風(fēng)電在湖南電網(wǎng)中的發(fā)展現(xiàn)狀分析

韓忠暉，鄧小亮，馬悅，胡家華，錢軍

(1. 國網(wǎng)湖南省電力公司，湖南 長沙410007;2. 國網(wǎng)湖南省電力公司長沙供電分公司，湖南 長沙410015)

隨著風(fēng)電技術(shù)的成熟以及成本的大幅下降，風(fēng)力發(fā)電得到了持續(xù)發(fā)展。截止到2012 年底，國內(nèi)風(fēng)電并網(wǎng)總?cè)萘窟_(dá)到6 083 萬kW，發(fā)電量達(dá)到1 004億kWh，風(fēng)電已超過核電成為繼煤電和水電之后的第三大主力電源。

湖南地處華中地區(qū)，受自然環(huán)境影響，風(fēng)電總裝機(jī)容量并不大，但發(fā)展勢頭迅猛。截止到2013年10 月底，湖南電網(wǎng)共有并網(wǎng)風(fēng)電場8 座，分別為仰天湖風(fēng)電場、南山風(fēng)電場、后龍風(fēng)電場、水源風(fēng)電場、三十六灣風(fēng)電場、嵐橋風(fēng)電場、花地灣風(fēng)電場和天塘山風(fēng)電場，并網(wǎng)裝機(jī)容量287.8 MW，占統(tǒng)調(diào)裝機(jī)容量的1.1%〔1〕。根據(jù)國家能源局“十二五”風(fēng)電項(xiàng)目核準(zhǔn)計(jì)劃，湖南將重點(diǎn)在湘南、湘東南、湘西南和洞庭湖區(qū)等地建設(shè)一批風(fēng)電場，共計(jì)43 個(gè)項(xiàng)目，總裝機(jī)規(guī)模將突破2 000 MW。然而，風(fēng)電作為一種綠色清潔能源在得到大力發(fā)展的同時(shí)，也給電網(wǎng)運(yùn)行帶來了一定的不利影響，涉及到電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)頻、聯(lián)絡(luò)線控制、無功調(diào)壓及電能質(zhì)量等方面技術(shù)，給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了新的挑戰(zhàn)。

1 風(fēng)電發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理就是通過葉輪將風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械轉(zhuǎn)矩，通過主軸傳動(dòng)鏈，經(jīng)過齒輪箱增速到發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速后驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，有效地將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能，主要可分為鼠籠異步型、雙饋感應(yīng)型和永磁同步型等3 種類型。其中鼠籠異步型風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)簡單，其采用鼠籠異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換能量，是風(fēng)力發(fā)電中最早使用的機(jī)型，由于該類型發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)速度僅在很小范圍內(nèi)變化，對風(fēng)能的利用率低下，目前已逐步淘汰。雙饋感性型與永磁同步型風(fēng)電機(jī)組采用了變頻恒速技術(shù)，對風(fēng)能的利用率大大提升，是目前應(yīng)用最廣泛的機(jī)型。

目前在湖南各風(fēng)電場中，所采用的風(fēng)電機(jī)組類型見表1 所示:

表1 湖南省風(fēng)電場風(fēng)機(jī)類型

2 對電網(wǎng)的影響

2.1 對系統(tǒng)調(diào)峰的影響

風(fēng)能是一種綠色清潔能源，我國的《可再生能源法》要求對風(fēng)電等可再生能源優(yōu)先收購。然而，風(fēng)電運(yùn)行具有很大的不確定性，其功率波動(dòng)往往與用電負(fù)荷趨勢相反，加大了電網(wǎng)的等效峰谷差。目前，湖南電網(wǎng)的峰谷差已經(jīng)在逐年增大，至2012 年底，系統(tǒng)峰谷差最大已達(dá)9 000 MW 以上，在低谷時(shí)段，火電機(jī)組一般按50%負(fù)荷調(diào)峰，極端時(shí)候需要深度調(diào)峰、啟停調(diào)峰，系統(tǒng)安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)大。因此，可以預(yù)見，隨著湖南風(fēng)電裝機(jī)容量的逐步擴(kuò)大，系統(tǒng)調(diào)峰的難度將進(jìn)一步加大。如何防止在低谷時(shí)段因調(diào)峰困難而導(dǎo)致棄水、棄風(fēng)，需要引起進(jìn)一步的關(guān)注。

2.2 對聯(lián)絡(luò)線調(diào)整的影響

與水電廠可以蓄水不同，風(fēng)電場在當(dāng)前尚無法存儲(chǔ)風(fēng)能。因此，風(fēng)電場的輸出受自然風(fēng)的變化而變化，無法像傳統(tǒng)電源那樣進(jìn)行實(shí)時(shí)功率調(diào)整，具有不可控性，當(dāng)并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組切入、切出電網(wǎng)時(shí)，就需要其他可調(diào)節(jié)的常規(guī)電源與之匹配。否則，將不可避免的出現(xiàn)一定程度的功率波動(dòng)，對鄂湘聯(lián)絡(luò)線乃至整個(gè)系統(tǒng)都造成一定的沖擊。要求系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)留出充足的正負(fù)旋轉(zhuǎn)備用，在一定程度上降低了系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

