)于“負(fù)”負(fù)荷，具有間歇性和隨機性。風(fēng)電在電網(wǎng)中的使用受到一定的限制，同時大型風(fēng)電場并網(wǎng)增加了電網(wǎng)運行調(diào)度的難度。 風(fēng)電并網(wǎng)對電力系統(tǒng)的影響 風(fēng)電場向電網(wǎng)輸送電能時必須保證一定的電能質(zhì)量，通常電能質(zhì)量由頻率、電壓、諧波、閃變和三相不平衡度組成。并網(wǎng)型風(fēng)電場對于電網(wǎng)穩(wěn)定性的主要威脅一方面是風(fēng)速的波動性和隨機性引起風(fēng)電場出力隨時間變化且難以預(yù)測，從而導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電接入電力系統(tǒng)時存在安全隱患；另一方面是弱電網(wǎng)中風(fēng)電注入功率過高引起的電壓穩(wěn)定性降低。再者，風(fēng)力發(fā)電機組在電網(wǎng)瞬態(tài)故障下有可能會加劇電網(wǎng)故障，甚至引起局部電網(wǎng)崩潰。 對電網(wǎng)頻率和有功功率的影響何優(yōu)琪：風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢研究38 風(fēng)電場發(fā)出的功率是隨著風(fēng)速隨即切入或退出電網(wǎng)的。假定在某時刻，電網(wǎng)中的部分負(fù)荷由切入風(fēng)電（ ）供電，常規(guī)電源總發(fā)電有功功率 ，WP?GP則等量地減少至 ，如圖 42（a）所示。如果此時無風(fēng)，風(fēng)電電力下降0GP到零，則由常規(guī)電源的旋轉(zhuǎn)備用（ ）供電，如圖 42（b）所示。G是在常規(guī)發(fā)電機調(diào)速系統(tǒng)的作用下調(diào)出的，這一過程伴隨電網(wǎng)的頻率G?調(diào)整。為保證不間斷地給用戶供電，電網(wǎng)為風(fēng)電準(zhǔn)備的 必須是旋轉(zhuǎn)備GP?用的，由發(fā)電機的一次調(diào)頻功能實現(xiàn) [17]。圖 42 風(fēng)電場有功功率動態(tài)平衡風(fēng)電切入、退出前后電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)頻率，可用下式計算，即 （41）%10?????fPKLGP? （42） /)(00fpffGN （43）1/)(0?????fPffPKLLL （44）0GN?2022 級電氣工程及其自動化（電力）專業(yè)畢業(yè)設(shè)計論文39 式中： 、 分別為與額定頻率 對應(yīng)的發(fā)電有功功率和負(fù)荷有功0GPL0f功率； 、 分別為與頻率 對應(yīng)的發(fā)電有功功率和負(fù)荷有功功率；f為所有常規(guī)發(fā)電機組額定有功之和， 為電網(wǎng)的旋轉(zhuǎn)備用容量；GN )(0GNP?為電網(wǎng)的頻率靜態(tài)特性系數(shù)，需要由 、 、 等系數(shù)計算求出；PK?KL為常規(guī)發(fā)電機組的頻率靜態(tài)特性系數(shù)，與各發(fā)電機的調(diào)速特性有關(guān)；G為負(fù)荷頻率靜態(tài)特性系數(shù)，與所帶負(fù)荷類型有關(guān)，在 1~3 之間； 為L ?電網(wǎng)的旋轉(zhuǎn)備用系數(shù)。 例如：某電網(wǎng)旋轉(zhuǎn)備用系數(shù) ；??數(shù) ；負(fù)荷的頻率靜態(tài)特性系數(shù) ，?有功負(fù)荷的 4%（ ） ，計算無風(fēng)時風(fēng)電退出引起的頻率變化。%P? 由計算結(jié)果可知，風(fēng)電退出后，電網(wǎng)頻率下降了 %，由 50Hz 下降到 。在頻率變化的同時，風(fēng)電切入或退出還將引起電網(wǎng)中線路功率的振蕩，這與風(fēng)電切入功率的大小、切入的速度、切入點的位置及所連設(shè)備的慣性常數(shù)有關(guān)。如果風(fēng)電切入點附近有相當(dāng)于風(fēng)電功率的負(fù)荷，這部分負(fù)荷就近吸收了風(fēng)電電力，則引起的功率振蕩就較??；如果風(fēng)電切入點附近沒有多少負(fù)荷，風(fēng)電將根據(jù)潮流分配原理送到電網(wǎng)的其他地方，風(fēng)電電力能否暢通送出，輸電線路是否過載，是否會引起線路的功率振蕩，則要借助于電網(wǎng)潮流、暫態(tài)計算程序等進(jìn)行仿真分析計算。 同時風(fēng)電并網(wǎng)在對系統(tǒng)的有功調(diào)度也會產(chǎn)生重要影響，與常規(guī)能源電廠相比，風(fēng)電場輸出功率受風(fēng)速等氣象因素影響較大，輸出功率是不完全可控。然而電力系統(tǒng)制定發(fā)電計劃是基于電源的可靠性和負(fù)荷的可預(yù)測性，以往小規(guī)模風(fēng)電接入系統(tǒng)時，一般將風(fēng)電場作為負(fù)的負(fù)荷來處理，由于風(fēng)速引起的功率波動在系統(tǒng)的容許范圍內(nèi)，擾動被系統(tǒng)消納，對整個電網(wǎng)安全穩(wěn)定影響較小。