大型風(fēng)電場運行的特點及并網(wǎng)運行的問題

廣東電網(wǎng)公司茂名電白供電局區(qū) 鄧恩思

近年來,我國風(fēng)電已經(jīng)邁向快速發(fā)展的步伐。按裝機總?cè)萘坑嬎?我國已經(jīng)超過意大利和英國,成為世界第6大風(fēng)電大國。大規(guī)模的風(fēng)力發(fā)電必須要實現(xiàn)并網(wǎng)運行，然而由于風(fēng)電自身的特點,大規(guī)模風(fēng)電接入會對電網(wǎng)產(chǎn)生負面影響。由于風(fēng)力資源分布的限制，風(fēng)電場大多建設(shè)在電網(wǎng)的末梢，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對薄弱，風(fēng)電場并網(wǎng)運行必然會影響到電網(wǎng)的電壓質(zhì)量和電壓穩(wěn)定性。由于風(fēng)電本身具有不可控、不可調(diào)的特征，造成風(fēng)電出力的隨機性和間歇性。而電網(wǎng)必須按照發(fā)、供、用同時完成的規(guī)律，連續(xù)、安全、可靠、穩(wěn)定地向客戶提供頻率、電壓合格的優(yōu)質(zhì)電力。風(fēng)電場并網(wǎng)的研究內(nèi)容涉及到電能質(zhì)量、電壓穩(wěn)定性、暫態(tài)功角穩(wěn)定性及頻率穩(wěn)定性等。本文主要介紹大型風(fēng)電場并網(wǎng)對電力系統(tǒng)的影響及對策。

一、大型風(fēng)電場運行的特點

1、風(fēng)能的能量密度小，為了得到相同的發(fā)電容量,風(fēng)力發(fā)電機的風(fēng)輪尺寸比相應(yīng)的水輪機大幾十倍。

2、風(fēng)能的穩(wěn)定性差。風(fēng)能屬于過程性能源,具有隨機性、間歇性、不穩(wěn)定性,風(fēng)速和風(fēng)向經(jīng)常變動,它們對風(fēng)力發(fā)電機的工況影響很大。為得到較穩(wěn)定的輸出電能,風(fēng)力發(fā)電機必須加裝調(diào)速、調(diào)向和剎車等調(diào)節(jié)和控制裝置。

3、風(fēng)能不能儲存。對于單機獨立運行的風(fēng)力發(fā)電機組,要保證不間斷供電,必須配備相應(yīng)的儲能裝置。

4、風(fēng)輪的效率較低。風(fēng)輪的理論最大效率為59.3%,實際效率會更低一些,統(tǒng)計顯示,水平軸風(fēng)輪機最大效率通常在20%～50%,垂直軸風(fēng)輪機最大效率在30%～40%。

5、風(fēng)電場的分布位置經(jīng)常偏遠。例如,我國的風(fēng)電資源雖然比較豐富,但多數(shù)集中在西北、華北和東北“三北地區(qū)”。

由于風(fēng)能具有以上特點,使得利用風(fēng)能發(fā)電比用水力發(fā)電困難得多。

總之,風(fēng)電的最大缺點是不穩(wěn)定,風(fēng)電系統(tǒng)所發(fā)出的電能若直接并入電網(wǎng)將影響局部電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性。

二、大型風(fēng)力發(fā)電場并網(wǎng)運行引起的問題分析

風(fēng)電場接入電網(wǎng)一般有兩種方式，一種是傳統(tǒng)的并網(wǎng)方式，單個風(fēng)電場容量均比較小，作為一種分布式電源，分散接入地區(qū)配電網(wǎng)絡(luò)，以就地消納為主；另一種是在風(fēng)能資源豐富區(qū)域集中開發(fā)風(fēng)電基地，通過輸電通道集中外送，如歐美國家規(guī)劃中的海上風(fēng)電和我國正在開發(fā)的內(nèi)蒙古、張家口、酒泉和江蘇沿海千萬千瓦級風(fēng)電基地。風(fēng)電機組單機容量和并網(wǎng)運行的風(fēng)電裝機規(guī)模越來越大，對系統(tǒng)的影響也越來越明顯。與小型風(fēng)電場不同，大型風(fēng)電場接入電網(wǎng)后，風(fēng)電場對電網(wǎng)的影響已從簡單的局部電壓波動等問題發(fā)展到對電網(wǎng)調(diào)節(jié)控制(調(diào)頻調(diào)峰、經(jīng)濟調(diào)度)、電能質(zhì)量、電網(wǎng)穩(wěn)定等諸多方面。

