風(fēng)電分散接入在農(nóng)村電網(wǎng)的應(yīng)用前景研究

文／吉林省電力公司智能電網(wǎng)辦公室 馮利民／

一、風(fēng)電大規(guī)模集中并網(wǎng)面臨消納難題

我國(guó)風(fēng)能資源集中地區(qū)電網(wǎng)薄弱、當(dāng)?shù)刎?fù)荷小，風(fēng)電并網(wǎng)主要采取大規(guī)模集中開(kāi)發(fā)、遠(yuǎn)距離輸送為主的模式。這與歐美國(guó)家主要以小規(guī)模分散式開(kāi)發(fā)、近距離輸送為主的開(kāi)發(fā)模式效果不同，盡管我國(guó)風(fēng)電發(fā)電量的比重僅為1%左右，遠(yuǎn)低于歐洲國(guó)家，但風(fēng)電限電常態(tài)化的趨勢(shì)逐步顯現(xiàn)，“三北”地區(qū)風(fēng)電發(fā)電利用小時(shí)數(shù)大幅度下降，風(fēng)電企業(yè)投資建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)濟(jì)性也因此大幅度下降，風(fēng)電發(fā)展面臨市場(chǎng)消納困局[1]。

已建風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)電消納問(wèn)題，可以通過(guò)增加本地消納能力、擴(kuò)大消納市場(chǎng)范圍的方式解決。對(duì)于規(guī)劃中的風(fēng)電場(chǎng)，其發(fā)展速度和建設(shè)地點(diǎn)的選擇必須和消納市場(chǎng)、電網(wǎng)接入條件、負(fù)荷發(fā)展規(guī)劃對(duì)應(yīng)起來(lái)。

近年來(lái)對(duì)分布式電源接入技術(shù)的研究表明，通過(guò)微網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)大量分布式電源的接入,可以保證對(duì)配電網(wǎng)的安全運(yùn)行產(chǎn)生盡可能小的影響，又能夠?qū)崿F(xiàn)分布式電源的“即插即用”，同時(shí)可以最大限度地利用可再生能源和清潔能源[2]。但是，單純的分布式接入方式由于只是改變了部分風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)地點(diǎn)，并未分流這些機(jī)組的出力，因而并不能增加風(fēng)電消納能力。針對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰困難而出現(xiàn)“棄風(fēng)”的現(xiàn)實(shí)困難，分布式接入方式也無(wú)能為力。

二、風(fēng)電分散接入農(nóng)村電網(wǎng)能釋放農(nóng)村用電需求

改進(jìn)農(nóng)村電力供應(yīng)是轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)發(fā)展方式的客觀要求。目前，城市化使得農(nóng)業(yè)的耕地資源減少，工業(yè)化使得農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力大量轉(zhuǎn)移，工業(yè)化和城市化又使得農(nóng)業(yè)和農(nóng)村資金流向城市和工業(yè)，造成農(nóng)業(yè)發(fā)展資源短缺，迫使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)由粗放經(jīng)營(yíng)向集約化經(jīng)營(yíng)轉(zhuǎn)變，由單一分散向產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)變，其直接結(jié)果是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率的提高和農(nóng)業(yè)就業(yè)人員的減少。這就要求農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)裝備得到改善，在較大的區(qū)域空間、較深的層次上實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要素的集約化組合。而清潔、方便的電力供應(yīng)則是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)裝備得到改善的前提條件。

但是，目前農(nóng)村電網(wǎng)供電能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上需求的發(fā)展。從以下幾個(gè)方面來(lái)看，有必要在農(nóng)村地區(qū)開(kāi)展基于風(fēng)電分散接入的供電模式變革，一方面保證農(nóng)村能源供給，服務(wù)農(nóng)業(yè)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變；另一方面也能顯著增加風(fēng)電消納能力。