2.3 對發(fā)電方式的影響

湖南是一個(gè)水電大省，截止到2012 年底，水電裝機(jī)容量9 165.93 MW，占統(tǒng)調(diào)裝機(jī)容量的34.92%。受自然環(huán)境的影響，水庫來水多集中在春、秋兩季，并且有來水集中、分布范圍廣、持續(xù)時(shí)間長的特點(diǎn)。汛期時(shí)，省內(nèi)各骨干水電廠如五強(qiáng)溪、鳳灘、柘溪等，往往長時(shí)間滿負(fù)荷運(yùn)行，造成了火電機(jī)組發(fā)電方式一般維持在系統(tǒng)穩(wěn)定要求的最小開機(jī)方式。

隨著風(fēng)電裝機(jī)容量的進(jìn)一步增大，水電與火電之間的矛盾勢必會(huì)發(fā)展成水電、火電、風(fēng)電三者之間的矛盾，尤其是水電與風(fēng)電同為綠色環(huán)保能源，其中的取舍問題給發(fā)電方式的安排帶來極大的困難。

2.4 對系統(tǒng)無功平衡的影響

風(fēng)電場在正常運(yùn)行時(shí)需要吸收大量的無功功率來建立旋轉(zhuǎn)磁場，其無功功率需求一部分可通過自身的無功補(bǔ)償設(shè)備來提供，另外相當(dāng)一部分仍需通過主網(wǎng)來吸收。因此大規(guī)模風(fēng)電場的集中運(yùn)行，必將從電網(wǎng)中吸收大量的無功功率，進(jìn)一步增加線路、變壓器等設(shè)備的損耗，降低系統(tǒng)的無功儲(chǔ)備度。一方面要求在風(fēng)電場附近的廠站合理配備一定容量的無功功率補(bǔ)償設(shè)備，另一方面則必須要提高風(fēng)電機(jī)組以及系統(tǒng)的無功功率調(diào)節(jié)能力，從而增加了無功功率管理方面的難度。

2.5 對電能質(zhì)量的影響

風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行會(huì)給系統(tǒng)帶來一定的諧波影響。湖南境內(nèi)風(fēng)電機(jī)組多為雙饋感應(yīng)型和永磁同步型，均采用了整流和逆變裝置等電力電子設(shè)備，機(jī)組投入運(yùn)行后變頻器都將始終處于工作狀態(tài)，因此風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)運(yùn)行可能會(huì)引起諧波注入問題。如果電力電子裝置的切換頻率恰好在產(chǎn)生諧波的范圍內(nèi)，則會(huì)導(dǎo)致比較嚴(yán)重的諧波問題〔3〕。

2.6 電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的增加

近年來，從其他省的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來看，風(fēng)電運(yùn)行還是存在著一定的風(fēng)險(xiǎn)，國內(nèi)先后發(fā)生了數(shù)起大規(guī)模風(fēng)電脫網(wǎng)事故。根據(jù)國家電監(jiān)會(huì)2011 年12 月初發(fā)布的《風(fēng)電安全監(jiān)管報(bào)告》，2010 年全國共發(fā)生80 起風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)事故，2011 年前8 個(gè)月發(fā)生脫網(wǎng)事故193 起。其中較為典型的是2011 年2 月24日，甘肅橋西第一風(fēng)電場35 kV 開關(guān)間隔電纜終端單相故障發(fā)展為三相短路，造成598 臺(tái)風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)，損失出力84.04 萬kW，西北電網(wǎng)主網(wǎng)頻率由50.03 Hz 降至49.85 Hz。

事故暴露出國內(nèi)風(fēng)電存在以下問題:

①部分早期投運(yùn)的風(fēng)電機(jī)組不具備低電壓穿越能力，在電網(wǎng)出現(xiàn)故障導(dǎo)致系統(tǒng)電壓降低時(shí)容易脫網(wǎng);

②部分風(fēng)電機(jī)組保護(hù)以及頻率電壓保護(hù)不滿足系統(tǒng)安全運(yùn)行要求，風(fēng)電場單獨(dú)故障不能快速切除，最終擴(kuò)大為較大事故;

③風(fēng)電設(shè)備制造市場競爭激烈，部分風(fēng)電設(shè)備制造企業(yè)采用價(jià)格較低的替代部件，造成設(shè)備質(zhì)量下降。

