中國風電并網(wǎng)問題綜述

陳曉雷，楊躍龍，施曉蓉

（湖南工程學院，湖南 湘潭411101）

0 引 言

伴隨全球化能源危機日益嚴重，風能以其蘊藏量豐富、可再生、分布廣、無污染等特性，成為可再生能源的重要方向。最近10多年來全球風電穩(wěn)步發(fā)展，截止2011年底全球累計裝機容量接近241 GW，約占全球發(fā)電裝機容量的5% 。

我國風能資源豐富，但是發(fā)展緩慢。2006年國家出臺關(guān)于扶持新能源發(fā)展優(yōu)惠政策之后，我國風電產(chǎn)業(yè)步入高速發(fā)展行列，在2009年取得全球風電機組新增裝機容量第一，并連續(xù)三年蟬聯(lián)第一。直到2012年，新增裝機容量才以164 MW的差距屈居美國之后［1，2］?！?013中國風電發(fā)展報告》指出“2012年中國風電發(fā)展增速放緩，很大原因是由于“棄風限電”更加嚴重，達200億kWh以上”，接近2011年“棄風限電”總額100億kWh的兩倍。隨著風電總裝機量的快速增長，風電機組并網(wǎng)難和消納難的問題也日益突出、亟待解決。同時，風電核心技術(shù)的不成熟，導致風電并網(wǎng)給電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量和穩(wěn)定性帶來影響。

1 風電并網(wǎng)技術(shù)

1.1 風力發(fā)電機組分類

風電機組有很多分類方法，按照機組的槳葉特性分為定槳距風機和變槳距風機；按照轉(zhuǎn)速的控制方式不同，分為恒速恒頻和變速恒頻兩種；按照發(fā)電機技術(shù)的不同，可以分為普通感應電機、雙饋電機和永磁同步電機（也有電勵磁同步電機）。目前風機的主要類型是定槳距失速型和變速變槳距型，其中變速變槳距型風力發(fā)電機因其風能利用率較高而在市場占據(jù)主要位置。變速變槳距型風力發(fā)電機主要分為兩種：一是通過多級齒輪箱增速驅(qū)動的雙饋式異步發(fā)電機，即雙饋式；二是風輪直驅(qū)動多級同步發(fā)電機，即直驅(qū)式或無齒輪箱式。

1.2 風力發(fā)電機組并網(wǎng)的條件

風力發(fā)電機的并網(wǎng)直接影響電能的輸送以及機組是否受到并網(wǎng)時沖擊電流的影響。為了使發(fā)電機能并網(wǎng)發(fā)電，必須滿足以下條件：①發(fā)電機所發(fā)出電源的相序分布必須同電網(wǎng)的匯流排所要求的相序一致；②發(fā)電機輸出的電壓有效值要同并入電網(wǎng)的匯流排所要求的電壓有效值相等或接近相等（電壓差小于10%）；③發(fā)電機的頻率應與電力系統(tǒng)電源的頻率基本相等，頻率差不能超過0.5～1 Hz；④發(fā)電機的電壓相位與電力系統(tǒng)電源的電壓相位相等（相位差小于10°）；⑤發(fā)電機發(fā)出電源的波形要與電網(wǎng)的波形相同，都是正弦波波形，且初始角、相位角、幅值和頻率相等［3］。

1.3 風力發(fā)電機的并網(wǎng)方式

在風電機組的運行過程中，當需要將發(fā)電機并入電網(wǎng)運行時，要求風電機組所發(fā)出的電能頻率必須和電網(wǎng)頻率保持一致，而不同機型的風電機組保持頻率與電網(wǎng)一致的方案不同。

1.3.1 恒速恒頻風力發(fā)電機的并網(wǎng)

恒速恒頻風力發(fā)電機系統(tǒng)是指在風電機組正常運行過程中，用恒定不變的發(fā)電機轉(zhuǎn)速，來獲得頻率和電網(wǎng)一致的恒頻電能。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、能承受短時尖峰電流、設備成本低等優(yōu)點，但是在并網(wǎng)瞬間會出現(xiàn)較大的沖擊電流，同時出現(xiàn)輸出電壓下降幅值超過電網(wǎng)并網(wǎng)要求，可能導致系統(tǒng)無法并網(wǎng)［4］。恒速恒頻風力發(fā)電機系統(tǒng)主要采用的是異步發(fā)電機，其并網(wǎng)方式主要有以下五種：