（1）農(nóng)村配電網(wǎng)末端電壓低。以吉林省為例，截止2010年末，農(nóng)村配電網(wǎng)共有66千伏變電站474座，主變壓器820臺(tái)。部分農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)負(fù)荷低，相互距離遠(yuǎn)，輸變電損耗大，不滿足新建變電站的技術(shù)條件，因此目前尚有183個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)沒(méi)有66千伏變電站，占全省鄉(xiāng)鎮(zhèn)總數(shù)的24%，這些鄉(xiāng)鎮(zhèn)只能借助相鄰的變電站供電。由于鄉(xiāng)與鄉(xiāng)之間的距離過(guò)長(zhǎng)，往往超過(guò)10千伏線路的供電半徑，導(dǎo)致線路末端電壓過(guò)低。此外，吉林省農(nóng)村配電網(wǎng)普遍存在變電站無(wú)功補(bǔ)償容量不足的問(wèn)題：全省66千伏變電站無(wú)功補(bǔ)償容量總計(jì)只有169兆乏，占主變?nèi)萘康?.7%，達(dá)不到規(guī)定10%-30%的要求；10千伏線路無(wú)功補(bǔ)償量304.69兆乏，占配電容量的9.3%，0.4千伏低壓用戶無(wú)功補(bǔ)償量235.55兆乏，占用戶配電變壓器容量的5.1%，均達(dá)不到規(guī)定10%-15%的要求，無(wú)法確保農(nóng)村配電網(wǎng)末端電壓滿足要求。因此，吉林省農(nóng)村配電網(wǎng)“低電壓”問(wèn)題突出，隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展，農(nóng)村電網(wǎng)供電“卡脖子”現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重。

（2）農(nóng)村配電網(wǎng)供電能力不足。由于供電半徑過(guò)長(zhǎng)，末端供電能力受到極大影響，導(dǎo)致春灌季節(jié)部分農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)拉閘限電現(xiàn)象。同時(shí)，農(nóng)村配電網(wǎng)供電能力不足導(dǎo)致農(nóng)村較多使用柴油機(jī)進(jìn)行農(nóng)田灌溉，這種灌溉方式比起電動(dòng)機(jī)灌溉不僅成本高，并且產(chǎn)生大量二氧化碳、氮氧化物以及危害人體健康的碳煙顆粒。一方面電力大量富余，另一方面農(nóng)村電力負(fù)荷不能得到滿足，要緩解這種尷尬的矛盾，必須提高農(nóng)村配電網(wǎng)供電能力，提高電能在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的比重。

（3）大規(guī)模并網(wǎng)風(fēng)電消納困難。吉林省電力有限公司公布的數(shù)據(jù)顯示，2011年吉林省風(fēng)電的平均發(fā)電利用小時(shí)數(shù)為1591小時(shí)，比全國(guó)平均數(shù)低312小時(shí)。以白城地區(qū)為例，截至目前，白城風(fēng)電并網(wǎng)發(fā)電規(guī)模達(dá)210萬(wàn)千瓦，占整個(gè)吉林省305萬(wàn)千瓦風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)容量的近70%；在投產(chǎn)累計(jì)28座風(fēng)電場(chǎng)中，白城占了17 座。2011年，白城全年風(fēng)電產(chǎn)業(yè)完成工業(yè)總產(chǎn)值25億元。根據(jù)白城能源產(chǎn)業(yè)辦公室提供的數(shù)據(jù)，2011年，白城地區(qū)風(fēng)電發(fā)電量為26.92億千瓦時(shí)，棄風(fēng)電量為7.4億千瓦時(shí)，平均發(fā)電利用小時(shí)數(shù)1650小時(shí)，比風(fēng)電設(shè)計(jì)發(fā)電小時(shí)數(shù)少450小時(shí)[3]。風(fēng)電場(chǎng)虧損嚴(yán)重。

