基于風(fēng)電的不確定性對(duì)電力系統(tǒng)的影響分析

紀(jì)代穎

（中閩(福清)風(fēng)電有限公司,福建福清，350300）

0 引言

風(fēng)電從較高的輸出水平降低到較低水平或停運(yùn)將對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行產(chǎn)生重大影響。風(fēng)電的間歇性特征決定了風(fēng)力發(fā)電的隨機(jī)波動(dòng)特點(diǎn)。風(fēng)電并入電網(wǎng)后，不具備傳統(tǒng)熱能發(fā)電穩(wěn)定、可調(diào)度的特點(diǎn)。對(duì)于電網(wǎng)而言，風(fēng)電的波動(dòng)出力更像是對(duì)負(fù)荷的負(fù)面擾動(dòng)。因此，電網(wǎng)中的常規(guī)電源不僅需要為負(fù)載波動(dòng)預(yù)留足夠的裕度，但也要考慮為風(fēng)電場(chǎng)預(yù)留一定的儲(chǔ)備，以平衡大量風(fēng)電注入電網(wǎng)后風(fēng)力發(fā)電量的變化。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)生產(chǎn)波動(dòng)較大時(shí)，需要將其他發(fā)電廠送至電網(wǎng)，以改變出力水平，以平衡風(fēng)電出力的變化。特別是在負(fù)荷較低的情況下，常規(guī)電廠機(jī)組已經(jīng)調(diào)整到較低的出力，如果目前風(fēng)力發(fā)電廠的出力顯著增加，如果常規(guī)電力能夠進(jìn)一步減少出力并讓風(fēng)力發(fā)電承擔(dān)負(fù)荷來決定了電網(wǎng)接受風(fēng)能的能力。低負(fù)荷常規(guī)機(jī)組的調(diào)峰能力是限制省級(jí)電網(wǎng)接受風(fēng)能能力的關(guān)鍵條件。大規(guī)模開發(fā)風(fēng)力發(fā)電有助于解決能源枯竭和環(huán)境污染問題。受風(fēng)能資源隨機(jī)變化的影響，風(fēng)力發(fā)電具有不確定性。對(duì)于電力系統(tǒng)而言，風(fēng)力發(fā)電始終是一種不可控的能源，隨著并網(wǎng)風(fēng)電的納入風(fēng)力發(fā)電所帶來的不確定性對(duì)于電力系統(tǒng)的安全性和充裕性構(gòu)成了影響。隨著氣候和環(huán)境因素與系統(tǒng)安全性和充裕性之間的相關(guān)性日益增強(qiáng)，分析風(fēng)電特性和研究相應(yīng)的檢測(cè)和預(yù)防及應(yīng)對(duì)風(fēng)電的不確定性，已成為亟待解決的重要問題[1]。

1 風(fēng)電概述

風(fēng)力發(fā)電是新能源的一種不需要使用燃料，也不會(huì)產(chǎn)生輻射或空氣污染，基于風(fēng)力發(fā)電清潔無污染、資源豐富、永不枯竭且技術(shù)最為成熟，所以也正在成為全球的一個(gè)熱潮[2]。近年來由于煤炭、石油等傳統(tǒng)資源的不斷減少，尋找新能源成為了人們關(guān)注的焦點(diǎn)，風(fēng)能資源以經(jīng)濟(jì)環(huán)保、不浪費(fèi)非再生能源（如煤炭、石油）的特點(diǎn)，迅速成為了全球新能源的代表。加之我國風(fēng)能資源豐富、可開發(fā)性前景好和國家大力扶持，風(fēng)電發(fā)展前途大好，成為我國現(xiàn)用第三大能源。風(fēng)電主要缺點(diǎn)是受地域、氣候、天氣等因素的影響，相比傳統(tǒng)的火力發(fā)電，發(fā)電量小、發(fā)電不穩(wěn)定，對(duì)電網(wǎng)沖擊較大，所以不確定性較大[3]。風(fēng)能發(fā)電是一種特殊的能源類型，它以自然風(fēng)為動(dòng)力。風(fēng)力資源的隨機(jī)性和間歇性決定了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出特性。作為一種異步發(fā)電機(jī)需要從系統(tǒng)中吸收無功功率，產(chǎn)出有功功率，對(duì)無功功率的需求隨著有功功率的變化而變化。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組容量較小時(shí)，這些輸出特性對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的影響并不明顯，但隨著風(fēng)機(jī)容量在系統(tǒng)中所占比額的增加，風(fēng)電機(jī)組對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的影響將越來越明顯。本文中主要從對(duì)頻率偏差的影響、、對(duì)電網(wǎng)電壓偏差的影響、對(duì)電壓波動(dòng)的影響、對(duì)電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的影響、對(duì)電力系統(tǒng)自動(dòng)控制的影響、對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響、等幾個(gè)方面論述并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電力系統(tǒng)的影響分析。