（1）直接并網(wǎng)方式：這種并網(wǎng)方式要求發(fā)電機相序與電網(wǎng)相序相同，當發(fā)電機轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速（一般達到99%～100%）時，發(fā)電機直接與電網(wǎng)并聯(lián)（即硬聯(lián)網(wǎng)）。這種方式并網(wǎng)容易、控制簡單，但是并網(wǎng)瞬間產(chǎn)生比較大的沖擊電流，存在三相短路現(xiàn)象，系統(tǒng)電壓在短時間內(nèi)下降劇烈。

（2）準同期并網(wǎng)方式：這種方式要求在轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時，采用電容勵磁，建立額定電壓，然后通過校正發(fā)電機的輸出電壓和頻率，使其與電網(wǎng)同步。所以當系統(tǒng)應用此種并網(wǎng)方式時，需要有高精度的調(diào)速器和整步同期設備配套。此并網(wǎng)方式的沖擊電流較小，對系統(tǒng)的電壓影響較小，但是并網(wǎng)時間長，必須控制在最大允許的轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)運行，以免造成“網(wǎng)上飛車”。

（3）捕捉式準同步快速并網(wǎng)方式：這種方式與常規(guī)的整步并網(wǎng)方式不同，是通過在變化的頻率中，跟蹤同步點來保持與電網(wǎng)同步，進而并網(wǎng)。該并網(wǎng)過程簡單、迅速、精確，幾乎可以實現(xiàn)對電網(wǎng)零沖擊［6］。

（4）降壓并網(wǎng)方式：這種方式是通過在發(fā)電機和系統(tǒng)之間串聯(lián)電阻、電抗器或自耦變壓器，來控制并網(wǎng)合閘瞬間的諧波電流幅值，避免電網(wǎng)電壓的大幅跌落。但是這種方式的投資較大，而且投資隨機組容量的增加而擴大，性價比不高，多用于小容量的風電機組［7］。

（5）軟并網(wǎng)方式：這種方式是發(fā)電機達到同步轉(zhuǎn)速附近時，發(fā)電機輸出端的斷路器閉合，發(fā)電機組依靠異步發(fā)電機定子與電網(wǎng)之間的雙向晶閘管與電網(wǎng)相連，通過電流反饋控制雙向晶閘管導通角，將并網(wǎng)時的沖擊電流限定在電網(wǎng)要求的范圍內(nèi)，從而得到一個比較平滑的并網(wǎng)過程。正常運行時，雙向晶閘管被短接。

1.3.2 變速恒頻風力發(fā)電機的并網(wǎng)

變速恒頻風力發(fā)電機系統(tǒng)在風電機組發(fā)電過程中，根據(jù)風速的變化調(diào)整發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，來得到符合電網(wǎng)頻率要求的恒頻電能。這種系統(tǒng)可以保證風電機組在很大的風速范圍內(nèi)按最佳效率運行，從而保證機組的額定功率輸出，得到最大功率；并網(wǎng)時對系統(tǒng)幾乎沒有沖擊電流，實現(xiàn)了發(fā)電機轉(zhuǎn)速和電網(wǎng)頻率的解耦，不會發(fā)生發(fā)電機的失步問題，所以在市場上占據(jù)主要地位。但是它的缺點是結(jié)構(gòu)復雜、成本高和技術(shù)難度大。

變速恒頻風力發(fā)電機系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)和運行方面可分為雙饋異步發(fā)電機系統(tǒng)和直驅(qū)同步發(fā)電機系統(tǒng)［5～8］。

（1）雙饋異步風力發(fā)電機機組的并網(wǎng)介紹

目前，雙饋異步風力發(fā)電機組的并網(wǎng)方式主要有以下三種：

①空載并網(wǎng)方式：通過引入定子磁鏈技術(shù)對發(fā)電機輸出電壓進行測量，使建立的雙饋發(fā)電機定子空載電壓與電網(wǎng)電壓的頻率、幅值、相位等相一致，滿足并網(wǎng)條件時進行并網(wǎng)操作。

