風(fēng)電場接入長興電網(wǎng)的影響與措施

李衛(wèi)彬

（長興供電公司，上海 201913）

0 引言

在國家“十二·五”計(jì)劃開局之年，上海申能長興島風(fēng)力發(fā)電場于2011年1月18日11：30成功并網(wǎng)運(yùn)行。長興風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行，使正在邁向世界級(jí)海洋裝備工業(yè)港的長興島，對(duì)能源需求又有了新的來源。風(fēng)力發(fā)電既是國家能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，又對(duì)長興電網(wǎng)增加了很好的能源補(bǔ)充，具有很好的社會(huì)效益和環(huán)保效益，但同時(shí)也必須關(guān)注大容量風(fēng)力發(fā)電對(duì)長興電網(wǎng)可能造成的影響，應(yīng)采取必要的措施，確保電網(wǎng)安全運(yùn)行。

1 長興島發(fā)展風(fēng)能的必要性

1.1 長興電網(wǎng)的發(fā)展前景

根據(jù)上海市整體規(guī)劃，長興島定位為海洋裝備島，《長興島島域總體規(guī)劃》中提出了“一核、兩軸、五區(qū)”的島域空間發(fā)展格局。其中，現(xiàn)代船舶制造業(yè)的核心工業(yè)區(qū)為長興島島域總體規(guī)劃中的重點(diǎn)，現(xiàn)代船舶制造業(yè)的核心工業(yè)區(qū)包括：江南長興造船基地、中海船舶集團(tuán)、振華港機(jī)、上海港機(jī)、現(xiàn)代船舶制造業(yè)的配套工業(yè)區(qū)以及相對(duì)應(yīng)的生活園區(qū)。同時(shí)，滬—崇—蘇越江大通道的建設(shè)，給長興島帶來了巨大的發(fā)展機(jī)遇。長興島快速形成海洋裝備島的局勢，對(duì)安全、可靠、環(huán)保的能源需求，提出了更高的需求。

長興配電網(wǎng)的近期發(fā)展規(guī)劃是通過統(tǒng)一規(guī)劃、分步實(shí)施，逐步將長興電網(wǎng)建設(shè)成為電網(wǎng)結(jié)構(gòu)堅(jiān)強(qiáng)、供電能力充裕、裝備配置精良、運(yùn)行安全靈活、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)先進(jìn)、供電可靠性高的，與國際化大都市地位相適應(yīng)的現(xiàn)代化一流堅(jiān)強(qiáng)智能配電網(wǎng)。

“十一·五”期間，長興電網(wǎng)已經(jīng)完成長興站110kV至220kV的電網(wǎng)升級(jí)改造，分別于2009年6月和2010年2月完成長興至崇明以及長興至浦東的220kV聯(lián)網(wǎng)。35kV電網(wǎng)基本上采用放射型接線模式。220kV聯(lián)網(wǎng)工程已經(jīng)全面建成，至2010年長興島電網(wǎng)形成18萬kW負(fù)荷，年售電量達(dá)到9億kWh。目前，長興島110kV及以下電壓等級(jí)并網(wǎng)電廠為長興島第二發(fā)電廠，現(xiàn)有裝機(jī)容量為2×12MW。

從當(dāng)前長興電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、容量和長興海洋裝備島能源需求來看，存在較大的差距。加上海島地理位置的特殊性，如果島外來電故障（2009年曾發(fā)生過此類事故），島內(nèi)現(xiàn)有2臺(tái)12MW火力發(fā)電裝機(jī)容量只能維持日常照明用電，那將對(duì)整個(gè)長興裝備島的經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國防戰(zhàn)略造成無法估量的影響。原來設(shè)想在島上再建2臺(tái)350MW火力發(fā)電機(jī)組，也因燃料運(yùn)輸、價(jià)格及環(huán)境污染等問題，一直沒啟動(dòng)。因地制宜，開發(fā)新型能源，長興風(fēng)電的開發(fā)，為解決安全、可靠、環(huán)保的長興能源帶來了新的契機(jī)。

1.2 發(fā)展風(fēng)能的優(yōu)勢和地理?xiàng)l件

目前，上海電網(wǎng)本地主力電源均為火力發(fā)電方式，其中70%為燃煤機(jī)組，面臨環(huán)保壓力。針對(duì)上海位于東亞季風(fēng)盛行區(qū)，風(fēng)力資源豐富，在上海陸域岸線、沿海灘涂、島嶼岸線及部分近岸水域等風(fēng)資源豐富區(qū)開發(fā)風(fēng)力發(fā)電，是上海本地可再生新能源開發(fā)中的創(chuàng)新之舉。

