分散式風(fēng)電接入對地區(qū)電網(wǎng)運行影響的研究

孫立成，趙志強，王新剛，常喜強

(新疆電力公司，新疆烏魯木齊 830002)

0 引言

隨著國家能源局于2011年頒發(fā)國能新能［2011］374號《關(guān)于印發(fā)分散式接入風(fēng)電項目開發(fā)建設(shè)指導(dǎo)意見的通知》和國能新能［2011］226號《關(guān)于分散式接入風(fēng)電開發(fā)的通知》，大規(guī)模分散式風(fēng)電接入電網(wǎng)運行將成為后續(xù)風(fēng)電接入的另一種主流接入方式。

新疆風(fēng)能資源豐富，風(fēng)電開發(fā)潛力較大。目前，風(fēng)電已進入快速發(fā)展階段。至2015年風(fēng)電總裝機規(guī)模將達到約5 800 MW，風(fēng)電裝機占11.51%;其中分散式風(fēng)電接入預(yù)計將占20%左右，遠景裝機容量更多。大規(guī)模分散式風(fēng)電接入電網(wǎng)運行將成為新疆地區(qū)電網(wǎng)安全運行又一重要關(guān)注的問題之一。面對大規(guī)模分散式風(fēng)電并網(wǎng)運行帶來的嚴峻挑戰(zhàn)，需深入研究電網(wǎng)大規(guī)模分散式風(fēng)電接入帶來的影響，開展研究應(yīng)對措施和提出相關(guān)建議，這對于電網(wǎng)安全經(jīng)濟運行意義重大。

通過對于分散式風(fēng)電帶來的影響的研究，使分散式風(fēng)電接入滿足地區(qū)電網(wǎng)相關(guān)要求。將在保證電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運行情況下盡可能提高風(fēng)電接納能力。

1 分散式風(fēng)電定義及界定標準［1，2］

定義:分散式接入風(fēng)電項目是指位于負荷中心附近，不以大規(guī)模遠距離輸送電力為目的，所產(chǎn)生的電力就近接入當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)進行消納的風(fēng)電項目。

界定標準:分散式接入風(fēng)電項目應(yīng)具備以下所有條件。

(1)應(yīng)充分利用電網(wǎng)現(xiàn)有的變電站和送出線路，原則上不新建高壓送電線路和110 kV、66 kV變電站，并盡可能不新建其他等級的輸變電設(shè)施;

(2)接入當(dāng)?shù)仉娏ο到y(tǒng)110 kV或66 kV降壓變壓器及以下等級的配電器;

(3)在一個電網(wǎng)接入點接入的風(fēng)電裝機容量上限以不影響電網(wǎng)安全運行前提合理確定，統(tǒng)籌考慮各電壓等級的接入總?cè)萘?，并鼓勵多點接入;

(4)除示范項目外，單個項目總裝機容量不超過50 MW。

2 分散式風(fēng)電發(fā)電形式及優(yōu)點

分散式風(fēng)力發(fā)電的形式一般采用風(fēng)力發(fā)電與太陽能發(fā)電、柴油機發(fā)電等組合式發(fā)電系統(tǒng) ，即“風(fēng)光”、“風(fēng)油”和“風(fēng)光油”互補發(fā)電。這些系統(tǒng)近年來都有所發(fā)展，特別是采用“風(fēng)光”互補發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電，是未來的發(fā)展方向。太陽能與風(fēng)能在時間上和地域上有著很強的互補性。太陽能和風(fēng)能在時間上的互補性使“風(fēng)光”互補發(fā)電系統(tǒng)在資源上具有最佳的匹配性，“風(fēng)光”互補發(fā)電系統(tǒng)是資源條件最好的獨立電源系統(tǒng)，也是今后相當(dāng)時期內(nèi)的發(fā)展趨勢。

分散式發(fā)電具有投資省、占地面積較少、接入方式靈活、能源種類多樣等優(yōu)點?？梢栽陔娋W(wǎng)未能通達的偏遠地區(qū)，如高山、草原和海島等地區(qū)，用小型風(fēng)力發(fā)電機為蓄電池充電，再通過逆變器轉(zhuǎn)換成交流電向終端用戶供電。