2 風(fēng)電不確定性原因分析

由于風(fēng)電場(chǎng)的裝機(jī)容量非常有限，每個(gè)小型風(fēng)電機(jī)組的裝機(jī)容量通常為2-5MW左右。通常一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)由數(shù)百個(gè)單獨(dú)的小型機(jī)組構(gòu)成，這也是它與傳統(tǒng)火力發(fā)電廠的不同之處。風(fēng)力發(fā)電不確定性因素包含內(nèi)部和外部，內(nèi)部不確定性因素為波動(dòng)性、間歇性及隨機(jī)性等；外部不確定性因素為風(fēng)電功率輸出和風(fēng)機(jī)故障等?；陲L(fēng)力發(fā)電廠的內(nèi)部和外部不確定性因素將導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電廠并網(wǎng)后增加了電力系統(tǒng)的隨機(jī)性，具體如下：

（1）風(fēng)能不可控。風(fēng)能以自然風(fēng)為動(dòng)力，受平均風(fēng)速、脈沖風(fēng)速、風(fēng)向等氣象條件影響較大。自然風(fēng)的風(fēng)能不可控、不利大量?jī)?chǔ)存。因此，不能根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷的需求調(diào)整風(fēng)電機(jī)組的出力來滿足電網(wǎng)負(fù)荷的需求，它只能在有限的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。

（2）功率輸出不穩(wěn)定。由于風(fēng)速的波動(dòng)性、間歇性和不可預(yù)測(cè)性，功率輸出不穩(wěn)定和隨機(jī)。一般認(rèn)為風(fēng)能只能提供電力，而不能提供有效的發(fā)電能力。功率輸出與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線圖如1所示。

（3）從電網(wǎng)的角度來看，接入的風(fēng)電場(chǎng)相當(dāng)于影響電網(wǎng)可靠運(yùn)行的隨機(jī)干擾源。

（4）自身結(jié)構(gòu)帶來的不確定性，風(fēng)機(jī)軸系變形或者扭曲、松弛以及諧振等都會(huì)影響風(fēng)機(jī)的輸出功率。

（5）風(fēng)電系統(tǒng)除內(nèi)部不確定性因素外，還會(huì)有一些外部不確定性因素如：風(fēng)電場(chǎng)構(gòu)建結(jié)構(gòu)的布局排列和固有地形地貌、電網(wǎng)負(fù)荷的需求和調(diào)峰、設(shè)備本身故障、繼電保護(hù)誤動(dòng)作以及人為誤動(dòng)作等。

綜上分析所述表明：風(fēng)電的內(nèi)部不確定性主要體現(xiàn)在風(fēng)速的波動(dòng)性、間接性以及高度隨機(jī)性，而外部不確定性體現(xiàn)在風(fēng)電功率輸出和風(fēng)機(jī)故障等。不管是內(nèi)部的不確定性還是外部不確定性都會(huì)直接或者間接的對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生不同程度的影響和增加隨機(jī)性。

3 風(fēng)電不確定性對(duì)電力系統(tǒng)影響分析

3.1 對(duì)頻率偏差的影響

頻率偏差的概念：供電系統(tǒng)總負(fù)荷或其部分負(fù)荷正常改變，導(dǎo)致供電頻率偏離額定頻率的緩慢變動(dòng)，通常稱為頻率偏差。國標(biāo)GB/T15945-1995規(guī)定我國供電頻率允許偏差系統(tǒng)正常頻率偏差允許值為±0.2Hz；當(dāng)系統(tǒng)容量較小時(shí)，偏差值可以放寬到±0.5Hz；沖擊性負(fù)荷引起的系統(tǒng)頻率變動(dòng)不得超過±0.1Hz[4]。頻率偏差Δfd表述公式為：

式中：f為實(shí)際頻率；f為額定頻率（50Hz）。

風(fēng)電機(jī)組會(huì)因?yàn)楦鞣N不確定性原因進(jìn)行突然停機(jī)操作。這種相對(duì)頻繁的投入和切出操作，使風(fēng)電場(chǎng)所接入系統(tǒng)的潮流經(jīng)常處于一種重新分配的過程，除影響電壓外，也在一定程度上影響系統(tǒng)的頻率。最嚴(yán)重的情況是整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)突然切出，造成瞬間電源和負(fù)荷的失衡，引起系統(tǒng)頻率瞬時(shí)降低。頻率降低的程度，與風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量占總電源容量的比例及其占總負(fù)荷容量的比例，以及風(fēng)電場(chǎng)切出時(shí)的風(fēng)速有關(guān)。

