風(fēng)電接入對(duì)黑龍江電網(wǎng)的影響及應(yīng)對(duì)措施

張慧琦,王海濤,曹宇鵬,張軼平

(1.黑龍江省電力有限公司電力交易中心,黑龍江哈爾濱 150090;2.黑龍江省電力有限公司電力調(diào)度通信中心,黑龍江哈爾濱 150090;3.哈爾濱電業(yè)局,黑龍江哈爾濱 150010)

風(fēng)電接入對(duì)黑龍江電網(wǎng)的影響及應(yīng)對(duì)措施

張慧琦1,王海濤2,曹宇鵬3,張軼平2

(1.黑龍江省電力有限公司電力交易中心,黑龍江哈爾濱 150090;2.黑龍江省電力有限公司電力調(diào)度通信中心,黑龍江哈爾濱 150090;3.哈爾濱電業(yè)局,黑龍江哈爾濱 150010)

結(jié)合黑龍江電網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀,闡述了風(fēng)電對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)壓、調(diào)頻和穩(wěn)定的影響,并從運(yùn)行和管理角度提出了具體應(yīng)對(duì)措施。

黑龍江電網(wǎng);風(fēng)電;影響;措施

1 黑龍江風(fēng)電現(xiàn)狀

隨著風(fēng)電在電網(wǎng)中所占比重不斷增加,在風(fēng)能資源較豐富的地區(qū),風(fēng)電在電網(wǎng)中所占比例已經(jīng)達(dá)到較高水平,某些地區(qū)電網(wǎng)中風(fēng)電的裝機(jī)容量已接近當(dāng)?shù)刎?fù)荷水平。黑龍江電網(wǎng)地處東北電網(wǎng)北部,電廠眾多,是東北地區(qū)重要的能源基地,電源結(jié)構(gòu)以火電為主。截止 2009年 9月底全省發(fā)電裝機(jī)容量 18 454MW,其中火電 16 527MW,占 89.56%;水電 948MW,占 5.14%;風(fēng)電 978 MW,占 5.30%。

2 風(fēng)電對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的影響

風(fēng)電是一種間歇性、波動(dòng)性電源,其不確定性和總體上的反調(diào)峰特性,給電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了新的挑戰(zhàn),主要表現(xiàn)在:電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻和電源安排日益困難;系統(tǒng)電壓難以控制;電網(wǎng)安全穩(wěn)定問(wèn)題突出;控制措施難以制定等方面。

2.1 對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰的影響

風(fēng)速波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)輸出功率波動(dòng),引起系統(tǒng)有功功率和無(wú)功功率的變化。如果把風(fēng)電功率看作負(fù)的負(fù)荷,其與負(fù)荷的波動(dòng)疊加在一起可以構(gòu)成等值負(fù)荷波動(dòng)曲線。當(dāng)出現(xiàn)風(fēng)電功率大于負(fù)荷需求的情況,多余的風(fēng)電功率需要通過(guò)地區(qū)間聯(lián)絡(luò)線外送。如果負(fù)荷波動(dòng)趨勢(shì)和風(fēng)電功率波動(dòng)趨勢(shì)一致,則等值負(fù)荷曲線變得平滑,風(fēng)電就有自然調(diào)峰作用,對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行有利;反之,負(fù)荷波動(dòng)趨勢(shì)和風(fēng)電功率波動(dòng)趨勢(shì)相反,則等值負(fù)荷曲線波動(dòng)幅度更大,相當(dāng)于等效負(fù)荷峰谷差加大,使電網(wǎng)調(diào)峰問(wèn)題更加突出,對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行不利。

黑龍江電網(wǎng) 2009年最大峰谷差約 3 500 MW,調(diào)峰形勢(shì)極為嚴(yán)峻,特別是冬季供暖期間,大批調(diào)峰能力較弱的供熱機(jī)組必須持續(xù)運(yùn)行,同時(shí),冬季又是風(fēng)電低谷大出力、反調(diào)峰高概率、大幅度最為集中的月份,在低谷時(shí)段,風(fēng)電出力普遍與負(fù)荷變化規(guī)律相反,使電網(wǎng)面臨嚴(yán)重情況,需要合理安排系統(tǒng)備用容量,保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 對(duì)電網(wǎng)電壓的影響