在偏遠的負荷突然增長地區(qū)，就地安裝分散式風(fēng)電可以避免大量的輸配電設(shè)備擴容費用;對于用電壓力大的負荷中心區(qū)域，可以緩解用電壓力，延緩電網(wǎng)的擴建或者改建，節(jié)約輸配電線路的投資。通過合理優(yōu)化分散式風(fēng)電的接入位置和接入容量，可以明顯降低電網(wǎng)線路損耗，改善電網(wǎng)末端的電能質(zhì)量。充分利用風(fēng)能等可再生能源，降低了對一次能源的依賴性，同時還可減少有害物的排放量，減輕對環(huán)保的壓力。

3 對地區(qū)電網(wǎng)運行的影響

隨著越來越多的分散式風(fēng)電接入運行，對地區(qū)電網(wǎng)運行帶來了一些新的問題，經(jīng)過計算、仿真分析主要集中存在以下問題。

3.1 對地區(qū)電網(wǎng)電壓運行穩(wěn)定性的影響

電壓維持在規(guī)定電壓范圍內(nèi)才能保證電能質(zhì)量。配電系統(tǒng)的調(diào)壓規(guī)則是以潮流從變電站流向用戶為基礎(chǔ)的，但在分散式電源接入電網(wǎng)之后，配電系統(tǒng)從放射狀結(jié)構(gòu)變?yōu)槎嚯娫唇Y(jié)構(gòu)，潮流的大小和方向有可能發(fā)生巨大改變，從而使電力系統(tǒng)中某些部分的電壓也發(fā)生變化。同時分散式風(fēng)電接入將對系統(tǒng)電壓及損耗帶來變化，因而需要合理配置接入點。接入點及接入容量大小將會決定分散式風(fēng)電的運行策略，并影響系統(tǒng)的可靠性指標。因此首先需要進行地區(qū)電網(wǎng)潮流計算，分析其對系統(tǒng)電壓以及損耗的影響，確定其接入點以及接入容量的大小。

地區(qū)電網(wǎng)可以通過調(diào)整變壓器分接頭、投切集中補償裝置(包括并聯(lián)電容器、同步調(diào)相機、靜止補償器)等方式改變系統(tǒng)的電壓分布，提高系統(tǒng)終端變電所的母線電壓，使得用戶電壓滿足一定的標準。分散式風(fēng)電的接入將會引起系統(tǒng)潮流分布的變化，由于風(fēng)電自身隨機性、波動性等特點將會造成系統(tǒng)的電壓波動較大，給電壓調(diào)整帶來新的影響。

3.2 對地區(qū)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響

由于分散式風(fēng)電接入距離負荷中心較近，基于風(fēng)機自身特點將給電力系統(tǒng)帶入一定的諧波，對于電壓將會造成閃變，根據(jù)周邊負荷對電能質(zhì)量的適應(yīng)性，應(yīng)加強對于分散式風(fēng)電并網(wǎng)點的電能質(zhì)量檢測和治理工作。

根據(jù)IEC 61400－21標準，分別對地區(qū)電網(wǎng)4個接入點在單臺77－1500直驅(qū)風(fēng)機3種運行、啟動狀態(tài)時做了相關(guān)計算分析，可得電壓閃變值結(jié)果如表1。

表1 電壓閃變值

圖1 分散風(fēng)電接入對地區(qū)電能的影響

通過計算分析，均滿足國標要求，但是通過對于接入風(fēng)電裝機容量的逐漸增加發(fā)現(xiàn)接入點閃變值有增大趨勢，根據(jù)接入點電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點，當(dāng)超過一個臨界值時則需要借助消諧裝置進行諧波治理。

3.3 對地區(qū)電網(wǎng)繼電保護的影響

分散式風(fēng)電接入配電網(wǎng)后，在發(fā)生短路故障時能提供一定的短路電流，短路電流大小和風(fēng)電的裝機容量、接入位置和故障發(fā)生的位置有關(guān)，從而對配電網(wǎng)繼電保護的選擇性和靈敏性有一定影響，可能導(dǎo)致保護誤動或拒動(見圖1)。

當(dāng)線路變電站C、D間線路上任一點K3發(fā)生短路故障時，故障線路的保護感受到的電流為系統(tǒng)和風(fēng)電共同提供，此影響是有利的，使原保護更加靈敏。