3.2 對(duì)電網(wǎng)電壓偏差的影響

電力偏差概念為供電系統(tǒng)總負(fù)荷或者其部分負(fù)荷正常改變，導(dǎo)致供電電壓偏離額定電壓的緩慢變動(dòng)。國標(biāo)GB12325-1990規(guī)定我國供電電壓允許偏差：35Kv及以上供電電壓，正負(fù)偏差的絕對(duì)值之和不超過額定電壓的10%；10Kv及以下三相供電電壓，正負(fù)偏差的絕對(duì)值之和不超過額定電壓的7%[5]。

電力偏差ΔUd表述公式為：

式中：U為實(shí)際電壓；UN為額定電壓。

風(fēng)力發(fā)電的輸出因風(fēng)速降低等因素而變化。同時(shí)，目前國內(nèi)大部分風(fēng)電場(chǎng)都是建在電網(wǎng)末端，導(dǎo)致電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對(duì)薄弱。風(fēng)機(jī)的變化和風(fēng)的擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)的電壓差產(chǎn)生沖擊，尤其是在風(fēng)速穩(wěn)定性差和故障模式下特別明顯，風(fēng)能將影響電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)電壓。如果電力系統(tǒng)的電壓偏離額定值，則無功補(bǔ)償顯著降低。在此期間，風(fēng)電場(chǎng)的無功功率需求超過電網(wǎng)，系統(tǒng)電壓差的進(jìn)一步拉大導(dǎo)致電壓下降或者風(fēng)機(jī)被迫停運(yùn)。此外，若出現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)整體輸出功率過大會(huì)降低電網(wǎng)的電壓安全性和穩(wěn)定性，并容易導(dǎo)致故障停電或者系統(tǒng)癱瘓。以幾種風(fēng)速大小為例，分析風(fēng)速對(duì)風(fēng)電場(chǎng)升壓站10千伏母線電壓影響量化表1所示：

表1 典型風(fēng)速大小對(duì)風(fēng)電場(chǎng)升壓站10千伏母線電壓影響量化表

微風(fēng)風(fēng)速突然變化，平均風(fēng)速上升速率為5米／秒 0.21-3.64%小風(fēng)風(fēng)速逐漸變化，平均風(fēng)速上升速率為8米／秒 0.52-10.7%大風(fēng)風(fēng)速逐漸變化，最大峰值速率為5米／秒 1.21-19.89%

3.3 對(duì)電壓波動(dòng)的影響

電壓波動(dòng)的概念：電壓波動(dòng)為一系列電壓的周期性變化波動(dòng)。電壓波動(dòng)值ΔU為兩個(gè)極值Umax和Umin之差與額定電壓UN比值的百分比。國標(biāo)GB/12326-1990規(guī)定我國電力系統(tǒng)公共并網(wǎng)點(diǎn)允許的電壓波動(dòng)：10kV及以下為2.5%；35-110kV為2%；220kV及以上為1.6%[6]。電壓波動(dòng)值ΔU表述公式為：

在可變風(fēng)速的影響下，風(fēng)電機(jī)組的功率輸出具有可變性，基于這一特性讓電力系統(tǒng)上局部節(jié)點(diǎn)（例如并聯(lián)節(jié)點(diǎn)）上引起電壓峰值波動(dòng)，較為明顯的就是在風(fēng)速變化明顯的微風(fēng)和陣風(fēng)情況下。并入電網(wǎng)的風(fēng)電機(jī)組如果輸出功率產(chǎn)生波動(dòng)必然對(duì)電網(wǎng)的電壓產(chǎn)生影響，風(fēng)電機(jī)組輸出功率要主要因素歸結(jié)為：風(fēng)速的驟變、塔影效應(yīng)、風(fēng)切變、偏航誤差等。