為緩解農(nóng)村配電網(wǎng)供電能力不足的問(wèn)題，過(guò)去多依靠電網(wǎng)延伸的方法:從大電網(wǎng)延伸到縣城再延伸到鄉(xiāng)村。由于傳輸線路長(zhǎng)，負(fù)荷小，線損大，末端電壓低且波動(dòng)幅度大，電能質(zhì)量得不到保證，同時(shí)投資大，效益低，電力企業(yè)不堪重負(fù)。目前，風(fēng)力發(fā)電的成本不斷降低而產(chǎn)品和系統(tǒng)的可靠性不斷提高。風(fēng)能村落獨(dú)立供電技術(shù)已經(jīng)在國(guó)外某些邊遠(yuǎn)地區(qū)得到應(yīng)用，一方面能保證無(wú)電地區(qū)的電能供應(yīng)，增加農(nóng)田灌溉和大棚保溫中電能的使用率，提高農(nóng)村電氣化水平；另一方面能極大改善邊遠(yuǎn)地區(qū)的電能質(zhì)量，有效緩解農(nóng)村電網(wǎng)“低電壓”問(wèn)題。

三、風(fēng)電分散接入農(nóng)村電網(wǎng)的技術(shù)難題

風(fēng)電分散接入技術(shù)是電力系統(tǒng)前沿研究領(lǐng)域之一，其經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、靈活等優(yōu)勢(shì)已得到各國(guó)廣泛重視，該技術(shù)在歐美一些國(guó)家已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。國(guó)外風(fēng)電發(fā)展主要是分散開(kāi)發(fā)，就近接入低壓配電網(wǎng)，就地消納。以德國(guó)為例，其風(fēng)電場(chǎng)主要是陸上風(fēng)電，均勻分布在全德境內(nèi)，就地分散接入110千伏以下配電網(wǎng)的風(fēng)機(jī)占總量比例超過(guò)70%，發(fā)出的電力直接供用戶使用。風(fēng)電的分布式接入技術(shù)在國(guó)外得到了充分發(fā)展，有大量的成熟技術(shù)可以借鑒。我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)總量已處世界首位，但風(fēng)電發(fā)展以大規(guī)模集中并網(wǎng)為主，風(fēng)電分散接入技術(shù)目前還處于起步階段，相關(guān)技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)顯得有些滯后。作為集中并網(wǎng)的補(bǔ)充，離網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)供電電源僅小范圍得到應(yīng)用，如偏遠(yuǎn)地區(qū)的戶用供電系統(tǒng)和村用供電系統(tǒng)、漁船上的供電系統(tǒng)、通訊站雷達(dá)站的獨(dú)立供電系統(tǒng)、景觀路燈照明等。

總體上來(lái)看，風(fēng)電分散接入在改善農(nóng)村電壓低、電能質(zhì)量差和提高農(nóng)村電力供應(yīng)能力的同時(shí)，還會(huì)對(duì)農(nóng)村配電網(wǎng)產(chǎn)生以下負(fù)面影響。

風(fēng)電分散接入對(duì)現(xiàn)有的配網(wǎng)繼電保護(hù)存在影響。其影響表現(xiàn)為：影響原有過(guò)電流保護(hù)的檢測(cè)電流和故障電流，導(dǎo)致其無(wú)法正常工作；分布式電源接入導(dǎo)致距離保護(hù)的保護(hù)范圍縮小并增加誤動(dòng)作的可能性；在配電網(wǎng)中引入逆向電流并影響電網(wǎng)電壓的分布特性；在配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，出現(xiàn)分布式電源繼續(xù)為部分負(fù)荷供電的孤島運(yùn)行現(xiàn)象，導(dǎo)致自動(dòng)重合閘失敗。

風(fēng)電分散接入配電網(wǎng)會(huì)對(duì)饋線的電壓分布產(chǎn)生重大影響。影響程度與分布式風(fēng)電的容量、接入位置有很大關(guān)系。等容量的分布式電源，散布在饋線比集中在同一位置對(duì)電壓的支撐作用要大。同時(shí)，分布式電源的接入還可能對(duì)原有控制設(shè)備產(chǎn)生影響(可能造成有載調(diào)壓變壓器和并聯(lián)電容器的動(dòng)作次數(shù)越界)，其關(guān)鍵在于分布式電源啟停的時(shí)間以及接入的容量。