②獨立負載并網(wǎng)方式：并網(wǎng)前發(fā)電機帶負載運行，根據(jù)電網(wǎng)信息和定子電壓、電流對風力發(fā)電機進行控制，在滿足并網(wǎng)條件時進行并網(wǎng)。這種并網(wǎng)方式的發(fā)電機具有一定的能量調(diào)節(jié)作用，降低了對原動機的調(diào)速性能的要求，并網(wǎng)控制所需要的信息由電網(wǎng)側(cè)和發(fā)電機定子側(cè)共同確定，使控制更精確，更有利于捕捉最大風能，但是這種控制方式非常復雜。

③孤島并網(wǎng)方式：此方式分為三個階段，分別是勵磁階段、孤島運行階段和并網(wǎng)階段。首先是勵磁階段，開始預充電過程，當風電機組的發(fā)電機轉(zhuǎn)速達到勵磁范圍時開始勵磁，并在直流整流器的橋梁作用下，使電網(wǎng)給變流器的直流母線電容充電。充電過程結(jié)束后，變流器的機側(cè)工作，為雙饋發(fā)電機的轉(zhuǎn)子側(cè)提供勵磁電流。同時定子側(cè)的電流慢慢增加，當輸出的電壓為額定值時，結(jié)束勵磁階段。孤島運行階段：當定子電壓達到額定值時，發(fā)電機定子輸出和轉(zhuǎn)子輸入分別與逆變器相連，形成獨立的能量環(huán)路，組成一個孤島運行方式。并網(wǎng)階段：當發(fā)電機轉(zhuǎn)速達到并網(wǎng)轉(zhuǎn)速，通過主控系統(tǒng)調(diào)節(jié)相關(guān)風機參數(shù)，使發(fā)電機電壓與電網(wǎng)電壓同步后并網(wǎng)［9］。

（2）直驅(qū)同步風力發(fā)電機的并網(wǎng)介紹

直驅(qū)同步發(fā)電機系統(tǒng)的葉輪直接聯(lián)接發(fā)電機，中間省去了增速齒輪箱，降低了風電機組的體積，也減輕了風電機組的重量，給風機的安裝和維護帶來便利。在并網(wǎng)之前，控制器會采集電網(wǎng)的電壓、頻率及相序等相關(guān)參數(shù)，并將相關(guān)參數(shù)傳到逆變器中，與輸出電壓等參數(shù)進行對比，通過變頻器調(diào)整控制輸出電壓的相關(guān)參數(shù)，當發(fā)電機輸出電能的各項參數(shù)和性能指標滿足電網(wǎng)的并網(wǎng)要求時，就可將整個系統(tǒng)并入電網(wǎng)［3］。

這種并網(wǎng)方式對變頻器要求較高，需要全功率高性能的變頻器，但是并網(wǎng)過程操作簡單，不會產(chǎn)生沖擊電流，不會引起電網(wǎng)電壓下降，可實現(xiàn)風機的柔性并網(wǎng)控制，并網(wǎng)特性可編程，同時不會對發(fā)電機定子繞組及其他機械部件造成損壞。

2 風電并網(wǎng)對電力系統(tǒng)造成的影響

2.1 風電并網(wǎng)對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

由于我國風電尚處于發(fā)展初期，風電技術(shù)不成熟，以及只追求快速完成裝機容量，而忽視了風機的質(zhì)量監(jiān)管。同時相關(guān)標準和監(jiān)控的空缺和不完善，造成風電機組低電壓穿越能力普遍缺失、風電場無功控制不到位、場內(nèi)設備存在缺陷、風電場運營管理經(jīng)驗不足等諸多問題，風機脫網(wǎng)事故頻發(fā)，對電網(wǎng)的安全運行造成沖擊，影響電網(wǎng)電能質(zhì)量和負荷正常供電。

2.2 風電并網(wǎng)對電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的影響

風能是一種瞬息萬變的不穩(wěn)定能源，即使風力發(fā)電機通過系統(tǒng)控制與調(diào)節(jié)盡量使輸出電能保持穩(wěn)定，仍無法避免輸出電能的小波動及其帶來的電能質(zhì)量問題。由于風速變化、風機投切、風湍流等原因可能會引起電壓波動，造成電壓偏差，引起電壓波動及閃變問題；并網(wǎng)后風電機組運行的不穩(wěn)定或相對頻繁的投入和切出操作，使風電場所接入系統(tǒng)的潮流經(jīng)常處于一種重新分配的過程，影響系統(tǒng)的頻率，帶來頻率偏差，嚴重時整個風電場突然切出，造成瞬間電源和負荷的失衡，引起系統(tǒng)頻率瞬時降低。由于風電場的出力與負荷變化規(guī)律相反，風電場的并網(wǎng)發(fā)電，常常使等效負荷峰谷差增大。隨著風力發(fā)電規(guī)模的增加，其在電網(wǎng)容量中所占的比例也相應提高，風電并網(wǎng)使電力系統(tǒng)的電壓偏差和波動、頻率偏差、尖峰諧波和閃變等電能質(zhì)量問題變得更加嚴重［10］。

