大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)問題基本框架

袁小明

（華中科技大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

風(fēng)力發(fā)電作為目前最為經(jīng)濟(jì)和成熟的一種可再生能源發(fā)電技術(shù)，近10年來在世界各主要國家得到了迅速發(fā)展.歐美于2007年均提出至2030年風(fēng)電發(fā)電量滿足其20%電力需求的戰(zhàn)略目標(biāo)，總裝機(jī)容量將分別達(dá)到1.8，3.05億kW［1－2］.中國國家發(fā)展改革委員會(huì)與國際能源署聯(lián)合做出的首個(gè)風(fēng)電發(fā)展綜合規(guī)劃《中國風(fēng)電發(fā)展路線圖（2050）》也提出，至2020，2030，2050年中國風(fēng)電總裝機(jī)容量分別達(dá)到2，4，10億kW的目標(biāo).按照這個(gè)規(guī)劃，至2050年風(fēng)電發(fā)電量將可滿足中國17%的電力需求.至2010年底，國際風(fēng)電總裝機(jī)容量已達(dá)到1.7億kW，其中中國為4 400萬kW，超過美國的4 100萬kW，居于首位.

目前，風(fēng)機(jī)設(shè)備技術(shù)已趨于成熟、風(fēng)力發(fā)電成本已趨于合理.并網(wǎng)問題是風(fēng)電大規(guī)模發(fā)展的主要障礙，已引起國內(nèi)外工業(yè)界、學(xué)術(shù)界，以及政府部門的高度關(guān)注.據(jù)中國國家電監(jiān)會(huì)《風(fēng)電安全監(jiān)管報(bào)告（2011年）》稱，2010年中國風(fēng)電平均利用小時(shí)數(shù)為2 047h，2011年1－6月中國風(fēng)電平均利用小時(shí)數(shù)僅為1 252h.同時(shí)，2011年1－8月份，中國發(fā)生193起風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)事故，包括一次損失風(fēng)電出力50萬kW以上的脫網(wǎng)事故12起.歐美國家由于前期風(fēng)電開發(fā)靠近強(qiáng)電網(wǎng)，且風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)性能較好，矛盾相對(duì)較緩和.隨著遠(yuǎn)距離風(fēng)資源的逐步開發(fā)，如歐洲海上風(fēng)電、美國大平原地區(qū)風(fēng)電等，并網(wǎng)問題也已日趨嚴(yán)重［3］.

筆者將扼要討論大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)存在的基本問題，并提出解決這些問題的基本思路.

1 風(fēng)力發(fā)電與常規(guī)發(fā)電基本區(qū)別

風(fēng)電與常規(guī)發(fā)電相比存在2個(gè)方面的基本區(qū)別，即

1）在一次資源及靜態(tài)出力特性方面，常規(guī)發(fā)電的出力取決于煤、天然氣等可控的一次資源，因而是穩(wěn)定和確定的；風(fēng)電的出力取決于風(fēng)資源，因而是波動(dòng)的且預(yù)測(cè)結(jié)果存在不確定性；

2）在控制方式及動(dòng)態(tài)出力特性方面，常規(guī)發(fā)電趨于平抑并可穿越電網(wǎng)擾動(dòng)，因而具有致穩(wěn)性和抗擾性；部分風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不響應(yīng)且難以穿越電網(wǎng)擾動(dòng)，因而具有弱致穩(wěn)性和弱抗擾性.

2 大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)一般問題

1）供電充裕問題.

風(fēng)電靜態(tài)出力的波動(dòng)性和不確定性對(duì)電力系統(tǒng)維持充裕供電構(gòu)成了新的挑戰(zhàn).常規(guī)的電力系統(tǒng)也面臨由于負(fù)荷波動(dòng)以及機(jī)組停運(yùn)而引起的供電充裕問題.供電充裕性的保障是一個(gè)以負(fù)荷靜態(tài)特性為基礎(chǔ)、以靜態(tài)電力實(shí)時(shí)平衡為目標(biāo)的，包含負(fù)荷預(yù)測(cè)、電源及電網(wǎng)規(guī)劃以及電源運(yùn)行調(diào)度的復(fù)雜過程.根據(jù)負(fù)荷靜態(tài)特性的特征，規(guī)劃的電源通常包括3種類型：①在線快速響應(yīng)電源作為調(diào)頻電源（分鐘級(jí)）；②快速響應(yīng)電源如水電、燃?xì)獍l(fā)電等作為負(fù)荷跟蹤電源（小時(shí)級(jí)）；③慢速響應(yīng)電源如火電、核電等作為基荷電源（日級(jí)）.波動(dòng)性和不確定性的風(fēng)力發(fā)電大規(guī)模并網(wǎng)后，電力系統(tǒng)凈負(fù)荷（負(fù)荷減去風(fēng)電）靜態(tài)特性表現(xiàn)出新的特征，主要在于2個(gè)方面：①波動(dòng)速率和范圍增加；②波動(dòng)速率及范圍的不確定性增加.研究表明，風(fēng)電注入率較低時(shí)，這種特征將主要影響系統(tǒng)的負(fù)荷跟蹤電源需求（增加）；風(fēng)電注入率較高時(shí)，這種特征將進(jìn)一步影響系統(tǒng)的基荷電源需求（降低），并使得各種類型常規(guī)電源的載荷水平趨于降低、起停趨于頻繁.因此，大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)中常規(guī)發(fā)電靜態(tài)出力特性的靈活性提出了更高的要求.

