汪寧渤，馬彥宏，王建東

(甘肅省電力公司風(fēng)電技術(shù)中心，蘭州市，730050)

0 引言

甘肅酒泉是國家批準開工建設(shè)的第1個10 GW級風(fēng)電基地。截止2011年6月，已經(jīng)完成吊裝的風(fēng)電機組容量為5500 MW，其中已經(jīng)并網(wǎng)投產(chǎn)的風(fēng)電裝機容量為4060 MW。2011年底已經(jīng)完成吊裝的風(fēng)電機組將全部并網(wǎng)投產(chǎn)，甘肅酒泉將成為集中并網(wǎng)規(guī)模最大的風(fēng)電基地之一。隨著大規(guī)模風(fēng)電集中并網(wǎng)發(fā)電，風(fēng)電所特有的波動性、隨機性對于電力系統(tǒng)的影響也逐步顯現(xiàn)，尤其是酒泉風(fēng)電基地的電力電量幾乎全部需要送到1000 km以外的蘭州負荷中心，弱電網(wǎng)、遠距離、大規(guī)模送出、波動性的風(fēng)電帶來了一系列技術(shù)問題，大規(guī)模風(fēng)電集中并網(wǎng)對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定產(chǎn)生了巨大的影響。風(fēng)電大規(guī)模集中并網(wǎng)不僅在正常運行時存在送出及消納等技術(shù)問題，而且大幅度增加了電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的風(fēng)險。在2011年2月24日酒泉風(fēng)電基地連續(xù)發(fā)生了大批機組脫網(wǎng)事故，造成河西電力系統(tǒng)電壓、頻率大幅度波動，對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行造成了嚴重威脅。

1 酒泉風(fēng)電基地基本情況

1.1 風(fēng)電場接入系統(tǒng)

酒泉風(fēng)電基地的一期工程主要集中在玉門、瓜州2個區(qū)域內(nèi)，在酒泉風(fēng)電基地已經(jīng)完成吊裝的5500 MW風(fēng)電機組中有4100 MW風(fēng)電場通過330 kV電壓等級接入系統(tǒng)匯集;另外1400 MW風(fēng)電機組先通過110 kV電壓等級接入系統(tǒng)，然后匯集到公網(wǎng)330 kV變電站。酒泉風(fēng)電基地大部分風(fēng)電通過2010年建成投產(chǎn)的750 kV武勝—河西—酒泉—敦煌輸變電工程送出到1000 km以外的蘭州負荷中心。

1.2 風(fēng)電場運行情況

甘肅風(fēng)電最大出力發(fā)生在2011年4月22日，為2667 MW，占當(dāng)時全網(wǎng)用電負荷的27%，占當(dāng)日全網(wǎng)最低用電負荷的32%。甘肅風(fēng)電最大日發(fā)電量出現(xiàn)于2011年4月10日，為5519萬kW·h，占當(dāng)日全網(wǎng)發(fā)電量的18.4%，占當(dāng)日全省用電量的25%［1］。

在風(fēng)電大出力不能保證全部送出的情況下，甘肅實際運行風(fēng)電出力在40%以下裝機容量出現(xiàn)的概率為86%，其中0～10%裝機容量區(qū)間出現(xiàn)頻率為32%，10% ～20%、20% ～30%和30% ～40%裝機容量出現(xiàn)的概率分別為23%、16%和15%。40%以上裝機容量區(qū)出現(xiàn)的概率為14%，其中40% ～50%、50%～60%和60%以上裝機容量區(qū)間出現(xiàn)的概率分別為 10%、3%和 1%［2］。

從發(fā)電量統(tǒng)計情況看，在存在限電的情況下甘肅風(fēng)電反調(diào)峰特性仍然非常明顯。酒泉風(fēng)電基地風(fēng)電發(fā)電量在0:00～6:00所占比例為44%，6:00～12:00、12:00～18:00和18:00～24:00所占比例分別為20%、21%、15%［2］。由于限電主要發(fā)生在0:00～6:00風(fēng)電大出力期間，如果不限電，酒泉風(fēng)電的反調(diào)峰問題將更加突出。

2 風(fēng)電場機組脫網(wǎng)事故

隨著風(fēng)電集中并網(wǎng)容量的不斷增加，酒泉風(fēng)電基地風(fēng)電場進入事故高發(fā)期。截至目前，酒泉風(fēng)電場累計發(fā)生各類事故50余次，其中發(fā)生風(fēng)電機組脫網(wǎng)超過100臺、影響范圍較大事故7次，尤其是2011年2月24日、4月17日、4月25日3次事故分別甩風(fēng)電出力840、1006和1535 MW。