大規(guī)模風(fēng)電接入系統(tǒng)時，由風(fēng)速變化引起的功率波動會對電網(wǎng)運行造成嚴(yán)重影響甚至危及電網(wǎng)安全，必須對電網(wǎng)原有的運行調(diào)度何優(yōu)琪：風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢研究40方式進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整以應(yīng)對大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)帶來的問題。大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)會對系統(tǒng)供需平衡造成很大的影響，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示，這就需要準(zhǔn)確預(yù)測供需走勢，預(yù)測是實施供需平衡調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)。供需差可能來源于負(fù)荷、潮流交換、間歇性電源等的變化。供需走勢的預(yù)測對于系統(tǒng)運行至關(guān)重要。風(fēng)電預(yù)測直接關(guān)系到整個調(diào)度系統(tǒng)的運行成本和調(diào)度安全問題，而目前的風(fēng)電預(yù)測誤差為 10~15%遠(yuǎn)高于負(fù)荷預(yù)測誤差，遠(yuǎn)不能達(dá)到系統(tǒng)運行對預(yù)測精度的要求，給大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)的系統(tǒng)運行帶來很大隱患。同時需要足夠的系統(tǒng)調(diào)節(jié)平衡資源來提升系統(tǒng)應(yīng)對風(fēng)電出力變化和不確定的能力，由于風(fēng)電出力變化和不確定，導(dǎo)致系統(tǒng)必須維持很高的系統(tǒng)調(diào)節(jié)資源以作備用，降低了系統(tǒng)資源的利用率，否則系統(tǒng)將無法應(yīng)對風(fēng)電出力變化和不確定性，影響系統(tǒng)的安全可靠運行。圖 43 大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)后電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)后，調(diào)度系統(tǒng)在原有基礎(chǔ)上增加包括風(fēng)電預(yù)測、風(fēng)電場控制層、系統(tǒng)控制層等部分。風(fēng)電場控制層接收系統(tǒng)控制層的調(diào)度指令，并且接收每臺機組反饋的某一時段可以輸出的功率限值，風(fēng)電場控制層向風(fēng)電場內(nèi)的每臺機組下發(fā)控制指令其中包括有功功率、無功功率。 系統(tǒng)控制層調(diào)度指令制定是基于風(fēng)電預(yù)測結(jié)果最優(yōu)決策方案，其中包括風(fēng)電場發(fā)電計劃、常規(guī)能源電廠發(fā)電計劃以及系統(tǒng)有功備用分配等內(nèi)容。2022 級電氣工程及其自動化（電力）專業(yè)畢業(yè)設(shè)計論文41 風(fēng)電預(yù)測根據(jù)時間尺度不同分為短期風(fēng)電預(yù)測（提供 1~72h 預(yù)測）和超短期風(fēng)電預(yù)測（提供 15min~4h 預(yù)測） ，同時為提供可靠的風(fēng)電預(yù)測信息，風(fēng)電預(yù)測系統(tǒng)包括數(shù)值天氣預(yù)報（NWP，Numerical Weather Prediction） 、本地模型（LAM，Local Area Models） 、風(fēng)輸出功率預(yù)測和地區(qū)重構(gòu)。利用短期風(fēng)電預(yù)測和負(fù)荷預(yù)測結(jié)果，制定滿足日前電量交易計劃的發(fā)電計劃，同時風(fēng)電和負(fù)荷的不確定性導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果和實際運行中存在較大的偏差，并且目前日前計劃在實際執(zhí)行中受到各種約束條件影響，需要在實時調(diào)度中考慮這些約束進(jìn)行動態(tài)有功優(yōu)化。 電力系統(tǒng)動態(tài)有功優(yōu)化調(diào)度，一般由日前調(diào)度、實時調(diào)度和自動控制(AGC，Automatic Generation Control)組成。