2）運(yùn)行穩(wěn)定問題.

風(fēng)電動(dòng)態(tài)出力特性的弱致穩(wěn)性和弱抗擾性對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定也構(gòu)成了新的挑戰(zhàn).常規(guī)電力系統(tǒng)同樣面臨著在小擾動(dòng)和大擾動(dòng)作用下的運(yùn)行穩(wěn)定問題，其運(yùn)行穩(wěn)定性的保障是一個(gè)以負(fù)荷動(dòng)態(tài)特性為基礎(chǔ)、以動(dòng)態(tài)電力實(shí)時(shí)平衡為目標(biāo)的，包含擾動(dòng)辨識(shí)、電源動(dòng)態(tài)特性設(shè)計(jì)，以及系統(tǒng)安全防御控制的復(fù)雜過程.根據(jù)負(fù)荷動(dòng)態(tài)特性的特征，電源動(dòng)態(tài)特性設(shè)計(jì)主要包括3個(gè)方面：①動(dòng)態(tài)有功出力響應(yīng)趨于平抑相位擾動(dòng)；②動(dòng)態(tài)有功出力響應(yīng)趨于平抑頻率擾動(dòng)；③動(dòng)態(tài)無功出力響應(yīng)趨于平抑電壓擾動(dòng).弱致穩(wěn)性和弱抗擾性的風(fēng)力發(fā)電大規(guī)模并網(wǎng)后，系統(tǒng)中電源的總體動(dòng)態(tài)特性表現(xiàn)出新的特征，主要在于3個(gè)方面：①動(dòng)態(tài)有功出力響應(yīng)平抑相位擾動(dòng)的能力趨于減弱；②動(dòng)態(tài)有功出力響應(yīng)平抑頻率擾動(dòng)的能力趨于減弱；③動(dòng)態(tài)無功出力響應(yīng)平抑電壓擾動(dòng)的能力趨于減弱.研究表明，風(fēng)電注入率較低時(shí)，這種特征將主要影響風(fēng)電本地的電壓水平；風(fēng)電注入率較高時(shí)，這種特征將進(jìn)一步影響系統(tǒng)功角及頻率穩(wěn)定.因此，大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)風(fēng)電動(dòng)態(tài)出力特性的致穩(wěn)性和抗擾性提出了新的要求［4］.

3 供電充裕與運(yùn)行穩(wěn)定問題相互關(guān)系

由上所述，供電充裕問題與由一次資源所決定的風(fēng)電靜態(tài)出力特性有關(guān)，時(shí)間尺度為分鐘級(jí)或以上；而運(yùn)行穩(wěn)定問題與由設(shè)備控制方式所決定的風(fēng)電動(dòng)態(tài)出力特性有關(guān)，時(shí)間尺度為秒級(jí)或以下.供電充裕問題表現(xiàn)為靜態(tài)出力調(diào)節(jié)問題，調(diào)節(jié)目標(biāo)為靜態(tài)功率的實(shí)時(shí)平衡；運(yùn)行穩(wěn)定問題表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)出力的控制問題，控制目標(biāo)為動(dòng)態(tài)功率的實(shí)時(shí)平衡.風(fēng)電靜態(tài)出力調(diào)節(jié)特性決定了系統(tǒng)的潮流及運(yùn)行工作點(diǎn)，進(jìn)而影響了電源的動(dòng)態(tài)特性及系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性；而風(fēng)電動(dòng)態(tài)出力控制特性決定了系統(tǒng)的穩(wěn)定域，進(jìn)而形成了對(duì)系統(tǒng)潮流及運(yùn)行工作點(diǎn)的約束，如圖1所示.

