浅谈智能电网在风力发电并网中的应用

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摘要：风力发电等分布式新能源得到广泛开发利用，但是其并网等技术问题一直是阻碍其进一步发展的障碍。本文介绍了在风力发电可依赖智能电网技术的发展，实现其并网。同时，本文还介绍了智能电网建设的基础设施及支撑平台等相关技术以及支撑风力发电等新能源发电并网的微网技术。

关键字：风力发电；智能电网；并网技术；微网

中图分类号：U665.12 文献标识码：A文章编号：

0 引言

随着传统电网在能源利用效率、环保性等方面的问题日益比较突出。新能源作为清洁能源逐渐被人们所重视，并被大量建设。其中，风力发电作为新能源之一，在我国以及世界范围内广泛应用。基于风力发电等新能源构建的大量分布式发电设施也将被引入电网系统，电力的供应将多元化；同时电力终端的用电模型也将变得更加弹性。由于风力发电作为可分布式的再生能源，其本身具有的不稳定性，给传统配电网的电压、电能质量、继电保护等方面带来了诸多不利影响［1-2］。随着现代通信、计算、网络和控制技术的发展，信息技术运用领域的不断开拓，信息与能源技术的结合已然成为一种发展的必然趋势，利用先进的信息技术，提升能源管理水平，实现能源进一步的精密化调控。在这种背景下智能电网技术应运而生[3]。

1 风力发电并网方式及存在的问题

1.1风力发电的并网方式

目前，国内外的风力发电大多是以风电场形式大规模集中接入电网。考虑到不同的风力发电机组工作原理不同，因此其并网方式也有区别。国内风电场常用机型主要包括异步风力发电机、双馈异步风力发电机、直驱式交流永磁同步发电机、高压同步发电机等。同步风力发电机的主要并网方式是准同步和自同步并网；异步风力发电机组的并网方式主要有直接并网、降压并网、准同期并网和晶闸管软并网等［4］。

各种并网方式都有其自身的优缺点，根据实际所采用的风电机组类型和具体并网要求选择最恰当的并网方式，可以减小风电机组并网时对电网的冲击，保证电网的安全稳定运行。

1.2 风力发电目前存在的并网问题

1.2.1 有功功率控制

电力系统每时每刻都要保持发电与用电的基本平衡，保持系统频率的稳定。风电场输出功率的波动对系统的功率平衡、电能质量带来一定的影响。风电场连续运行和起停过程必须具有控制有功功率的能力，一方面控制功率变化率；另一方面根据电网需要限制风电场输出功率。

1.2.2 无功/电压控制

电力系统一般通过调节电网的无功设备来调节系统的电压来避免较大的电压偏差及电压失稳问题。风电场作为系统的一种电源、要参与系统的无功调整及电压控制。对风电场无功功率的要求是通过风电场的功率因数范围来规定的。

1.2.3 频率控制

电力系统通过一次调频和二次调频来维持系统的功率平衡和频率稳定。一般情况下，系统频率在很小的范围内波动，而风电场输出功率在较大范围内波动，因此大量风电的接入会给系统频率调整带来一定的影响。而系统频率的变化又会给风电机组的运行带来影响，各并网导则都要求风电机组能够在一定的频率范围内正常运行。当频率超过一定范围后，限制出力运行或延迟一定时间后退出运行可以维护系统频率的稳定。

1.2.4 低电压穿越

低电压穿越LVRT（Low Voltage Ride Through）是当电网故障或扰动引起的风电场并网点电压跌落时，在一定电压跌落范围内，风电机组能够不间断并网运行。当电网出现电压突降时，不具备低电压穿越能力的风力发电机组切机将对电网的稳定运行造成巨大影响。风力发电机组是否具备低电压穿越能力会对电网的安全稳定运行、风机本身寿命及运行维护成本产生影响。

2智能电网的应用

我国的风电资源主要集中在西北部地区，而我国电力需求较大的地区则集中在中东部，因此造成我国的新能源电力必然经过远距离传输才能到达负荷区．这就要求电网必须在全国范围内对新能源发电进行优化配置。

风力发电系统的主要特点在于其能源供应的间歇性，因此会造成发电输出电压、频率的波动。而这种波动性在接入电网后会对电网系统的整体稳定性产生影响。目前已通过在风力发电机和电网之间加入变流器、逆变器及电容器组合等电力电子器件，实现对电压抖动、频率抖动、无功补偿和有功输出等发电系统关键参数的控制。而解决风力发电系统可能出现的输出不稳定问题，依赖于是否能及时获取负荷和风场发电的实时数据，因此需要智能电网信息系统的支撑[5]。