風(fēng)電有功調(diào)度與控制的關(guān)鍵是如何合理調(diào)動相關(guān)非風(fēng)電機組的協(xié)調(diào)配合作用，協(xié)調(diào)配合的過程需要與現(xiàn)有調(diào)度周期相接軌，能夠通過適當(dāng)技術(shù)手段調(diào)動出一定數(shù)量的常規(guī)能源機組。對于大規(guī)模風(fēng)電場并網(wǎng)存在較大的峰谷差，風(fēng)電在 10min 左右可能從零升到額定值，或從額定值降到零，這就需要調(diào)用系統(tǒng)中常規(guī)能源機組對風(fēng)電場實際運行中出現(xiàn)高幅值功率波動協(xié)調(diào)控制。圖 44 風(fēng)電并網(wǎng)后有功控制結(jié)構(gòu) 大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)后有功控制分為兩級控制，在線調(diào)度控制與自動發(fā)電控制 AGC，此前在風(fēng)電功率預(yù)測的基礎(chǔ)上安排發(fā)電計劃和調(diào)度任務(wù)，超短何優(yōu)琪：風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢研究42期風(fēng)電功率預(yù)測精度較高，則可以在前期的調(diào)度計劃進(jìn)行再校正以減少系統(tǒng)中彌補有功供需不平衡的平衡容量，同時充分利用風(fēng)電場有功備用與系統(tǒng)中可調(diào)機組中有功備用執(zhí)行系統(tǒng)二次調(diào)頻，保證系統(tǒng)頻率穩(wěn)定和正常的聯(lián)絡(luò)線交換功率。在線調(diào)度控制周期內(nèi)，借助系統(tǒng)中常規(guī)能源機組的配合對預(yù)調(diào)度周期內(nèi)的調(diào)度計劃進(jìn)行再校正；在自動控制時間級內(nèi)，系統(tǒng)內(nèi)AGC 機組的實時偏差控制對在線調(diào)度計劃外的功率波動進(jìn)行實時調(diào)整。 實際運行中應(yīng)通過系統(tǒng)中在線調(diào)度常規(guī)能源電廠的可調(diào)機組和部分可控風(fēng)電場進(jìn)行出力調(diào)整，使主調(diào) AGC 機組保持最大調(diào)節(jié)容量，跟蹤風(fēng)電功率變化，并足以應(yīng)對風(fēng)電預(yù)測偏差對系統(tǒng)造成的影響。從電力系統(tǒng)獲取調(diào)節(jié)資源的角度考慮，對系統(tǒng)中調(diào)節(jié)資源進(jìn)行劃分，首先調(diào)用地區(qū)電網(wǎng)中的優(yōu)勢資源，將風(fēng)電產(chǎn)生的擾動消納；無法有效消納擾動時，則將啟用其他地區(qū)甚至全網(wǎng)資源將風(fēng)電擾動進(jìn)行跨地區(qū)或者全網(wǎng)消納。 對電網(wǎng)電壓和無功功率的影響 風(fēng)電的間歇性和隨機性，不僅表現(xiàn)在對頻率和有功的影響，還表現(xiàn)在對電壓和無功的影響。無功和電壓變化的原因是在有功變化的同時，線路和變壓器的無功損耗大幅度變化。線路的電壓降也隨之變化，并影響電網(wǎng)母線的電壓水平，產(chǎn)生電壓偏差。電壓偏差問題屬于電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)問題。大幅度波動的風(fēng)速引起風(fēng)電機組出力波動較大，所以風(fēng)電功率的波動導(dǎo)致電網(wǎng)內(nèi)某些節(jié)點電壓偏差超出國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值。這種情況下可以采取在風(fēng)電場裝設(shè)一定的無功補償裝置或切除部分風(fēng)電機組等措施，來改善電壓水平或使注人電網(wǎng)的風(fēng)電功率減少，進(jìn)而減緩風(fēng)電注入對系統(tǒng)的影響。另外，加強網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、采用具有電壓無功控制能力的雙饋變速風(fēng)電機組，都可以更好地改善風(fēng)電接入地區(qū)電網(wǎng)的電壓水平與電壓穩(wěn)定性。實際運行過程中，在風(fēng)電功率波動大、無功需求量大且變化相對較快時。單依靠電容器組快速投切不能滿足控制的要求，這時就需要在風(fēng)電場內(nèi)安裝能夠在風(fēng)速波動時提供快速的無功支撐，有利于電網(wǎng)和風(fēng)電場的無功電壓調(diào)節(jié)的動態(tài)無功補償裝置，文獻(xiàn) [32~33]對無功控制的方法進(jìn)行了研究。在一定的條件下，有功功率可以長距離傳輸，但無功功率則應(yīng)采取就2022 級電氣工程及其自動化（電力）專業(yè)畢業(yè)設(shè)計論文43 地平衡的辦法，因為無功功率長距離輸送的損耗很大，受端所剩無功很少，受端電壓偏差也可能超過規(guī)程允許的范圍。大規(guī)模風(fēng)電場接入