圖1 供電充裕問題與運(yùn)行穩(wěn)定問題的相互關(guān)系Figure 1 Relationships between power supply adequate and operation stability

由此可見，風(fēng)電設(shè)備控制方式是影響運(yùn)行穩(wěn)定問題的直接的第1位因素，而風(fēng)電出力的波動(dòng)是影響運(yùn)行穩(wěn)定問題的間接的第2位因素.同時(shí)，風(fēng)電出力的波動(dòng)是影響供電充裕問題的直接的第1位因素，而風(fēng)電設(shè)備控制方式是影響供電充裕問題的間接的第2位因素.即使風(fēng)電出力沒有波動(dòng)，系統(tǒng)仍面臨運(yùn)行穩(wěn)定問題的新的挑戰(zhàn).從另一角度看，即使風(fēng)電采用同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)，系統(tǒng)仍面臨供電充裕問題的新的挑戰(zhàn)，這一點(diǎn)是顯而易見的.

4 解決大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)問題基本思路

解決風(fēng)電并網(wǎng)問題的核心途徑主要在于2個(gè)方面：

1）規(guī)劃增加系統(tǒng)中常規(guī)發(fā)電靜態(tài)出力特性的靈活性，以應(yīng)對(duì)由風(fēng)電波動(dòng)性和不確定性引起的系統(tǒng)供電充裕性問題，這也是電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電適應(yīng)性的關(guān)鍵；

2）優(yōu)化風(fēng)電電源對(duì)電網(wǎng)擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)出力響應(yīng)特性，以應(yīng)對(duì)由風(fēng)電弱致穩(wěn)性和弱抗擾性引起的系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定問題，這是風(fēng)電對(duì)電網(wǎng)友好性的關(guān)鍵.

為應(yīng)對(duì)供電充裕性問題，還應(yīng)考慮：①風(fēng)電出力波動(dòng)及其不確定性預(yù)測(cè)及控制；②出力波動(dòng)及其不確定性對(duì)運(yùn)行調(diào)度方式的影響；③跨區(qū)域協(xié)調(diào)對(duì)風(fēng)電波動(dòng)性和不確定性的影響；④負(fù)荷（如電動(dòng)汽車）及其他可調(diào)度資源的應(yīng)用［6－7］.

同時(shí)，為應(yīng)對(duì)運(yùn)行穩(wěn)定性問題，還應(yīng)考慮：①電網(wǎng)故障的快速預(yù)測(cè)和辨識(shí)；②風(fēng)電弱致穩(wěn)性和弱抗擾性對(duì)系統(tǒng)安全防御控制的影響；③風(fēng)電機(jī)組間動(dòng)態(tài)特性耦合的影響；④常規(guī)發(fā)電動(dòng)態(tài)特性優(yōu)化及其他輔助致穩(wěn)資源的應(yīng)用［8］.

5 結(jié)語

風(fēng)電靜態(tài)出力特性的波動(dòng)性和不確定性對(duì)電力系統(tǒng)維持充裕供電構(gòu)成新的挑戰(zhàn)，同時(shí)，風(fēng)電動(dòng)態(tài)出力特性的弱致穩(wěn)性和弱抗擾性對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定也構(gòu)成新的挑戰(zhàn).波動(dòng)性和不確定性影響系統(tǒng)運(yùn)行工作點(diǎn)并進(jìn)而影響運(yùn)行穩(wěn)定性，同時(shí)，弱致穩(wěn)性和弱抗擾性影響系統(tǒng)穩(wěn)定域并進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)潮流形成約束，兩者都將限制風(fēng)電在電網(wǎng)中的注入水平.解決供電充裕問題的核心途徑在于提高常規(guī)電源靜態(tài)出力特性的靈活性，并需考慮跨區(qū)域資源的互補(bǔ).解決運(yùn)行穩(wěn)定問題的核心途徑在于優(yōu)化風(fēng)機(jī)或風(fēng)電場(chǎng)本身的動(dòng)態(tài)出力特性.

［1］U.S.Department of Energy（2008）.20%wind energy by 2030：Increasing wind energy's contribution to U.S.electricity supply［R］.Washington，DC，USA：National Renewable Energy Laboratory，2008.

［2］Arthouros Zervos，Christian Kjaer.Pure power：Wind energy scenarios up to 2030［R］.Brussel，Le Royaume de Belgique：European Wind Energy Association，2008.

［3］Ryan Wiser，Mark Bolinger.2010wind technologies market report［R］.San Francisco，CA，USA：Lawrence Berkeley National Laboratory，2011.

［4］袁小明.長線路弱電網(wǎng)情況下大型風(fēng)電場(chǎng)的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2007，2（7）：29－36.YUAN Xiao－ming.Integrating large wind farms into weak power grids with long transmission lines［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2007，22（7）：29－36.