風(fēng)電分散接入農(nóng)村配電網(wǎng)會(huì)產(chǎn)生電壓波動(dòng)和閃變。風(fēng)電輸出功率波動(dòng)大，間歇性、隨機(jī)性程度高，容易造成電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起閃變；為提高發(fā)電效率，很多機(jī)組采用最大功率追蹤控制，當(dāng)外界條件發(fā)生變化時(shí)，其輸出功率必然隨之變動(dòng)，從而引起電壓波動(dòng)；風(fēng)電機(jī)組的啟停，也會(huì)影響并網(wǎng)點(diǎn)電壓；分布式風(fēng)電接入10千伏配電網(wǎng)，由于接入點(diǎn)其短路容量相對(duì)較小，功率波動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的電壓變化。

風(fēng)電分散接入系統(tǒng)大多通過(guò)電力電子變流器，這會(huì)向系統(tǒng)注入諧波，影響電能質(zhì)量。影響大小與風(fēng)電機(jī)組的數(shù)量及接入位置有關(guān)。接入位置越接近線路末端，饋線沿線各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的電壓畸變?cè)絿?yán)重。

風(fēng)電分散接入對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行還會(huì)產(chǎn)生一些負(fù)面影響。風(fēng)電分散接入，使系統(tǒng)短路電流增大，可能超出線路設(shè)計(jì)熱穩(wěn)定容量及斷路器設(shè)計(jì)遮斷容量；風(fēng)力發(fā)電的間歇性給農(nóng)村配網(wǎng)發(fā)供平衡帶來(lái)困難；配網(wǎng)調(diào)度管理、潮流控制更加復(fù)雜；配電設(shè)施停電檢修安排困難；電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，風(fēng)電斷開(kāi)，造成事故惡化。

四、風(fēng)電分散接入在農(nóng)村電網(wǎng)的應(yīng)用前景展望

風(fēng)電分散接入農(nóng)村配電網(wǎng)，可以發(fā)展以下負(fù)荷，逐步取代傳統(tǒng)能源。

（1）“棄風(fēng)電量”采暖。在農(nóng)村居民聚居區(qū)內(nèi)建設(shè)蓄能電供暖裝置，“棄風(fēng)”時(shí)段將富余電力用來(lái)加熱供暖，熱量出售給供熱企業(yè)，既可以避免清潔風(fēng)能的浪費(fèi)，保證風(fēng)電企業(yè)多發(fā)電量，又可以提高農(nóng)村居民供熱質(zhì)量，同時(shí)還可以緩解電網(wǎng)調(diào)峰壓力。據(jù)估算，如果在吉林省有條件的地方都分散接入風(fēng)電機(jī)組，每年可節(jié)約“棄風(fēng)”電量12億千瓦時(shí)。

（2）農(nóng)業(yè)灌溉。按照吉林省增產(chǎn)百億斤糧食的規(guī)劃，白城市將增加200萬(wàn)畝的水田，水田總面積將達(dá)到400萬(wàn)畝。目前農(nóng)民多用柴油機(jī)抽水灌溉，如全改用農(nóng)灌電機(jī)井灌溉，則能新增用電3.6億千瓦時(shí)。

（3）提高日常生活中的用電比重。鼓勵(lì)農(nóng)村地區(qū)在城鎮(zhèn)采暖、家庭廚房、生活熱水、城市交通和城市亮化等方面用電。據(jù)測(cè)算，僅此一項(xiàng)，白城地區(qū)一年就地消納風(fēng)電量可達(dá)4.55億千瓦時(shí)。

總之，廣泛開(kāi)展風(fēng)電分散接入農(nóng)村電網(wǎng)，可以提高地區(qū)電壓合格率、充分利用“清潔能源”、節(jié)約農(nóng)村電網(wǎng)建設(shè)資金、降低線損電量、為農(nóng)村農(nóng)田（含大棚）灌溉提供電力。另外，還可以起到明顯的節(jié)能減排效果。

[1]汪寧渤，酒泉風(fēng)電消納困局怎破解[J]，能源評(píng)論，2012,45（9）：39-41.

[2]王成山，李鵬，分布式發(fā)電、微網(wǎng)與智能配電網(wǎng)的發(fā)展與挑戰(zhàn)[J]，電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2010,34（2）：10-14.

[3]牛秋梧，艾江濤，白城：在焦慮中等待[J]，能源評(píng)論，2012,45（9）：50-57.