2.3 風電并網(wǎng)對電網(wǎng)經(jīng)濟運行的影響

風電場出力的隨機性，造成電網(wǎng)可能要額外提供負荷跟蹤服務、增加備用容量服務、加強頻率控制服務、調(diào)節(jié)無功功率服務等，增加風電投資成本，影響風電運營商的收益，造成風電上網(wǎng)電價較高。以新疆電網(wǎng)為例，它以火電為主，系統(tǒng)容量有限，當風電機組長期高效運行，導致只能通過減少火電機組運行量，以避免電網(wǎng)系統(tǒng)容量超限。但是火電機組的啟停和維護費用都很高，若要滿足一定容量的風電機組正常并網(wǎng)需求，只能犧牲電網(wǎng)系統(tǒng)中的其他電廠，降低了電網(wǎng)的經(jīng)濟性。所以風電并網(wǎng)必須考慮對電網(wǎng)經(jīng)濟運行的影響，予以政策支持［11］。

2.4 風電并網(wǎng)對電網(wǎng)消納能力的影響

電網(wǎng)接納風電的能力取決于電網(wǎng)地區(qū)的系統(tǒng)調(diào)峰能力。電網(wǎng)地區(qū)的系統(tǒng)調(diào)峰能力越高，可消納的風電容量越大。由于風電裝機容量的快速增長，風電建設投產(chǎn)規(guī)模遠超過規(guī)劃容量，造成配套的電網(wǎng)工程滯后于實際投產(chǎn)的風電項目，嚴重影響電網(wǎng)的消納能力；而且我國風電集中地區(qū)的調(diào)峰技術(shù)手段缺乏，電源結(jié)構(gòu)不合理，調(diào)峰能力有限，再加上各省區(qū)之間的電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱，未能將多余的電能輸送出去，導致部分風電場消納能力不足，只能“棄風”。

系統(tǒng)調(diào)峰能力受到風電出力特性、電源結(jié)構(gòu)、負荷特性、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、市場和經(jīng)濟環(huán)境等多方面影響［12］。

2.5 風電并網(wǎng)對電力系統(tǒng)的其他影響

由于風電場的出力尚不能十分準確預報，可能增加電力系統(tǒng)的計劃外負荷，因此，并網(wǎng)風電場的運行給電力系統(tǒng)中調(diào)峰和調(diào)頻機組提出了更高的要求，不僅要求足夠的容量，而且要求這些風電機組具有快速響應能力；風電場與電力系統(tǒng)聯(lián)絡線的潮流有時是雙向的，這就給保護配置帶來一定的技術(shù)難度；裝機容量相同的風電場因接入點不同而對電網(wǎng)的影響也是不一樣的。在短路容量大的接入點并網(wǎng)對電網(wǎng)系統(tǒng)的影響小，在短路容量小的接入點并網(wǎng)對電網(wǎng)影響大。

3 如何解決風電機組的并網(wǎng)問題

風電并網(wǎng)難和消納難的根本原因在于電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不合理、風電關(guān)鍵技術(shù)的不成熟和風電發(fā)展的盲目無規(guī)劃性。針對風電并網(wǎng)難、消納難和影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量等問題，結(jié)合我國的實際情況，可以從技術(shù)發(fā)展、電源優(yōu)化、網(wǎng)架建設、統(tǒng)籌規(guī)劃和政策法規(guī)五個方面提出以下解決方案。

3.1 完善風電技術(shù)