當(dāng)線路變電站D、E間線路任一點K4發(fā)生短路故障時，應(yīng)由斷路器4動作切除故障線路，但是當(dāng)風(fēng)電的容量足夠大時，斷路器3的保護范圍可能延伸至變電站D、E間線路，兩個保護都動作，繼電保護失去選擇性。

當(dāng)風(fēng)電容量不是很大，引起的影響不至于使保護誤動或拒動時，可不對繼電器保護進行更換;而當(dāng)風(fēng)電容量較大時，有可能引起保護誤動或拒動，此時應(yīng)重新整定保護值。

3.4 對地區(qū)電網(wǎng)運行方式安排的影響

分散式風(fēng)電接入電網(wǎng)運行后改變了地區(qū)電網(wǎng)電源和負荷分布，潮流流向也發(fā)生變化，運行方式安排時需要統(tǒng)籌考慮分散式風(fēng)電接入后的潮流流向和傳輸線路的承載能力。隨著分散式風(fēng)電接入布點的不斷增多，勢必在電網(wǎng)設(shè)備檢修時、負荷轉(zhuǎn)移的情況下調(diào)整電網(wǎng)運行方式帶來新的問題。

3.5 對地區(qū)電網(wǎng)安全自動裝置、重合閘等的影響

分散式風(fēng)電接入電網(wǎng)后對于電網(wǎng)中已經(jīng)裝設(shè)的安全自動裝置動作行為將有一定的影響，需要綜合考慮分散式風(fēng)電布點情況，調(diào)整相關(guān)策略滿足電網(wǎng)安全運行要求。電網(wǎng)發(fā)生故障后，如果分散式風(fēng)電保護未及時動作，產(chǎn)生孤島效應(yīng)，會對自動重合閘產(chǎn)生一定的影響，因此，風(fēng)電機組需要裝設(shè)可靠的防孤島保護裝置，如同時裝設(shè)一套主動式和一套被動式孤島保護，同時為避免重合閘發(fā)生誤重合給電網(wǎng)和風(fēng)電機組帶來的沖擊，系統(tǒng)側(cè)需要采用檢無壓型重合閘。

3.6 對地區(qū)負荷預(yù)測的影響

由于分散式風(fēng)電接入方式的靈活性，采用風(fēng)況滿足要求的就近接入原則，接入地區(qū)電網(wǎng)的配電網(wǎng)端，達到就地消納的效果。但是基于風(fēng)電自身特性，如在短期內(nèi)，風(fēng)能就在不斷變化，風(fēng)電發(fā)電出力可以等效為地區(qū)電網(wǎng)的負負荷。隨著風(fēng)電隨機性和波動性的增強，地區(qū)負荷預(yù)測的準確性也隨之降低。當(dāng)分散式風(fēng)電出力較大時，由于對于負荷預(yù)測影響較大，造成地區(qū)電源的發(fā)電計劃安排不利。

3.7 對地區(qū)電網(wǎng)規(guī)劃的影響

分散式風(fēng)電的接入會使地區(qū)電網(wǎng)的負荷預(yù)測、規(guī)劃和運行與過去相比有更大的不確定性。大量的配電網(wǎng)用戶端安裝分散式風(fēng)電為其提供電能，使得配電網(wǎng)規(guī)劃人員更加難于準確預(yù)測負荷的增長情況，從而影響規(guī)劃［3－5］。

電網(wǎng)規(guī)劃問題的動態(tài)屬性同其維數(shù)密切相聯(lián)，若在出現(xiàn)許多發(fā)電機節(jié)點，使得在所有可能的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中尋找到最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)布置方案就更加困難。

對于想在配電網(wǎng)安裝分散式風(fēng)電的發(fā)電公司，預(yù)想維持系統(tǒng)現(xiàn)有的安全和質(zhì)量水平不變的配電網(wǎng)公司之間的沖突。為了維護系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定的運行，必須使分散式風(fēng)電能夠接受實時調(diào)度，要實現(xiàn)該目標，通過電力電子設(shè)備對其進行需要的控制和調(diào)節(jié)，將分散式風(fēng)電單元集成到現(xiàn)有的配電系統(tǒng)中，這不但需要改進現(xiàn)有的配電自動化系統(tǒng)，還要由被動到主動(電壓調(diào)整、保護政策、干擾和接口問題)地管理電網(wǎng)。