2.1智能电网的特点

智能电网基于实时性较高的测量通信系统，可以通过实时控制来达到发电负荷平衡，从而可以减少热备用，并且提高系统的稳定性，保证电网安全、稳定和可靠性的同时提高设备利用率。智能电网需要解决传统电网信息系统在信息采集、传输、处理和共享等多方面的瓶颈，而这些问题的解决则依赖于正在逐渐发展的物联网技术。

物联网的核心技术涵盖从传感器网络至上层应用系统之间的物理状态感知、信息表示、信息传输和信息处理，在智能电网信息系统体系中的通信、安全及上层应用等各个方面将起到重要作用。物联网技术的发展使得电力系统从一个相对封闭自给的控制系统融入计算机数字环境中，在提高电网稳定性的同时，使得风能等新能源方便地融入智能电网信息系统，统一进行规划与调度[6]。

2.1.1 电力系统量测控制设备和通信网络

（1）电力系统量测设备

电力系统量测设备是构建智能电网的基础，智能电网的实现依赖于传感器的应用和部署，电网运行维护量测系统主要用于采集电力系统单元，常用的如SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系统的远程终端装置RTU[7]( Remote Terminal Unit)和WAMS(Wide Area Measurement System)系统中的PMU[8]（Phasor measurement Unit）。RTU单元具有量测、通信、控制等多种功能，该量测单元被广泛应用于能量管理系统EMS（Energy Management System）中，但其主要不足是数据采样频率较低，无法及时获取电网运行的动态信息；各RTU单元无同步时钟，获取到的数据不同步．相对于RTU单元，PMU增加了相角测量；具备GPS授时单元，测量精度更高。

（2）电力系统控制设备

电力系统控制设备是实现智能电网目标的载体，电网系统的主要工作参数是频率、电压、相位、有功功率、无功功率。为实现对以上参数的控制，电网系统的控制对象包括各级发电单元、输变电系统、配电系统。主要控制设备有RTU单元及各种智能电子设备IED（Intelligent Electronic Device）。

（3）电力系统通信网络

通信网络是智能电网的重要基础设施。智能电网中的广域量测系统WAMS、广域保护系统WAPS（Wide Area Protection System）、广域控制系统WACS（Wide Area Control System）等都依赖于通信构架[6]。

2.1.2 智能电网信息系统支撑平台

（1）传感量测系统

智能电网信息系统传感与量测的主要功能是在量测设备的基础上进行信息采集和汇聚，为上层的数据存储、计算、分析和决策奠定基础。

智能电网量测系统是智能电网实现的基础，实现电力数据的采集功能。已有的量测系统：SCADA系统、WAMS系统和AMI（Advanced Metering Infrastructure）系统三类。其中SCADA系统和WAMS系统完成对电力状态数据的采集。

（2）数据表示与存储系统

1）智能电网数据表示

描述电网系统本身、统一管理这些电力系统设备产生的数据是实现智能电网信息网的关键之一。电网系统的表示包括电力系统采集数据的命名、数据的定义、设备的描述、设备间关联关系的表述、通信模型的表述等多方面内容。

2）智能电网数据存储模型

智能电网具有可靠性高和数据大的特点，这要求智能电网数据的存储必须设置必要的冗余和备份机制；同时，电网数据的存储模型必须满足快速查找和快速处理；而智能电网本身应用多样，不同应用实时性要求也不相同，由此智能电网的数据存储也可分为在线数据和实时数据两种模式[6]。

（3）分析与决策系统

智能电网投入实际运行后，面临的另一个巨大挑战就是海量数据的处理能力。智能电网稳定运行监控系统应用需要海量数据处理技术的支撑。它根据量测系统获取到的数据进行动态安全评估DSA(Dynamic Security Assessment)，保证电网运行稳定，以及电网系统出现故障后恢复系统。该类应用多与微网系统相结合，考虑风能等新能源接入后分散发电资源的利用问题。

（4）控制与执行系统

智能电网包括分布式新能源的接入和使用以及电能的发、输、变、配、用等５个环节，所以其控制系统在传统的厂站式控制系统上加入了额外的分布式能源发电DPGS（Distributed Power Generation Systems）控制系统，总体构架如图1所示．从系统构架上来看，分散策略指将大电网按区域划分，每个区域有自己的控制中心，控制中心之间通过共享数据实现对整个系统的控制。