對(duì)風(fēng)電來(lái)講,電壓穩(wěn)定非常重要,但由于風(fēng)電絕大多數(shù)接入薄弱的末端電網(wǎng),受系統(tǒng)負(fù)荷變化影響,電壓調(diào)整原本就十分困難,加之風(fēng)電出力的無(wú)計(jì)劃大幅度變化,其無(wú)功功率需求量又與風(fēng)電機(jī)組的類型及風(fēng)電功率的大小有關(guān),導(dǎo)致系統(tǒng)電壓也大幅度變化。其中,感應(yīng)型異步風(fēng)機(jī)在發(fā)出有功的同時(shí)需要從系統(tǒng)吸收大量無(wú)功,如這類風(fēng)機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)的電網(wǎng)不夠堅(jiān)強(qiáng),且風(fēng)電場(chǎng)自身無(wú)功補(bǔ)償容量不足或補(bǔ)償速度不滿足要求,就可能造成系統(tǒng)電壓嚴(yán)重下降,甚至電壓崩潰;雙饋式風(fēng)機(jī)和直驅(qū)式風(fēng)機(jī)特性有所改善,但也需要風(fēng)電場(chǎng)配置適當(dāng)容量和調(diào)節(jié)速度的無(wú)功補(bǔ)償裝置。

風(fēng)電場(chǎng)可用分組投切的電容器或電抗器來(lái)調(diào)節(jié)無(wú)功功率,抑制電壓變動(dòng),提高電壓穩(wěn)定性。在風(fēng)電比較集中的地區(qū),可以在風(fēng)電場(chǎng)設(shè)置快速無(wú)功調(diào)節(jié)裝置,如 SVC或 STATCOM,控制網(wǎng)絡(luò)阻抗角和功率因數(shù)角的差值,達(dá)到減少閃變,提高電能質(zhì)量的目的。

2.3 對(duì)電網(wǎng)頻率的影響

由于自然界風(fēng)速的不斷變化,風(fēng)力發(fā)電機(jī)的出力也隨時(shí)變化,具有較大的隨機(jī)性,不穩(wěn)定的功率輸出會(huì)給電網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)許多問(wèn)題。大量風(fēng)電功率的波動(dòng)增加了系統(tǒng)調(diào)頻的難度,而系統(tǒng)頻率的變化又會(huì)影響風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。風(fēng)電出力的不穩(wěn)定性,使得運(yùn)行火電機(jī)組被迫大幅度參與系統(tǒng)調(diào)頻工作,而火電機(jī)組調(diào)節(jié)速度較慢,難以完全適應(yīng)風(fēng)電的大幅度快速變化。隨著風(fēng)電的快速增長(zhǎng),風(fēng)電突變幅度將繼續(xù)增大,會(huì)對(duì)電網(wǎng)頻率質(zhì)量造成較大影響。

各國(guó)風(fēng)電接入系統(tǒng)導(dǎo)則都要求風(fēng)電機(jī)組能夠在一定頻率范圍內(nèi)正常運(yùn)行;頻率超過(guò)一定范圍后限制出力運(yùn)行或延遲一定時(shí)間后退出運(yùn)行,以維護(hù)系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定。當(dāng)系統(tǒng)頻率過(guò)高時(shí),可以通過(guò)控制系統(tǒng)使部分風(fēng)電機(jī)組停機(jī)或通過(guò)槳距角控制減少風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率?？稍谡Ｇ闆r下限制風(fēng)電場(chǎng)出力,在系統(tǒng)頻率降低時(shí)調(diào)高風(fēng)電場(chǎng)的出力,讓風(fēng)電功率參與系統(tǒng)的二次調(diào)頻。