這些問題的存在，在風(fēng)電建設(shè)環(huán)節(jié)以及運(yùn)行環(huán)節(jié)均需提高警惕。

3 應(yīng)對措施及建議

面對風(fēng)電快速發(fā)展的現(xiàn)狀，國家能源局及國網(wǎng)公司先后出臺(tái)了一系列的技術(shù)規(guī)范如《風(fēng)電功率預(yù)測及系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行管理辦法》、 《風(fēng)電并網(wǎng)檢測管理辦法》、 《風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行服務(wù)指南》等，有效地加強(qiáng)了對風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的安全管理。針對湖南電網(wǎng)的現(xiàn)狀，建議以下幾點(diǎn):

1)加強(qiáng)對風(fēng)電場的安全管理，避免出現(xiàn)大規(guī)模的風(fēng)電脫網(wǎng)事故。主要做到以下幾點(diǎn):并網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)電場要加強(qiáng)設(shè)備設(shè)施的運(yùn)行維護(hù)，嚴(yán)格執(zhí)行調(diào)度命令，及時(shí)準(zhǔn)確向調(diào)度機(jī)構(gòu)匯報(bào)機(jī)組運(yùn)行情況;并網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)電場應(yīng)滿足接入電力系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)定，風(fēng)電機(jī)組必須具備低電壓穿越能力;并網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)電場的無功容量配置和有關(guān)參數(shù)整定應(yīng)滿足系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)需要，同時(shí)加強(qiáng)風(fēng)電場二次系統(tǒng)監(jiān)督管理，須按電網(wǎng)要求進(jìn)行涉網(wǎng)保護(hù)定值整定;風(fēng)電場建設(shè)單位要加強(qiáng)工程質(zhì)量過程管理，嚴(yán)格落實(shí)工程質(zhì)量檢查、檢測、控制和驗(yàn)收制度。

2)做好風(fēng)電功率預(yù)測工作，合理安排水火電機(jī)組運(yùn)行方式。尤其是在汛期，在保證火電最小開機(jī)方式的前提下，統(tǒng)籌考慮水電、火電、風(fēng)電上網(wǎng)的相互影響，提前做好負(fù)荷預(yù)測與來水、來風(fēng)預(yù)測工作，合理安排湖南電網(wǎng)月度發(fā)電計(jì)劃與日發(fā)電計(jì)劃。在負(fù)荷低谷以及調(diào)峰困難的其他時(shí)段，用好抽水蓄能電廠以及時(shí)消納清潔能源電力，降低棄水、棄風(fēng)的風(fēng)險(xiǎn)。

3)加強(qiáng)電網(wǎng)的建設(shè)。目前，湖南風(fēng)電多集中于邵陽、郴州地區(qū)，受當(dāng)?shù)氐乩憝h(huán)境與經(jīng)濟(jì)水平等因素影響，所在地區(qū)電網(wǎng)相對比較薄弱，負(fù)荷就地消納能力有限，對風(fēng)電場功率外送及轉(zhuǎn)移均有一定的影響。因此，在風(fēng)電集中的地區(qū)，考慮加強(qiáng)對電網(wǎng)的建設(shè)，避免出現(xiàn)風(fēng)電場棄風(fēng)的情況。

4)加強(qiáng)調(diào)度監(jiān)視。隨著全國特高壓電網(wǎng)的建設(shè)，局部電網(wǎng)對整個(gè)電網(wǎng)的影響也越來越大，在此種情況下，需要盡量控制湖南電網(wǎng)與華中電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線的負(fù)荷波動(dòng)。因此，需要確保系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)正負(fù)旋轉(zhuǎn)備用充足，以減少風(fēng)電機(jī)組輸出波動(dòng)對系統(tǒng)的沖擊，避免對特高壓線路產(chǎn)生不利影響。

4 結(jié)束語

目前，風(fēng)電作為一種新興的清潔能源在湖南的發(fā)展越來越快，在電網(wǎng)裝機(jī)容量中的比重持續(xù)上升，但與此同時(shí)也帶來了一定的運(yùn)行安全隱患。面對這種情況，需要電力部門既要借鑒已有的成熟經(jīng)驗(yàn)，又要結(jié)合區(qū)域電網(wǎng)具體現(xiàn)狀，制定適合本網(wǎng)特點(diǎn)的風(fēng)電運(yùn)行管理方案，從而繼續(xù)保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

〔1〕湖南省電力公司. 2013 年度湖南電網(wǎng)運(yùn)行方式〔R〕. 2012.

〔2〕Vladislaw Akhmatov. 風(fēng)力發(fā)電用感應(yīng)發(fā)電機(jī)〔M〕. 北京:中國電力出版社，2009.

〔3〕白鴻斌，王瑞紅. 風(fēng)電場并網(wǎng)對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響分析〔J〕. 電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2012，24 (1):120-124.