我國風電產(chǎn)業(yè)起步晚、發(fā)展快，但是在快速發(fā)展過程中缺乏核心技術(shù)，缺少相關(guān)風電行業(yè)的專業(yè)技術(shù)人才，風能開發(fā)利用經(jīng)驗不足，從而引起一系列的風電并網(wǎng)問題。要解決風電并網(wǎng)的問題，首先從完善我國風電技術(shù)開始，提高創(chuàng)新能力，加強風電技術(shù)研發(fā)能力，完善風電機組的低電壓穿越能力，提高控制系統(tǒng)和變流器等風機關(guān)鍵零部件性能質(zhì)量；加快風電專業(yè)人才培養(yǎng)，走產(chǎn)、學、研綜合一體化發(fā)展道路，建立高校和科研所的風電專業(yè)人才培養(yǎng)基地［13］；吸取西方歐美國家建設風電場的經(jīng)驗，提高風電場設計和建設水平，推廣風電場典型設計，加強風電場建設管理。

3.2 優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)

解決風電并網(wǎng)帶來的電能質(zhì)量問題，需要改變我國的電源結(jié)構(gòu)不合理的現(xiàn)狀，加大調(diào)峰容量，給電力系統(tǒng)配置調(diào)頻電源，保證系統(tǒng)頻率在可調(diào)范圍內(nèi)。統(tǒng)籌規(guī)劃安排新能源和其他電源的協(xié)調(diào)發(fā)展，優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)，增加快速調(diào)節(jié)電源的建設；研究壓縮空氣蓄能、電化學儲能等大規(guī)模蓄能技術(shù)及其應用，探索提高需求側(cè)負荷率水平；研究風光儲聯(lián)合運行發(fā)電方式，協(xié)調(diào)系統(tǒng)調(diào)度運行方式，提高電網(wǎng)對風電的消納能力［12］。

3.3 完善電網(wǎng)網(wǎng)架

我國風電并網(wǎng)中最大的問題就是由于電網(wǎng)的消納能力有限而引起的“棄風”，2012年全國風電“棄風限電”超過200億kWh。造成此問題的一個主要原因是我國風能資源豐富地區(qū)的電網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)模有限，無法完全消納風電場輸出的電能；另一個主要原因就是不合理的電源結(jié)構(gòu)，電網(wǎng)框架結(jié)構(gòu)簡單，引起的電網(wǎng)系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)性差。解決風電并網(wǎng)帶來的消納問題，就需要加大跨區(qū)跨省聯(lián)網(wǎng)能力建設，完善電網(wǎng)網(wǎng)架，加強區(qū)域間互聯(lián)，擴大風電消納范圍，實現(xiàn)跨省、跨區(qū)優(yōu)化配置，充分合理運用聯(lián)合區(qū)域的系統(tǒng)調(diào)峰資源，提高電網(wǎng)的風電消納能力。

3.4 協(xié)調(diào)統(tǒng)籌規(guī)劃

由于開發(fā)利用風電是一個系統(tǒng)工程，所以解決風電并網(wǎng)問題需要從全局著手，做好風電開發(fā)、系統(tǒng)電源、電網(wǎng)輸送、消納市場的統(tǒng)一規(guī)劃，注重風電場的容量與經(jīng)濟效益，對應建風電場的并網(wǎng)容量進行優(yōu)化分析［14］，將風電場項目的發(fā)展規(guī)劃同電網(wǎng)的建設統(tǒng)籌考慮，建立風電項目與并網(wǎng)工程同步規(guī)劃、同步投產(chǎn)的有效機制，保障電網(wǎng)電源協(xié)調(diào)發(fā)展。

3.5 完善政策法規(guī)

由于我國風電方面的法律法規(guī)不足，未及時指導和監(jiān)督風電相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，導致我國風電發(fā)展過程中出現(xiàn)的大規(guī)模風電機組的脫網(wǎng)和棄風等問題。所以解決風電并網(wǎng)問題，需要國家相關(guān)部門完善風電發(fā)展的法律法規(guī)［15］，規(guī)范風電產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，促進風電相關(guān)企業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新，改革風電價格機制，監(jiān)督落實優(yōu)惠稅收政策和電價補貼政策，激勵推動風電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

4 總 結(jié)

在認清我國風電并網(wǎng)的現(xiàn)狀與面臨的問題后，本文主要通過對風電并網(wǎng)技術(shù)的分析以及對風電并網(wǎng)給電力系統(tǒng)帶來影響的原因探究，提出從技術(shù)發(fā)展、電源優(yōu)化、網(wǎng)架建設、統(tǒng)籌規(guī)劃和政策法規(guī)這五個方面采取有效措施，來解決風電并網(wǎng)中的問題，促進我國風電產(chǎn)業(yè)的健康快速發(fā)展。

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