3.4 對(duì)電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的影響

由于風(fēng)電功率的隨機(jī)波動(dòng)和風(fēng)電功率的變化，為了確保電網(wǎng)用電用戶有保障，則電網(wǎng)必須增加并入電網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)整體裝機(jī)容量保證有一定的備用，也就是并入電網(wǎng)風(fēng)電機(jī)容量越多，則備用容量也就越大。2006年1月1日實(shí)施的《可再生能源法》規(guī)定，電網(wǎng)公司必須全額購買可再生能源。高于常規(guī)電力生產(chǎn)平均上網(wǎng)價(jià)格的成本差額計(jì)入銷售價(jià)格。據(jù)統(tǒng)計(jì)，風(fēng)電場(chǎng)電價(jià)水平在（0.45-1.1元/kWh）之間，目前國內(nèi)風(fēng)電并網(wǎng)電價(jià)大致分為：成本利潤價(jià)；每次特許的投標(biāo)價(jià)格；全省單一電價(jià)。與火電相比，風(fēng)電上網(wǎng)的價(jià)格更高。風(fēng)力發(fā)電生產(chǎn)的隨機(jī)性和不確定性會(huì)增加電網(wǎng)輔助服務(wù)的成本，如負(fù)荷跟蹤、頻率控制、備用容量、無功功率和電壓等，從而影響電網(wǎng)公司的業(yè)績(jī)[6]。

3.5 對(duì)電力系統(tǒng)自動(dòng)控制的影響

由于風(fēng)電場(chǎng)的性能不確定且無法非常準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)，導(dǎo)致電網(wǎng)系統(tǒng)計(jì)劃出現(xiàn)不確定性。因此，根據(jù)調(diào)峰調(diào)頻公司要求并入電網(wǎng)的風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行發(fā)電機(jī)組提出了精細(xì)化的要求，一方面要求并入電網(wǎng)的容量要有充裕的備用，另一方面要求具備快速響應(yīng)電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)頻能力。如果這兩方面均不符合要求，這將導(dǎo)致電力系統(tǒng)的頻率產(chǎn)生一定程度的波動(dòng)。此外，火電機(jī)組出現(xiàn)故障需要電力系統(tǒng)調(diào)整系統(tǒng)頻率或者輸出功率時(shí)，并入電網(wǎng)的風(fēng)電場(chǎng)也要做出一定調(diào)整，這對(duì)風(fēng)電機(jī)組設(shè)備會(huì)產(chǎn)生不同影響或者損耗。

3.6 對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響

風(fēng)能接入電網(wǎng)系統(tǒng)引起的穩(wěn)定性問題主要是電壓的穩(wěn)定性，其原因包括以下四個(gè)方面：

（1）無功補(bǔ)償?shù)某Ｓ梅椒ㄊ请娙萜餮a(bǔ)償，補(bǔ)償量與接入點(diǎn)電壓的平方成正比。當(dāng)系統(tǒng)電壓降低時(shí)，無功補(bǔ)償量也隨之大大減少，而風(fēng)電站至電網(wǎng)的無功需求增加，進(jìn)一步惡化電壓質(zhì)量。若嚴(yán)重時(shí)，將導(dǎo)致電壓崩潰和風(fēng)機(jī)被迫停機(jī)。

（2）在故障和運(yùn)行后功率角沒有不穩(wěn)定的情況下，一些風(fēng)機(jī)渦輪機(jī)由于其自身的低壓保護(hù)而停機(jī)，風(fēng)電場(chǎng)的有功輸出減少，因此系統(tǒng)失去一些無功負(fù)載，導(dǎo)致電力質(zhì)量增加，甚至超出風(fēng)電場(chǎng)母線的電壓范圍。

（3）如果不及時(shí)消除異常，將發(fā)生暫態(tài)電壓不穩(wěn)定。

（4）風(fēng)電的出力富裕會(huì)降低電網(wǎng)的安全裕度，容易導(dǎo)致系統(tǒng)電壓崩潰。

總之，風(fēng)電場(chǎng)并入網(wǎng)對(duì)風(fēng)電網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的主要威脅是體現(xiàn)在兩方面：一是風(fēng)機(jī)風(fēng)速的波動(dòng)性和隨機(jī)性導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)的出力隨時(shí)發(fā)生變化并難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，導(dǎo)致風(fēng)能接入系統(tǒng)時(shí)存在安全隱患；二是向弱電網(wǎng)絡(luò)注入過高的功率會(huì)降低系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

風(fēng)能是一種重要的可再生清潔能源，在新能源電力系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。但波動(dòng)性、間歇性與隨機(jī)性是風(fēng)力發(fā)電的固有的不確定性，這些不確定性給電力系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性經(jīng)濟(jì)性等帶來了影響。目前在新能源電力系統(tǒng)中為了讓風(fēng)電能能夠讓風(fēng)能得到高效利用，必須全方位對(duì)風(fēng)電的不確定性對(duì)電力系統(tǒng)的影響分析降低風(fēng)險(xiǎn)，才能進(jìn)一步提高風(fēng)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，為國家的風(fēng)電系統(tǒng)做出貢獻(xiàn)。