4 接入后需采取的措施及建議

由于分散式風(fēng)電接入給地區(qū)電網(wǎng)帶來了很大的影響，若保證分散式風(fēng)電的正常發(fā)電和地區(qū)電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運行，需要采取一定的措施，具體表現(xiàn)在以下幾個方面。

(1)針對分散式風(fēng)電接入地區(qū)電網(wǎng)后對于系統(tǒng)電壓波動較大的問題，提出采用分散式風(fēng)電接入時需配置一定容量的動態(tài)無功補償裝置，并且采用恒電壓模式調(diào)節(jié)，來避免風(fēng)電發(fā)電對地區(qū)電壓波動較大的問題。

(2)針對分散式風(fēng)電接入地區(qū)電網(wǎng)對電能質(zhì)量影響的問題，提出在分散式風(fēng)電并網(wǎng)點應(yīng)裝設(shè)電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置，可以在風(fēng)機運行的不同工況下實時監(jiān)測上網(wǎng)電力的電能質(zhì)量。經(jīng)過計算分析，容量較小的分散式風(fēng)電接入系統(tǒng)，對于系統(tǒng)電能質(zhì)量影響較小，隨著裝機容量的逐漸增加，諧波含量可能超過國標要求，需要裝設(shè)消諧裝置解決此類問題。

(3)針對分散式風(fēng)電接入地區(qū)電網(wǎng)造成負荷預(yù)測、電網(wǎng)規(guī)劃和運行的不確定性，提出進一步提高分散式風(fēng)電風(fēng)功率預(yù)測準確率，根據(jù)歷史運行情況，逐步將分散式風(fēng)電出力納入發(fā)電計劃安排。同時根據(jù)政府地區(qū)發(fā)展規(guī)劃，著眼于長遠規(guī)劃，根據(jù)地區(qū)風(fēng)資源特性，合理研究分散式風(fēng)電接入配套工程建設(shè)，避免臨時性分散式風(fēng)電建設(shè)打亂了地區(qū)電網(wǎng)建設(shè)的整體規(guī)劃。

5 結(jié)語

今后，分散式風(fēng)電接入會越來越廣泛，其主要的發(fā)展趨勢是將基于多個布點的分散式風(fēng)電系統(tǒng)接入同一配電網(wǎng)中進行統(tǒng)一調(diào)度、相互協(xié)調(diào)，為系統(tǒng)提供高峰電能以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和供電可靠性。雖然中國現(xiàn)狀是風(fēng)電模式還是傳統(tǒng)集中接入，但是風(fēng)電接入的發(fā)展方向?qū)⑹欠稚⑹斤L(fēng)電接入模式。

前面主要針對分散式風(fēng)電接入后對地區(qū)電網(wǎng)運行帶來的各種問題，分析分散式風(fēng)電的特點、優(yōu)點、接入方式以及運行方式對系統(tǒng)電壓、繼電保護動作情況、負荷預(yù)測等方面的影響。通過對分散式風(fēng)電接入后帶來的各種問題進行仔細分析，為今后分散式風(fēng)電的大規(guī)模發(fā)展提供了一定的理論指導(dǎo)和相關(guān)建議。

［1］國家能源局.國能新能［2011］226國家能源局關(guān)于分散式接入風(fēng)電開發(fā)的通知［R］.2011.

［2］國家能源局.國能新能［2011］374國家能源局關(guān)于印發(fā)分散式接入風(fēng)電項目開發(fā)建設(shè)指導(dǎo)意見的通知［R］.2011.

［3］王敏，丁明.含有分布式電源的配電網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃［J］.農(nóng)村電氣化，2003，(7):19 －20.

［4］王建，李興源，邱曉燕.含有分布式發(fā)電裝置的電力系統(tǒng)研究綜述［J］.電力系統(tǒng)自動化，2005，29(24):90－97.

［5］陳海焱，陳金富，段獻忠.含分布式電源的配電網(wǎng)潮流計算［J］.電力系統(tǒng)自動化，2006，30(1):35－40.