其中2011年2月24日脫網(wǎng)事故具有代表性。當(dāng)天0:34左右酒泉風(fēng)電基地橋西風(fēng)電場35 kV饋線電纜C相套管發(fā)生接地擊穿，11 s后發(fā)生三相短路，導(dǎo)致電壓跌落到額定電壓的67%，60 ms保護正確動作切除了事故回路。當(dāng)時，酒泉風(fēng)電基地風(fēng)電總發(fā)電出力1750 MW，發(fā)生電壓跌落后不僅發(fā)生事故的風(fēng)電場風(fēng)電機組全部脫網(wǎng)，而且導(dǎo)致附近風(fēng)電機組脫網(wǎng)，酒泉風(fēng)電基地共有298臺、415 MW 風(fēng)電機組脫網(wǎng)。由于此時運行的風(fēng)電場大部分動態(tài)無功補償設(shè)備不完善，伴隨著大量風(fēng)電機組脫網(wǎng)以后無法自動調(diào)整無功補償容量，電力系統(tǒng)容性無功容量過剩，導(dǎo)致系統(tǒng)電壓快速升高達到額定電壓的110%以上，從而風(fēng)電機組電壓超過額定工作電壓，結(jié)果導(dǎo)致還在運行的300臺、425 MW風(fēng)電機組脫網(wǎng)。整個事故過程中共導(dǎo)致 598臺、840 MW 風(fēng)電機組脫網(wǎng)［3］。敦煌750 kV變電所母線電壓短時間在67% ～110%額定電壓范圍內(nèi)大幅度波動，并造成西北主網(wǎng)頻率最低至49.854 Hz，直接影響到該地區(qū)用戶的用電質(zhì)量。2月24日脫網(wǎng)事故中橋西風(fēng)電場330 kV升壓站電壓變化曲線［3］如圖1所示。

酒泉風(fēng)電基地事故頻發(fā)的主要原因是已投運風(fēng)電機組不具備低電壓穿越功能。如果酒泉風(fēng)電基地5500 MW機組全部投產(chǎn)以后，風(fēng)電機組仍然不具備低電壓穿越能力，風(fēng)電機組仍然采取切機逃逸方式，則當(dāng)電網(wǎng)故障或受到風(fēng)電場沖擊出現(xiàn)電壓跌落時，不僅將大幅度增加電網(wǎng)運行控制的難度，甚至可能導(dǎo)致電力系統(tǒng)電壓崩潰的惡性事故。

圖1 橋西風(fēng)電場330 kV升壓站電壓變化曲線Fig.1 Voltage variation curve of 330 kV substation in Jiuquan Qiaoxi wind farm

3 大規(guī)模風(fēng)電對電力系統(tǒng)的影響

3.1 調(diào)峰

截至2010年年底甘肅省最大用電負荷僅有10450 MW，甘肅電網(wǎng)統(tǒng)調(diào)裝機容量為22000 MW［2］，具備調(diào)峰能力的發(fā)電機組容量約為8000 MW，其中火電機組6000 MW、水電機組2000 MW;水電機組豐水期調(diào)峰能力弱、枯水期調(diào)峰能力較強，火電機組供熱期間調(diào)峰能力弱、非供熱期間調(diào)峰能力較強，受到水電、火電機組運行方式以及檢修等因素的影響，系統(tǒng)內(nèi)最大可能的調(diào)峰容量約為6000 MW;考慮事故備用、負荷備用等因素需要占用一部分調(diào)峰能力，另外電網(wǎng)結(jié)構(gòu)可能限制部分機組的調(diào)峰能力，甘肅省所有機組的不同時期的總調(diào)峰能力約為4000 MW;考慮到其中約1500 MW的機組調(diào)峰能力需要用于用電負荷調(diào)峰，能夠承擔(dān)風(fēng)電調(diào)峰的發(fā)電能力僅約為2500 MW，難以滿足2011年酒泉風(fēng)電基地5500 MW風(fēng)電所需調(diào)峰能力的要求。另外，酒泉風(fēng)電具有明顯的反調(diào)峰特性，同時考慮風(fēng)電功率預(yù)測預(yù)報系統(tǒng)精度存在不確定性，調(diào)峰能力不足對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行造成的影響更大。

3.2 電力電量消納

2011年下半年酒泉風(fēng)電基地集中并網(wǎng)的風(fēng)電裝機容量將達到5500 MW，預(yù)計到2011年甘肅省最大負荷為11000 MW、公司售電量為7500 GW·h。甘肅省用電最大負荷僅為11000 MW，要消納5500 MW風(fēng)電，從電力平衡的角度考慮根本沒有可能;省公司售電量7500 GW·h中要消納1210 GW·h的風(fēng)電上網(wǎng)電量，從電量平衡看似乎可能，但考慮到面臨著水電、火電建設(shè)項目大批投產(chǎn)，如果1210 GW·h的風(fēng)電發(fā)電量全部在甘肅省內(nèi)消納，火電機組的利用小時數(shù)將下降到4000 h以下［4］。因此，從電力平衡、電量平衡方面考慮，2011年5500 MW 風(fēng)電需要更大的用電消納市場。

2011年年底甘肅省總裝機容量約為26000 MW，其中風(fēng)電為5800 MW，占總裝機的22.3%，遠遠超過了國際上公認的電網(wǎng)接入風(fēng)電能力不超過系統(tǒng)總裝機容量的10%～15%的標準。如果考慮酒泉風(fēng)電基地風(fēng)電是從電網(wǎng)末端集中接入的特點，目前酒泉投產(chǎn)的風(fēng)電在酒泉及河西地區(qū)已經(jīng)無法消納，幾乎全部需要送到蘭州負荷中心消納，甘肅電網(wǎng)集中接入酒泉風(fēng)電的安全穩(wěn)定風(fēng)險進一步增加。

3.3 電網(wǎng)送出能力

根據(jù)酒泉“陸上三峽”風(fēng)電基地的建設(shè)需要，新建的河西750 kV電網(wǎng)的西電東送的能力僅為1800 MW左右［5］，根本無法滿足已經(jīng)完成吊裝的5500 MW風(fēng)電的送出需要。為此省公司與國內(nèi)有關(guān)研究院所合作研制了750 kV可控高抗等，同時通過750 kV電網(wