大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的影響及抑制措施研究

許睿超,羅衛(wèi)華

（遼寧省電力有限公司,遼寧 沈陽(yáng) 110006）

風(fēng)電并網(wǎng)發(fā)電是目前中國(guó)極具發(fā)展可能和前景的新能源發(fā)電。從2003年到2008年,中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量快速增長(zhǎng),累計(jì)裝機(jī)容量從2003年末的56.7萬(wàn)kW增加到2008年末的1 324.22萬(wàn)kW,增加了22.3倍;年新增裝機(jī)容量從2003年的9.8萬(wàn)kW增加到2008年的719.02萬(wàn)kW,增加了72.4倍。在2010年,中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量已超過(guò)3 000萬(wàn)kW,提前10年完成了我國(guó)此前規(guī)劃的2020年風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)3 000萬(wàn)kW的目標(biāo)。今后中國(guó)平均每年將新增約2 500萬(wàn)kW風(fēng)電裝機(jī),5年后風(fēng)電裝機(jī)將達(dá)到1.35億kW,20年后可達(dá)到5.13億kW。

預(yù)計(jì)在2010年底,遼寧電網(wǎng)的風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到340萬(wàn)kW,2015年風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到787萬(wàn)kW。

風(fēng)能發(fā)電具有不穩(wěn)定性和間歇性的特點(diǎn),增加了風(fēng)電在電壓、頻率及相位控制上的難度,如果風(fēng)電的比重超過(guò)整個(gè)電網(wǎng)的10%,將對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行及電能質(zhì)量產(chǎn)生不利的影響。同時(shí),我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)的單機(jī)容量一般較小,且850 kW以下的風(fēng)電機(jī)組絕大多數(shù)是異步發(fā)電機(jī)組,需要系統(tǒng)提供無(wú)功支持。因此,提高風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電的穩(wěn)定性,抑制風(fēng)電引起的電壓波動(dòng)與閃變是風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行中的重要問(wèn)題。

目前,減小風(fēng)能發(fā)電對(duì)電網(wǎng)的不利影響,主要采用的措施是提高風(fēng)電功率預(yù)測(cè)精度。雖然,國(guó)內(nèi)外已有一些風(fēng)電功率預(yù)測(cè)模型和方法[1-2,7],但至今還沒(méi)有準(zhǔn)確實(shí)用的方法,許多模型需要利用全球的數(shù)據(jù)來(lái)支撐預(yù)測(cè)精度[3],這牽涉到多方面的利益。同時(shí),電網(wǎng)的調(diào)度員需要投入更多的精力,做更為細(xì)致的工作,對(duì)各類電源出力、備用安排精確到分鐘級(jí)乃至秒級(jí),并準(zhǔn)備多項(xiàng)應(yīng)急預(yù)案,盡最大努力消除風(fēng)電的不確定性對(duì)電網(wǎng)的影響,這無(wú)疑加大了調(diào)度員的工作強(qiáng)度,實(shí)現(xiàn)難度很大。

本文針對(duì)遼寧電網(wǎng)風(fēng)電并網(wǎng)的實(shí)際情況,提出了強(qiáng)化風(fēng)電并網(wǎng)的調(diào)度及技術(shù)要求：加強(qiáng)風(fēng)機(jī)的低電壓穿越能力,要求風(fēng)機(jī)能按調(diào)度令增減出力,風(fēng)機(jī)都能夠發(fā)出或吸收無(wú)功功率,風(fēng)電場(chǎng)能根據(jù)系統(tǒng)頻率變化自動(dòng)調(diào)節(jié)功率輸出和具備黑啟動(dòng)能力。同時(shí)提出提高風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電的穩(wěn)定性最好的方法是采用儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行能量?jī)?chǔ)存,使風(fēng)力發(fā)電廠在無(wú)風(fēng)、少風(fēng)的狀態(tài)下仍能正常工作,可以提供持續(xù)穩(wěn)定的電能。

圖1 遼寧某風(fēng)電場(chǎng)日負(fù)荷曲線

1 風(fēng)能發(fā)電對(duì)遼寧電網(wǎng)的不利影響

由于風(fēng)電具有較大的隨機(jī)性和不可控性,屬于間歇性、不穩(wěn)定的波動(dòng)型電源。風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)一般安裝在50～70m高空,某風(fēng)電場(chǎng)兩天的風(fēng)機(jī)出力曲線如圖1所示。該風(fēng)機(jī)日最大功率出現(xiàn)在13：00～22：00,最小功率出現(xiàn)在1：00～7：00及23：00～24：00。

風(fēng)電的大規(guī)模集中并網(wǎng)將給遼寧電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)頻、聯(lián)絡(luò)線控制、系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定、無(wú)功調(diào)壓及電能質(zhì)量等諸多方面帶來(lái)直接影響,給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。

1.1 導(dǎo)致系統(tǒng)調(diào)峰難度增加

由于風(fēng)電運(yùn)行的不確定性,其功率波動(dòng)常會(huì)與用電負(fù)荷波動(dòng)趨勢(shì)相反,即在負(fù)荷高峰時(shí)段可能無(wú)風(fēng)可發(fā),而在負(fù)荷低谷時(shí)段又可能來(lái)大風(fēng)而需要滿發(fā)[4]。同時(shí)風(fēng)電機(jī)組功率由風(fēng)速?zèng)Q定,功率變化速率較快,從而還要求系統(tǒng)為之提供足夠快的調(diào)峰速率。因此,風(fēng)電的運(yùn)行相當(dāng)于產(chǎn)生了“削谷填峰”的反調(diào)峰效果,進(jìn)一步加大了電網(wǎng)的等效峰谷差,惡化了系統(tǒng)的負(fù)荷特性,擴(kuò)大了全網(wǎng)調(diào)峰的范圍,因此必須要在全網(wǎng)范圍內(nèi)統(tǒng)一留取充足的正向、負(fù)向旋轉(zhuǎn)備用容量。

1.2 影響系統(tǒng)頻率和省際聯(lián)絡(luò)線調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性

東北地區(qū)風(fēng)能的特點(diǎn)是能量足、變化快、時(shí)空分布不確定性強(qiáng),因此風(fēng)電運(yùn)行呈現(xiàn)功率瞬時(shí)突變的特征。從目前已并網(wǎng)的風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行特性來(lái)看,阜新、鐵嶺、大連等地區(qū)的風(fēng)電場(chǎng)出力經(jīng)常在數(shù)分鐘之內(nèi)就產(chǎn)生100～250 MW的升降,造成系統(tǒng)的頻率突變和省際聯(lián)絡(luò)線功率產(chǎn)生較大偏差。風(fēng)電機(jī)組本身對(duì)于系統(tǒng)頻率的跟蹤調(diào)節(jié)能力十分有限,風(fēng)電機(jī)組本身的穩(wěn)定運(yùn)行狀況反過(guò)來(lái)又會(huì)影響系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié),從而導(dǎo)致頻率特性的進(jìn)一步惡化。因此,對(duì)于大規(guī)模風(fēng)電功率波動(dòng)的控制還要有能夠滿足風(fēng)電場(chǎng)功率瞬時(shí)驟變的系統(tǒng)調(diào)峰速率。

1.3 導(dǎo)致潮流斷面重載增加并降低系統(tǒng)穩(wěn)定性

風(fēng)電場(chǎng)的地理位置基本上處于遠(yuǎn)離負(fù)荷中心的主網(wǎng)架末端,一般接入到網(wǎng)架結(jié)構(gòu)比較薄弱的配電網(wǎng)上,因此當(dāng)其大規(guī)模集中發(fā)電時(shí)可能造成上網(wǎng)點(diǎn)附近多個(gè)輸送斷面的潮流發(fā)生重載。同時(shí)由于風(fēng)電輸送的“電氣距離”相當(dāng)遠(yuǎn),大量運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組又使得系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變小,因此一定程度上減弱了系統(tǒng)對(duì)振蕩的阻尼作用,降低了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

1.4 增加系統(tǒng)無(wú)功調(diào)節(jié)難度且降低電網(wǎng)抵御故障的能力

風(fēng)電場(chǎng)在正常運(yùn)行時(shí)需要吸收大量的無(wú)功功率來(lái)建立旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),其無(wú)功需求一部分可通過(guò)自身的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備來(lái)提供,另外相當(dāng)一部分仍需從主網(wǎng)來(lái)吸收。因此大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)的集中運(yùn)行,必將提高從電網(wǎng)中吸收的無(wú)功功率,進(jìn)一步增加線路、變壓器等設(shè)備的損耗,降低系統(tǒng)的無(wú)功儲(chǔ)備度[5-6]。這就一方面要求需在風(fēng)電場(chǎng)附近的廠站合理配備一定容量的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備,另一方面則必須要提高系統(tǒng)的無(wú)功調(diào)節(jié)能力,從而增加了系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)和無(wú)功管理方面的難度。

同時(shí),由于風(fēng)電機(jī)組本身對(duì)電壓幾乎不具備任何調(diào)節(jié)能力,其低電壓保護(hù)的動(dòng)作限值一般僅設(shè)置到0.7～0.9倍的額定電壓,在母線電壓發(fā)生小幅的擾動(dòng)時(shí),風(fēng)電機(jī)組就會(huì)簡(jiǎn)單地切除以保護(hù)自身設(shè)備[8]。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生較嚴(yán)重的故障引發(fā)大面積電壓跌落時(shí),集中運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組又會(huì)瞬時(shí)成批地解列,造成惡劣的連鎖反應(yīng)和對(duì)系統(tǒng)的二次沖擊,甚至可能會(huì)誘發(fā)系統(tǒng)振蕩和電壓崩潰。因此風(fēng)電的大規(guī)模集中并網(wǎng)運(yùn)行,會(huì)進(jìn)一步降低電網(wǎng)對(duì)故障的抵御能力,對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定控制提出了更高的要求。

實(shí)際上,對(duì)于風(fēng)電的間隙性和隨機(jī)性特點(diǎn),歐美國(guó)家的電網(wǎng)企業(yè)從抵制到接納也經(jīng)歷了一個(gè)較長(zhǎng)的過(guò)程。隨著風(fēng)電并網(wǎng)容量不斷增大,各國(guó)電網(wǎng)企業(yè)都針對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)制定了技術(shù)要求。本文針對(duì)遼寧電網(wǎng)風(fēng)電接入的實(shí)際情況,提出以下措施減少不利影響。

2 抑制風(fēng)電并網(wǎng)不利影響的措施

2.1 加強(qiáng)風(fēng)機(jī)的低電壓穿越能力

風(fēng)機(jī)的穿越故障能力即在系統(tǒng)發(fā)生事故、電壓水平降低的情況下,風(fēng)電場(chǎng)依然能夠聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行,以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。如德國(guó)最大的電力公司意昂電力公司規(guī)定,風(fēng)電機(jī)應(yīng)能承受的故障電壓下降到零,持續(xù)時(shí)間150 ms,電壓恢復(fù)時(shí)間1 500ms;北美電力可靠性委員會(huì)規(guī)定,對(duì)于裝機(jī)2萬(wàn)kW以上的風(fēng)電場(chǎng),風(fēng)機(jī)承受的故障電壓為15%,持續(xù)時(shí)間625 ms,恢復(fù)時(shí)間3 000 ms,同時(shí)準(zhǔn)備提出更高的要求,即故障電壓為零時(shí)持續(xù)時(shí)間167 ms。

2.2 風(fēng)機(jī)能按調(diào)度令增減出力

要求風(fēng)電場(chǎng)出力變化速度低于一定限值,在極限風(fēng)速條件下同一風(fēng)場(chǎng)風(fēng)機(jī)不能同時(shí)退出運(yùn)行,以保證常規(guī)機(jī)組有足夠反應(yīng)時(shí)間。

2.3 風(fēng)機(jī)能夠發(fā)出或吸收無(wú)功功率

要求所有風(fēng)機(jī)都能夠發(fā)出或吸收無(wú)功功率,為系統(tǒng)穩(wěn)定提供無(wú)功功率支持,適應(yīng)電網(wǎng)電壓的變化。

2.4 能根據(jù)系統(tǒng)頻率變化自動(dòng)調(diào)節(jié)功率輸出

要求風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際出力水平下調(diào)一定百分點(diǎn),以便于有一定有功備用參加一次調(diào)頻。為防止突發(fā)的擾動(dòng),要求加強(qiáng)電網(wǎng)可調(diào)用儲(chǔ)備容量,德國(guó)要求一級(jí)儲(chǔ)備容量響應(yīng)時(shí)間最高30 s;二級(jí)臨時(shí)儲(chǔ)備容量響應(yīng)時(shí)間5 min;分鐘臨時(shí)儲(chǔ)備容量響應(yīng)時(shí)間5～15min。

2.5 具備黑啟動(dòng)能力

歐美國(guó)家電網(wǎng)企業(yè)一般要求大型風(fēng)電場(chǎng)具備這一功能。

要實(shí)現(xiàn)以上這些技術(shù)要求,提高風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電的穩(wěn)定性,最好的方法是采用儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行能量?jī)?chǔ)存,使風(fēng)力發(fā)電廠在無(wú)風(fēng)、少風(fēng)的狀態(tài)下仍能正常工作,可以提供持續(xù)穩(wěn)定的電能。

3 儲(chǔ)能系統(tǒng)在風(fēng)電場(chǎng)中的應(yīng)用

采用儲(chǔ)能系統(tǒng)可以控制風(fēng)力發(fā)電輸出的有功功率,不僅可用于電力調(diào)峰,使風(fēng)力發(fā)電單元作為調(diào)度機(jī)組單元運(yùn)行,而且具備向電力系統(tǒng)提供頻率控制、快速功率響應(yīng)等輔助服務(wù)的能力。

3.1 儲(chǔ)能技術(shù)比較

a.抽水蓄能。目前,全世界共有超過(guò)90GW的抽水蓄能機(jī)組投入運(yùn)行,我國(guó)也有成功運(yùn)行的抽水蓄能電站。抽水蓄能電站的最大特點(diǎn)是儲(chǔ)存能量非常大,因此非常適合于電力系統(tǒng)調(diào)峰和做備用電源的長(zhǎng)時(shí)間場(chǎng)合。從技術(shù)層面講,抽水蓄能電站的關(guān)鍵在于如何實(shí)現(xiàn)電能與高水位勢(shì)能間的快速轉(zhuǎn)換,抽水蓄能機(jī)組的設(shè)計(jì)和制造是關(guān)鍵,這種方式的缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)化效率不是很高（約為80%）,并且受地域限制。

b.先進(jìn)電池儲(chǔ)能。近年來(lái),新型的蓄電池相繼開(kāi)發(fā)成功,并在電力系統(tǒng)中得到應(yīng)用。英國(guó)正在用PSB電池建設(shè)一座15 MW/120 ME?h的儲(chǔ)能電站,其凈效率約為75%。日本采用NaS技術(shù)的儲(chǔ)能示范工程有30多處,總儲(chǔ)能容量超過(guò)20 MW,可用于8 h的日負(fù)荷調(diào)節(jié)。NaS電池具有較高的儲(chǔ)能效率,還具有輸出脈沖功率的能力,輸出的脈沖功率可在30 s內(nèi)達(dá)到連續(xù)額定功率值的6倍,使NaS電池可以同時(shí)用于電能質(zhì)量調(diào)節(jié)和負(fù)荷的削峰填谷調(diào)節(jié)兩種目的。

c.飛輪儲(chǔ)能。大多數(shù)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)是由一個(gè)圓柱形旋轉(zhuǎn)質(zhì)量塊和通過(guò)磁懸浮軸承支撐的機(jī)構(gòu)組成,飛輪系統(tǒng)運(yùn)行于真空度較高的環(huán)境中,飛輪與電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)相連,其特點(diǎn)是沒(méi)有摩擦損耗、風(fēng)阻小、壽命長(zhǎng)、對(duì)環(huán)境沒(méi)有影響,幾乎不需要維護(hù)。飛輪具有優(yōu)異的循環(huán)使用以及負(fù)荷跟蹤性能,它可以用于那些在時(shí)間和容量方面介于短時(shí)儲(chǔ)能應(yīng)用和長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)能應(yīng)用之間的應(yīng)用場(chǎng)合。

d.超導(dǎo)磁儲(chǔ)能。超導(dǎo)磁儲(chǔ)能由于具有快速電磁響應(yīng)特性和很高的儲(chǔ)能效率。超導(dǎo)磁儲(chǔ)能在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用包括負(fù)荷均衡、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、頻率調(diào)整、輸電能力提高以及電能質(zhì)量改善等。目前超導(dǎo)磁儲(chǔ)能仍很昂貴,除了超導(dǎo)本身的費(fèi)用外,維持低溫所需要的費(fèi)用也相當(dāng)可觀。超導(dǎo)磁儲(chǔ)能工程正在進(jìn)行或處于研制階段。

e.超級(jí)電容器儲(chǔ)能。與常規(guī)電容器相比,超級(jí)電容器具有更高的介電常數(shù)、更大的表面積或更高的耐壓能力。目前,超級(jí)電容器大多用于高峰值功率、低容量的場(chǎng)合。

f.壓縮空氣儲(chǔ)能。壓縮空氣儲(chǔ)能相當(dāng)于一種調(diào)峰用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠,對(duì)于同樣的輸出,它消耗的燃?xì)庖瘸Ｒ?guī)燃?xì)廨啓C(jī)少40%,它可以利用電網(wǎng)負(fù)荷低谷時(shí)的廉價(jià)電能預(yù)先壓縮空氣,然后根據(jù)需要釋放儲(chǔ)存的能量加上一些燃?xì)膺M(jìn)行發(fā)電。壓縮空氣常常儲(chǔ)存在合適的地下礦井或巖洞下的洞穴中。第一個(gè)投入商業(yè)運(yùn)行的壓縮空氣儲(chǔ)能是1978年建于德國(guó)Hundorf的1臺(tái)290 MW機(jī)組。目前美國(guó)GE公司正在開(kāi)發(fā)容量為829 MW的更為先進(jìn)的壓縮空氣儲(chǔ)能電站,此外,俄、法、意、盧森堡、以色列和我國(guó)也在積極開(kāi)發(fā)和建設(shè)這種電站,各類儲(chǔ)能技術(shù)比較如表1所示。

比較而言,遼寧電網(wǎng)可采用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。

3.2 儲(chǔ)能技術(shù)在電網(wǎng)調(diào)峰中的應(yīng)用

a.電池儲(chǔ)能系統(tǒng)

電池儲(chǔ)能（battery energy storage system, BESS）是柔性交流輸電技術(shù)中的一種,將BESS與風(fēng)力發(fā)電單元相結(jié)合,有利于減少風(fēng)電場(chǎng)輸出波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的影響,改善并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)的穩(wěn)定性問(wèn)題。BESS主要由蓄電池組、逆變器、控制裝置和變壓器組成,可等效成由變流器模型和電池的電化學(xué)等效電路兩部分,如圖2所示。

圖2中,R為變壓器電阻及線路電阻的等效電阻;L為變壓器漏電感及線路電感的等效電感;uS為系統(tǒng)側(cè)交流電壓;uR為換流側(cè)交流電壓,C為直流側(cè)的平波電容;UDC為直流側(cè)平波電容兩端電壓。

b.電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)峰效果

從圖3可知,采用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可以產(chǎn)生“填谷削峰”的調(diào)峰效果,減小電網(wǎng)的等效峰谷差,優(yōu)化了系統(tǒng)的負(fù)荷特性,擴(kuò)大了全網(wǎng)調(diào)峰的范圍。

4 結(jié)束語(yǔ)

風(fēng)能是最具發(fā)展前景的新能源,但風(fēng)能發(fā)電具有不穩(wěn)定性和間歇性的特點(diǎn),給電網(wǎng)穩(wěn)定帶來(lái)了問(wèn)題。本文針對(duì)遼寧電網(wǎng)風(fēng)電接入的實(shí)際情況,提出了強(qiáng)化風(fēng)電并網(wǎng)的調(diào)度及技術(shù)要求。同時(shí),提出了要提高風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電的穩(wěn)定性,最好的方法是在風(fēng)電場(chǎng)建立儲(chǔ)能系統(tǒng)。

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