2.4 對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定的影響

隨著我國(guó)風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展,風(fēng)電能源在電網(wǎng)中所占的比重越來(lái)越大,由此帶來(lái)的電網(wǎng)安全穩(wěn)定問(wèn)題也日益突出。由于大量風(fēng)電不能就地消化,要和地區(qū)火電一同經(jīng)送出通道進(jìn)行外送,送出通道需采用安全穩(wěn)定控制措施。由于風(fēng)電的大量存在和出力的不確定性,大大增加了安全穩(wěn)定控制措施的復(fù)雜程度,降低了事故情況下系統(tǒng)單運(yùn)成功的概率。

嚴(yán)格來(lái)講定速風(fēng)電機(jī)組和雙饋?zhàn)兯亠L(fēng)電機(jī)組本身不存在暫態(tài)穩(wěn)定性問(wèn)題,但是對(duì)于有大量風(fēng)電的系統(tǒng),因?yàn)榇罅啃T量的風(fēng)電機(jī)組代替了常規(guī)機(jī)組,系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性也發(fā)生了一些變化。文獻(xiàn)[1]、[2]對(duì)風(fēng)電機(jī)組的模型進(jìn)行了研究,表明定速風(fēng)電機(jī)組對(duì)系統(tǒng)功率振蕩有一定阻尼作用,而變速風(fēng)電機(jī)組因?yàn)樽兞髌鞯淖饔?風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率解耦,阻尼作用被減弱了。此外,系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí),風(fēng)電機(jī)組可能因?yàn)殡妷涸较藁蜣D(zhuǎn)速越限導(dǎo)致保護(hù)動(dòng)作而跳閘,系統(tǒng)可能遭受失去大量風(fēng)電功率的第二次沖擊。

3 風(fēng)電運(yùn)行管理的措施

為了有效應(yīng)對(duì)風(fēng)電的快速發(fā)展,必須從多方面采取有效措施。如加強(qiáng)風(fēng)電預(yù)測(cè);對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行合理控制調(diào)節(jié);配套建設(shè)相應(yīng)的調(diào)峰、調(diào)頻電源;制定風(fēng)電入網(wǎng)規(guī)范等,以利于風(fēng)電產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)期健康穩(wěn)定發(fā)展。

3.1 風(fēng)電預(yù)測(cè)

從能源角度,風(fēng)電作為清潔能源,一般都處于自然滿發(fā)狀態(tài);而從電網(wǎng)調(diào)度角度,風(fēng)電在高峰時(shí)頂不上去、低谷時(shí)減不下來(lái),是某種意義上的垃圾電源。風(fēng)電的隨機(jī)性和不可控性也給發(fā)電計(jì)劃的制定和實(shí)施帶來(lái)一定困難。傳統(tǒng)的發(fā)電計(jì)劃基于電源的可靠性以及負(fù)荷的可預(yù)測(cè)性,但如果系統(tǒng)內(nèi)含有風(fēng)電場(chǎng),風(fēng)電場(chǎng)出力有極大的隨機(jī)性,發(fā)電計(jì)劃的制定變得困難起來(lái)。如果把風(fēng)電場(chǎng)看作負(fù)的負(fù)荷,很難準(zhǔn)確測(cè)定;如果把風(fēng)電場(chǎng)看作電源,可靠性沒(méi)有保證。

受限于國(guó)內(nèi)風(fēng)電發(fā)展的總體技術(shù)水平,目前黑龍江電網(wǎng)投運(yùn)的所有風(fēng)電場(chǎng),均未建立風(fēng)電電力預(yù)測(cè)系統(tǒng)。但如果風(fēng)電場(chǎng)參與調(diào)度計(jì)劃,則必須預(yù)測(cè)未來(lái) 24 h的發(fā)電曲線,以便電網(wǎng)調(diào)度部門合理安排發(fā)電計(jì)劃,優(yōu)化常規(guī)機(jī)組運(yùn)行方式,提高電網(wǎng)接納風(fēng)電的能力。國(guó)家有關(guān)部門應(yīng)盡早制定并出臺(tái)風(fēng)電企業(yè)電力預(yù)測(cè)考核辦法,督促各風(fēng)電企業(yè)盡快建立實(shí)用的風(fēng)電功率預(yù)測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)全網(wǎng)風(fēng)電功率的預(yù)測(cè)。電網(wǎng)公司也可建設(shè)有關(guān)風(fēng)電預(yù)測(cè)系統(tǒng),用于對(duì)全網(wǎng)風(fēng)電出力預(yù)測(cè)校核等職能,而風(fēng)電出力的預(yù)測(cè)應(yīng)該是風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)盡的職責(zé)。