图1 智能控制执行系统

2.1.3 智能电网的调度方法

能量管理系统EMS是将计算机技术应用于传统电力系统的典型系统，其核心是调度自动化，主要面向发电和输电系统．但传统的EMS系统存在故障的处理速度慢；且不具有在线稳定监视以及预测功能，其采集系统多基于SCADA，实时性不高，造成能量调度不及时。而基于PMU的WAMS系统则可较好解决这一问题，但由于成本及技术限制，短期内SCADA系统和WAMS系统会共同存在．

目前电网调度管理的负荷建模方法可归纳为统计综合法和总体测辨法两类。统计综合法是对电力系统中的典型负荷进行数学建模的一种离线方法。而总体测辨法是将所有负荷看成一个整体，通过对系统在不同输入下响应结果的量测，从而估计负荷模型的参数的一种实时建模方法。

基于实时测量数据的总体测辨法能够更精确地表现电力负荷的特点[10]，在风电并网中更能准确的描述出并网过程中负荷的变化，使风力发电在遭遇环境或事故时，能够有效减少对电网系统的影响。但是总体测辨法建立负荷模型离不开风力发电及风电并网端现场实测数据，而快速取得大量准确数据有赖于量测系统、控制系统以及通讯网络等智能电网基础设施及其支撑平台。

2.2微网技术

随着风力发电等新能源发电的广泛接入，分布式发电系统DGS（Distributed Generation System）可以更好实现能源需求和环境保护之间的平衡，提高能源利用的效率和能源供应的可靠性[11]。目前，是将DGS系统和相应的负荷看成一个可独立运行的子系统，即微网。

分级控制模式[12]是微网技术中较为成熟的一种控制结构，整个微网系统作为主干电网的一个子系统，由位于主干网耦合点（PCC）的中央控制器控制，第二级控制单元由负荷/负荷群控制器（LC）以及分布式电源控制器（MC）组成。中央控制器协调LC和MC的控制效果，同时与DMS和大电网的中央控制系统之间进行信息交换。

目前，微网的系统复杂性也对微网监测和数据处理系统提出了更高的要求。需要支持多种通信协议，能够被在线定义及修改，支持远程监视与远程控制，历史数据能够按需储存和调用。微网可以被认为是大电网的一个智能负荷单元；同时，微网内部也可以被认为是一个完整的电力系统，需要进行分布式能源的调配。因此，微网的管理涉及到非常复杂的过程。

微电网内可以集成各种分布式新电源，从而能够提升供电效率，缓解能源危机．同时，在大电网发生故障时，微网可以脱网独立运行，大大提高了系统可靠性．尤其在电网发生严重故障时可向重要负荷独立供电，体现智能电网可靠、能抵御攻击的特点。微网从并网模式切换到独立运行以及微网从独立运行模式重新切换回并网的过程称为微网的切换模式。微网的切换所期望达到的目标是无缝切换。即在大电网故障时，仍可以维持微网内重要负荷不受影响，当大电网恢复时，微网能够自动实现和大电网的同步和重新连接。微网控制的目的是为实现微网内的系统稳定运行并且保证用户使用的电能质量。

由于风力发电等新能源发电具有分布式特点，因此微网系统承受扰动的能力较弱，为保证系统的稳定运行，微网在不同模式下的保护必须被考虑。目前，微网在并网和孤网（独立）运行模式下的过电流保护是主要问题。由于硅材料仪器的等级限制，微网内换流器提供的故障电流的幅值不足以用于驱动传统的过电流保护装置，因此，必须有小电流的故障检测技术以及微网的并网、孤网保护技术来满足微网保护的需要。

3 结语

风电等可再生能源作为绿色环保电力资源得到重视发展的同时，需要尽快开展对这些小机组并网特性的研究，特别要尽早开展风电不可预测性对电网冲击的研究。避免出现事故情况下风力发电反调节的情况发生，最大限度减小风电等小机组对电网安全运行的冲击。而智能电网本身对网络传输性能、数据存储性能及数据分析处理性能都有较高的要求。特别是在风力发电等分布式新能源发电和微网系统引入之后，电网的稳定运行控制将会更加复杂。所以在智能电网技术的发展中，应针对风电等新能源的发电、并网特点，解决分布式发电、微网环境下的能量调度问题以及数据的实时性和可靠性方面，进行重点研究。

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