長興島位于上海市東北角，被譽(yù)為綠色的翡翠，鑲嵌在萬里長江的入?？?。呈西北向東南延伸的帶狀形態(tài)，三面臨江、一面臨海，面積約160 km2，岸線長約60km，風(fēng)力資源豐富。在長興島西北部的青草沙，其東部水域被作為上海城市第二水源地，已于2010年建成70km2水庫，最終規(guī)?？晒?yīng)上海市超過1000萬人口飲用水。根據(jù)規(guī)劃，將在青草沙堤線和長興島北側(cè)實(shí)施青草沙風(fēng)力發(fā)電工程，青草沙風(fēng)電場擬布置單機(jī)容量1 500kW的風(fēng)機(jī)共92臺(tái)，總裝機(jī)容量為138MW。

2 發(fā)展風(fēng)電對(duì)長興電網(wǎng)及電能質(zhì)量的影響

目前，已并網(wǎng)運(yùn)行的上海申能長興島風(fēng)力發(fā)電場，采用變速并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組能獨(dú)立控制有功和無功，總裝機(jī)容量為20MW，僅占電網(wǎng)容量的10%左右，通過35kV電網(wǎng)接入長興樞紐站。由于接入強(qiáng)電網(wǎng)而且容量不大，對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量和運(yùn)行影響較小。不過，隨著以青草沙風(fēng)電場為標(biāo)志的大容量風(fēng)力發(fā)電開發(fā)建設(shè)，風(fēng)電場對(duì)長興電網(wǎng)的影響日益明顯，必須予以關(guān)注。

2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)過程對(duì)長興電網(wǎng)的沖擊

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與大電網(wǎng)并聯(lián)時(shí)，在合閘的瞬間，沖擊電流對(duì)發(fā)電機(jī)及電網(wǎng)系統(tǒng)安全運(yùn)行不會(huì)有太大影響。但在長興電網(wǎng)分網(wǎng)運(yùn)行或孤立運(yùn)行時(shí)，由于長興電網(wǎng)容量較?。▋H為正常方式的40%），風(fēng)電場并網(wǎng)瞬間會(huì)造成電網(wǎng)電壓的大幅度下跌，從而影響接在同一電網(wǎng)上的其他電器設(shè)備的正常運(yùn)行，甚至?xí)绊懙秸麄€(gè)電網(wǎng)的穩(wěn)定與安全運(yùn)行。雖然通過裝設(shè)軟啟動(dòng)裝置和風(fēng)機(jī)非同期并網(wǎng)削弱沖擊電流，仍會(huì)給電網(wǎng)帶來一定的諧波污染。因此，在接入電網(wǎng)的變電站內(nèi)，必須裝設(shè)諧波監(jiān)測裝置進(jìn)行跟蹤分析。

2.2 風(fēng)電場運(yùn)行對(duì)長興電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響

目前，長興風(fēng)電場采用的變速并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組能獨(dú)立控制有功和無功，可保持機(jī)端電壓的相對(duì)穩(wěn)定，在改善局部電網(wǎng)的電壓質(zhì)量和電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性方面有一定作用。但是，風(fēng)速變化、湍流以及風(fēng)力機(jī)尾流效應(yīng)造成的紊流，會(huì)引起風(fēng)電功率的波動(dòng)和風(fēng)電機(jī)組的頻繁啟停；風(fēng)機(jī)的桿塔遮蔽效應(yīng)使風(fēng)電機(jī)組輸出功率存在周期性的脈動(dòng)。功率的變化將會(huì)使電網(wǎng)頻率在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，影響電網(wǎng)中頻率敏感負(fù)荷的正常工作，同時(shí)引起電壓的變化，主要表現(xiàn)在電壓波動(dòng)、電壓閃變、電壓跌落以及周期性電壓脈動(dòng)等方面。此外，風(fēng)電機(jī)組中的電力電子控制裝置如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，也會(huì)向電網(wǎng)注入諧波電流，引起電壓波形的畸變，并可能引發(fā)由諧振帶來的潛在問題

2.3 風(fēng)電場運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)頻率的影響

當(dāng)風(fēng)電場容量在系統(tǒng)中所占的比例較大時(shí)，其輸出功率的隨機(jī)波動(dòng)性對(duì)電網(wǎng)頻率的影響會(huì)顯著增加，影響到電網(wǎng)的一些頻率敏感負(fù)荷的正常工作。目前，長興風(fēng)電場占系統(tǒng)總?cè)萘勘壤^低，頻率穩(wěn)定并不是電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行中的主要問題。