1、對電網(wǎng)調(diào)節(jié)控制的影響

電網(wǎng)傳統(tǒng)的調(diào)度（發(fā)電）計劃的編制及實施，完全基于電源的可靠性、負荷的可預(yù)測性。當(dāng)系統(tǒng)風(fēng)電容量達到一定的規(guī)模后，風(fēng)電的隨機性和不可預(yù)測性會給傳統(tǒng)的調(diào)度（發(fā)電）劃的安排和實施帶來問題。

我國東南沿海地區(qū)風(fēng)力資源豐富，隨大規(guī)模風(fēng)電場接入其所屬電網(wǎng)，首先將帶來電網(wǎng)的調(diào)節(jié)控制問題。風(fēng)電場的輸出功率曲線很重要，與風(fēng)的大小、方向都相關(guān)。各地區(qū)風(fēng)電場的輸出功率曲線會有差異，但對電網(wǎng)調(diào)節(jié)有利的特性情況較少見到，如輸出功率曲線與電網(wǎng)負荷特曲線性相近；而較多的情況是對電網(wǎng)不利的特性，如：①午夜時段輸出功率較高，而此時電網(wǎng)處在低谷時段。午后時段輸出功率很低，而此時電網(wǎng)處在高峰時段。②最高、最低出輸出功率差一般較大，可能在50%以上。③基本無調(diào)節(jié)能力，且其功率呈頻繁波動狀態(tài)。這樣，其輸出功率特性對電網(wǎng)負荷曲線在非高峰時段成為“反調(diào)節(jié)”性質(zhì)，即增加了電網(wǎng)的峰谷差，加大了對電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻能力的要求，從而增加了電網(wǎng)調(diào)節(jié)控制的難度。

電網(wǎng)狀況也不樂觀。①沿海各大區(qū)域電網(wǎng)(如華東、南方等)均屬千萬kW級或億kW級，按理接納目前規(guī)模的風(fēng)電應(yīng)無問題，但實際電網(wǎng)雖名為“統(tǒng)一調(diào)度”、而從調(diào)節(jié)控制角度而言更多的是“互聯(lián)”性質(zhì)，即屬分塊(地區(qū))控制性質(zhì)：系統(tǒng)的調(diào)峰及頻率調(diào)節(jié)控制按統(tǒng)一規(guī)則將任務(wù)分配到塊(地區(qū))、考核到塊(地區(qū))；考核一般又與經(jīng)濟利益掛鉤。這樣，具有地區(qū)性質(zhì)的風(fēng)電場的接入將由該塊(地區(qū))電網(wǎng)承接、消化。②地區(qū)電網(wǎng)的承接能力決定于該電網(wǎng)的具體情況，對以火電比重較大的電網(wǎng)如上海、山東等，調(diào)節(jié)能力差，承接能力就較小。對大受端的上海電網(wǎng)而言，因多種原因今后接受區(qū)外來電的比重將越來越大，如25%及以上；一般區(qū)外來電的調(diào)節(jié)性能又較差；更增加了電網(wǎng)調(diào)節(jié)控制的難度。③大城市國際化的步伐加快使地區(qū)負荷特性向負荷率更低、峰谷差更擴大發(fā)展。作為“反調(diào)節(jié)”的風(fēng)電場更增加了對電網(wǎng)的調(diào)節(jié)控制的壓力。

風(fēng)電場高峰輸出功率替代了電網(wǎng)常規(guī)能源機組，但因其“反調(diào)節(jié)”性質(zhì)而使非高峰時段特別是低谷時段增加了對電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力的要求。于是，電網(wǎng)原有調(diào)峰能力的余額，即調(diào)峰能力扣除負荷峰谷差后的裕量部分(特別在夏季)、其非高峰時段的電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力余額，成為約束，決定了電網(wǎng)允許接入的最大“綜合風(fēng)電場容量”。

2、風(fēng)電接入對電網(wǎng)電壓的影響

由于風(fēng)速為隨機變化的量，使得風(fēng)電場的輸出功率具有波動性，風(fēng)電機組的頻繁啟停、切換，產(chǎn)生電壓的波動、閃變，從而將影響局部電網(wǎng)的電能質(zhì)量；風(fēng)電場大量采用電子器件，給電網(wǎng)帶來諧波，如并聯(lián)電容與電抗元件發(fā)生諧振會放大諧波效應(yīng)。必須重視和計算分析風(fēng)電場造成局部電網(wǎng)的電壓波動、閃變和諧波污染問題。目前，由于風(fēng)電場的規(guī)模較小，如上海、南澳電網(wǎng)等，大都在3%及以下，還不能構(gòu)成重大影響。但隨規(guī)模的擴大，如在10%及以上時，通過對風(fēng)電場在不同運行工況下的系統(tǒng)仿真計算，表明電壓波動和閃變等可能超出國家有關(guān)標準。