3.2 提高風(fēng)電機(jī)組調(diào)控手段

風(fēng)電要參與系統(tǒng)功率平衡,需要做的工作,一是風(fēng)電場(chǎng)輸出功率預(yù)測(cè),二是風(fēng)電場(chǎng)輸出功率控制。電網(wǎng)調(diào)度部門迫切需要一種能在緊急時(shí)刻調(diào)整風(fēng)電出力,確保系統(tǒng)頻率、斷面潮流維持在安全范圍之內(nèi)的手段。對(duì)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率進(jìn)行控制,有利于減小系統(tǒng)備用容量,增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性和安全性。已投入運(yùn)行的風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)盡快改造和完善風(fēng)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)能夠接收?qǐng)?zhí)行遠(yuǎn)方調(diào)度控制命令、自動(dòng)控制上網(wǎng)電力等功能。

目前,黑龍江電網(wǎng)已通過(guò)廣域同步測(cè)量系統(tǒng)(Wide Area Measurement System,WAMS)實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的監(jiān)視和控制。在夜間低谷時(shí)段,WAMS系統(tǒng)根據(jù)火電機(jī)組出力調(diào)整狀況、省間聯(lián)絡(luò)線外送偏差、風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行負(fù)載率等因素,自動(dòng)對(duì)部分風(fēng)電機(jī)群下達(dá)停機(jī)指令,低谷時(shí)段過(guò)后,會(huì)自動(dòng)將機(jī)群投入運(yùn)行。此外,在風(fēng)電場(chǎng)送出系統(tǒng)中還加裝了穩(wěn)定控制裝置,當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)外送系統(tǒng)相關(guān)線路或主變過(guò)載時(shí),穩(wěn)控裝置可切除部分風(fēng)電機(jī)群。

3.3 建設(shè)抽水蓄能電站

抽水蓄能電站是一種特殊形式的水電站,既能削峰又可填谷,能很好地適應(yīng)電力系統(tǒng)負(fù)荷的變化。其快速轉(zhuǎn)變的靈活性可彌補(bǔ)風(fēng)力發(fā)電的隨機(jī)性和不均勻性,不僅可以打破電網(wǎng)規(guī)模對(duì)風(fēng)電容量的限制,為大力發(fā)展風(fēng)電創(chuàng)造條件;也可為電網(wǎng)提供更多的調(diào)峰填谷容量和調(diào)頻、調(diào)相、緊急事故備用電源,在保障系統(tǒng)安全與提高供電質(zhì)量的同時(shí),有效降低系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用容量和吸收低谷負(fù)荷而達(dá)到降低系統(tǒng)能耗的作用。對(duì)于風(fēng)電資源豐富的地區(qū),無(wú)論是外送還是就地消化,抽水蓄能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電互補(bǔ)運(yùn)行,應(yīng)該是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。目前,黑龍江電網(wǎng)正在興建遠(yuǎn)期裝機(jī)容量為 1 200 MW的抽水蓄能電站,這將為今后風(fēng)電的發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。