2.4 風(fēng)電場對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行計(jì)劃的影響

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(qiáng)的隨機(jī)性，目前的風(fēng)力預(yù)報(bào)水平還不能滿足電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的需要，在編制電網(wǎng)運(yùn)行計(jì)劃時(shí)風(fēng)電必須作為未知因素考慮。為了確保風(fēng)電并網(wǎng)以后系統(tǒng)可靠運(yùn)行，需要在原來運(yùn)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(jī)波動(dòng)，維持電力系統(tǒng)的功率平衡與穩(wěn)定，尤其是當(dāng)風(fēng)電場容量在系統(tǒng)中所占的比例較大時(shí)，更需加強(qiáng)運(yùn)行計(jì)劃的控制。

3 大規(guī)模風(fēng)電接入的技術(shù)措施

為了應(yīng)對(duì)大規(guī)模風(fēng)電的接入，確保風(fēng)電接入電網(wǎng)后的電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、安全性與穩(wěn)定性，除了加強(qiáng)電網(wǎng)建設(shè)、增加電網(wǎng)的調(diào)控手段、不斷改善電力系統(tǒng)的電源結(jié)構(gòu)外，還需要對(duì)風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)的技術(shù)要求做出相應(yīng)的規(guī)定，以期不斷提高風(fēng)電機(jī)組和風(fēng)電場運(yùn)行特性，降低大規(guī)模風(fēng)電接入對(duì)電網(wǎng)帶來的不利影響。

目前，長興電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電接入運(yùn)行作出以下規(guī)定：

1）有功功率 風(fēng)電場應(yīng)具有限制其有功功率變化的能力，在風(fēng)電場并網(wǎng)以及風(fēng)速增大過程中，風(fēng)電場有功功率變化應(yīng)當(dāng)滿足電網(wǎng)調(diào)度部門的要求。有功功率變化包括1min有功功率變化和10min有功功率變化。風(fēng)電場有功功率變化限值的推薦值如表1所示。

表1 風(fēng)電場有功功率變化限值推薦值

2）低電壓穿越 ①風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組具有在并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌至20%額定電壓時(shí)能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行625ms的能力；②風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓在發(fā)生跌落后2s內(nèi)能夠恢復(fù)到額定電壓的90%時(shí)，風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行；③對(duì)電網(wǎng)故障期間沒有切出電網(wǎng)的風(fēng)電場，其有功功率在電網(wǎng)故障清除后應(yīng)快速恢復(fù)，以至少每秒10%額定功率的變化率恢復(fù)至故障前的值。風(fēng)電場低電壓穿越要求曲線如圖1所示。

圖1 風(fēng)電場低電壓穿越要求

3）電壓偏差 風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)后，并網(wǎng)點(diǎn)的電壓正、負(fù)偏差的絕對(duì)值之和不超過額定電壓的10%，一般應(yīng)為額定電壓的－3%～＋7%。限值也可由電網(wǎng)調(diào)度部門和風(fēng)電場開發(fā)運(yùn)營企業(yè)根據(jù)電網(wǎng)特點(diǎn)、風(fēng)電場位置及規(guī)模等共同確定。

4）電壓變動(dòng)限值 風(fēng)電場在并網(wǎng)點(diǎn)引起的電壓變動(dòng)d，應(yīng)當(dāng)滿足表2的要求。

表2 電壓變動(dòng)限值

5）諧波 風(fēng)電場所接入的公共連接點(diǎn)的諧波注入電流應(yīng)滿足GB／T 14549—1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》的要求，其中風(fēng)電場向電網(wǎng)注入的諧波電流允許值，按照風(fēng)電場裝機(jī)容量與公共連接點(diǎn)上具有諧波源的發(fā)／供電設(shè)備總?cè)萘恐冗M(jìn)行分配。

6）頻率 48～49.5Hz，每次頻率低于49.5 Hz時(shí)，要求風(fēng)電場具有至少運(yùn)行30min的能力；49.5～50.2Hz連續(xù)運(yùn)行。每次頻率高于50.2 Hz時(shí)，要求風(fēng)電場具有至少運(yùn)行2min的能力，并執(zhí)行調(diào)度部門下達(dá)的高周切機(jī)策略，不允許停機(jī)狀態(tài)的風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)。