風(fēng)力發(fā)電機如采用異步發(fā)電機，在運行時需要從系統(tǒng)吸收無功功率來建立磁場，從而使局部電網(wǎng)的電壓水平有明顯的下降。風(fēng)電場的無功需求使負荷特性的極限功率減少,降低了靜態(tài)電壓穩(wěn)定性。由于風(fēng)電場大多采用異步發(fā)電機,變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)在向電網(wǎng)注入功率的同時需要從電網(wǎng)吸收大量的無功功率,風(fēng)電場的無功仍可看作是一個正的無功負荷,因此風(fēng)電場可能引起電壓穩(wěn)定性降低或電壓崩潰現(xiàn)象。但只要系統(tǒng)的無功供給足夠多,則整體上可以認為風(fēng)電場的并網(wǎng)增強了系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性。隨著接入風(fēng)電容量的增大，風(fēng)電場從系統(tǒng)中吸收的無功功率逐漸增大，如果系統(tǒng)不能提供充足的無功，網(wǎng)內(nèi)相關(guān)節(jié)點電壓會逐漸降低。在電網(wǎng)規(guī)劃沒有與風(fēng)電規(guī)劃協(xié)調(diào)發(fā)展時，往往電網(wǎng)接納風(fēng)電的能力不能適應(yīng)風(fēng)電規(guī)劃的發(fā)展，接入的風(fēng)電場容量受到電網(wǎng)自身條件的限制。

3、風(fēng)電接入對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)通常接入電網(wǎng)的末端，改變了配電網(wǎng)功率單向流動的特點，使潮流流向和分布發(fā)生改變，這在原有電網(wǎng)的規(guī)劃和設(shè)計時是沒有預(yù)先考慮的。當(dāng)風(fēng)電注入功率增大時，風(fēng)電場附近局部電網(wǎng)的電壓和聯(lián)絡(luò)線功率可能會超出安全范圍，嚴重時會導(dǎo)致電壓崩潰。

在異步發(fā)電機并網(wǎng)系統(tǒng)中，風(fēng)電系統(tǒng)在向電網(wǎng)注入功率的同時需要從電網(wǎng)吸收大量的無功功率。因此，為了補償風(fēng)電場的無功功率，每臺風(fēng)力發(fā)電機都配有功率因數(shù)校正裝置，目前常用的是分組投切的并聯(lián)電容器。電容器的無功補償量的大小與接人點電壓的平方成正比，當(dāng)系統(tǒng)電壓水平較低時，并聯(lián)電容器的無功補償量迅速下降，導(dǎo)致風(fēng)電場對電網(wǎng)的無功需求上升，進一步惡化電壓水平，嚴重時會造成電壓崩潰。

由于異步發(fā)電機的功率恢復(fù)特性，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生短路故障時，若故障排除不及時，也將容易導(dǎo)致暫態(tài)電壓失穩(wěn)。另外，隨著風(fēng)電場規(guī)模的不斷擴大，風(fēng)電場在系統(tǒng)中所占的比例不斷增加，風(fēng)電輸出的不穩(wěn)定性對電網(wǎng)的功率沖擊效應(yīng)也不斷增大，對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響就更加顯著，嚴重情況下將會使系統(tǒng)失去動態(tài)穩(wěn)定性，導(dǎo)致整個系統(tǒng)的瓦解。

4、對電能質(zhì)量的影響

隨著越來越多的風(fēng)電機組并網(wǎng)運行,風(fēng)力發(fā)電對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響引起了廣泛關(guān)注。風(fēng)資源的不確定性和風(fēng)電機組本身的運行特性使風(fēng)電機組的輸出功率呈波動性,可能會影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量,如電壓偏差、電壓波動和閃變、諧波等。

風(fēng)力發(fā)電機組大多采用軟并網(wǎng)方式,但是在啟動時仍然會產(chǎn)生較大的沖擊電流。當(dāng)風(fēng)速超過切出風(fēng)速時,風(fēng)機會從額定出力狀態(tài)自動退出運行。如果整個風(fēng)電場所有風(fēng)機幾乎同時動作,這種沖擊對配電網(wǎng)的影響十分明顯。不但如此,風(fēng)速的變化和風(fēng)機的塔影效應(yīng)都會導(dǎo)致風(fēng)機出力的波動,而其波動正好處在能夠產(chǎn)生電壓閃變的頻率范圍內(nèi),因此風(fēng)機在正常運行時也會給電網(wǎng)帶來閃變問題。目前,電壓波動和閃變是風(fēng)力發(fā)電對電網(wǎng)電能質(zhì)量的主要負面影響之一。