3.4 制定風(fēng)電入網(wǎng)規(guī)范和規(guī)定

風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)執(zhí)行風(fēng)電入網(wǎng)技術(shù)規(guī)范和風(fēng)電調(diào)度運(yùn)行管理規(guī)定,以保證風(fēng)電場(chǎng)與電網(wǎng)的協(xié)調(diào)發(fā)展及電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的控制能力,規(guī)范風(fēng)電場(chǎng)日常運(yùn)行。風(fēng)機(jī)生產(chǎn)廠家、風(fēng)力發(fā)電公司、電網(wǎng)公司等都應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行,對(duì)不符合入網(wǎng)技術(shù)條件的風(fēng)機(jī)堅(jiān)決不允許接入系統(tǒng),以形成良好的入網(wǎng)管理機(jī)制。

3.5 風(fēng)電與電網(wǎng)應(yīng)協(xié)調(diào)、有序發(fā)展

在一定技術(shù)水平下,各地區(qū)電網(wǎng)接納風(fēng)電的能力除受整體調(diào)峰能力影響外,主要受各地區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)決定的安全穩(wěn)定水平制約。風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃要結(jié)合電網(wǎng)或局部地區(qū)風(fēng)電接納能力進(jìn)行滾動(dòng)調(diào)整,確保風(fēng)電與電網(wǎng)協(xié)調(diào)、有序發(fā)展。

3.6 發(fā)揮跨區(qū)聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢(shì),緩解調(diào)峰壓力

2009年底,黑龍江風(fēng)電總裝機(jī)容量達(dá)到電網(wǎng)運(yùn)行容量的 10%左右,調(diào)峰問(wèn)題十分突出,應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整跨區(qū)送電峰谷差值,充分發(fā)揮跨區(qū)聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢(shì);同時(shí)鼓勵(lì)火電廠挖掘調(diào)峰、調(diào)頻潛力,負(fù)荷側(cè)移峰填谷等,以緩解區(qū)域電網(wǎng)調(diào)峰壓力。

4 結(jié)束語(yǔ)

風(fēng)力發(fā)電是一種清潔可再生能源,具有不污染環(huán)境、沒(méi)有燃料運(yùn)輸、廢料處理等優(yōu)勢(shì),且建設(shè)周期短,運(yùn)行管理方便,有廣闊的發(fā)展前景。但同時(shí)也應(yīng)看到,由于風(fēng)能存在隨機(jī)性和不均勻性,風(fēng)電場(chǎng)的大量投運(yùn),對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行存在諸多不利影響,這也制約了風(fēng)電的進(jìn)一步發(fā)展。文中提到的一些應(yīng)對(duì)風(fēng)電運(yùn)行和管理措施,需要在實(shí)踐中逐步規(guī)范和完善;電網(wǎng)在全年不同時(shí)期能夠容納的最大風(fēng)電運(yùn)行容量,也取決于新方案、新技術(shù)的采用。隨著電能存儲(chǔ)技術(shù)、風(fēng)機(jī)控制、制造技術(shù)、風(fēng)電預(yù)測(cè)水平的提高以及電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的改善,風(fēng)力發(fā)電必將成為未來(lái)能源供應(yīng)的重要組成部分。

[1] 李東東,陳陳.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組動(dòng)態(tài)模型研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2005,25(3):115-119.

[2] 李晶,宋家驊,王偉勝.大型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組建模與仿真[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2004,24(6):100-105.

Influences and counterm easures of the integration of wind power grid on the Heilongjiang Grid

ZHAGN Huiqi1,WANG Haitao2,CAO Yupeng3,ZHANG Yiping2
(1.Power Exchange Center of Heilongjiang Electric Power Company,Harbin 150090,China;2.Power Managementand Communication Center of Heilongjiang Electric Power Company,Harbin 150090,China;3.Harbin Power Bureau,Harbin 150010,China)

Combing the currentsituation ofwind power generation in the Heilongjiang grid,this paper expounds the influences of wind power's load regulation,voltage regulation,frequency modulation and stability on the grid and puts forward specific countermeasures from operational and managerial perspective.

Heilongjiang grid;wind power;influence;measure

TM614

B

1002-1663(2010)01-0042-03

2009-11-12

張慧琦(1978-),女,2000年畢業(yè)于東北電力學(xué)院電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè),工程師。

(責(zé)任編輯 路 松)