風(fēng)電給系統(tǒng)帶來諧波的途徑主要有兩種：一種是風(fēng)力發(fā)電機本身配備的電力電子裝置,可能帶來諧波問題。另一種是風(fēng)力發(fā)電機的并聯(lián)補償電容器可能和線路電抗發(fā)生諧振,在實際運行中,曾經(jīng)觀測到在風(fēng)電場出口變壓器的低壓側(cè)產(chǎn)生大量諧波的現(xiàn)象。

5、風(fēng)電接入對繼電保護的影響

為了減少風(fēng)電機組的頻繁投切對接觸器的損害，在有風(fēng)期間風(fēng)電機組都保持與電網(wǎng)相連，當(dāng)風(fēng)速在起動風(fēng)速附近變化時，允許風(fēng)電機組短時間電動機運行，因此風(fēng)電場與電網(wǎng)之間聯(lián)絡(luò)線的功率流向有時是雙向的。所以，風(fēng)電場繼電保護裝置的配置和整定應(yīng)充分考慮到這種運行方式。盡管風(fēng)力發(fā)電提供的故障電流非常有限，但有可能影響現(xiàn)有配電網(wǎng)絡(luò)保護裝置的正確運行，這在最初的配電網(wǎng)保護配置和整定時是沒有考慮到的。

6、風(fēng)電接入對電力系統(tǒng)運行成本的影響

風(fēng)力發(fā)電的運行成本很低，與火電機組相比可以忽略不計。但是，風(fēng)力發(fā)電是一種間歇性能源，風(fēng)電場的功率輸出具有很強的隨機性，目前的預(yù)報水平還不能滿足電力系統(tǒng)實際運行的需要，在做運行計劃時風(fēng)電是作為未知因素考慮的。為了保證風(fēng)電并網(wǎng)以后系統(tǒng)運行的可靠性，因此需要在原來運行方式的基礎(chǔ)上，額外安排一定容量的旋轉(zhuǎn)備用以響應(yīng)風(fēng)電場發(fā)電功率的隨機波動，維持電力系統(tǒng)的功率平衡與穩(wěn)定?？梢婏L(fēng)電并網(wǎng)對整個電力系統(tǒng)具有雙重影響：一方面分擔(dān)了傳統(tǒng)機組的部分負荷，降低了電力系統(tǒng)的燃料成本；另一方面又增加了電力系統(tǒng)的可靠性成本。

三、小結(jié)

根據(jù)風(fēng)電場的運行經(jīng)驗，大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)帶來的主要問題：一是風(fēng)速的波動性和隨機性引起風(fēng)電場出力隨時間變化而導(dǎo)致的安全隱患；二是薄弱系統(tǒng)的穩(wěn)定性與電能質(zhì)量問題。由于風(fēng)能資源有著間歇性和隨機性的特點，因此大規(guī)模的風(fēng)電并入電網(wǎng)將對電網(wǎng)的規(guī)劃建設(shè)、運行調(diào)度、分析控制、經(jīng)濟運行和電能質(zhì)量等產(chǎn)生一定的影響。

為保證電網(wǎng)、風(fēng)電場的安全，必要時應(yīng)該控制風(fēng)電場接入系統(tǒng)的容量。國內(nèi)外學(xué)者和工程技術(shù)人員通常采用以下2個指標來表征電網(wǎng)可承受的風(fēng)電場并網(wǎng)容量：（1）風(fēng)電穿透功率極限；（2）風(fēng)電場短路容量比。適當(dāng)提高電容器的補償容量，有助于提高風(fēng)電系統(tǒng)短路故障后的穩(wěn)定性，進一步可以選擇安裝動態(tài)無功補償裝置來提供動態(tài)的電壓支撐，改善系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。限制接入一個點的風(fēng)電容量，這樣就可以在該點發(fā)生故障時，盡量降低其對其它風(fēng)電場的影響，即采取“分散接入”的原則。在做好風(fēng)電規(guī)劃的基礎(chǔ)上引入合適的新技術(shù),如輕型直流輸電,儲能裝置來減少對日益增長的風(fēng)電規(guī)模給電網(wǎng)帶來的影響。另外，為了降低風(fēng)電接入對電網(wǎng)調(diào)度的影響及對備用容量的要求，進行風(fēng)電功率預(yù)測十分必要和迫切。

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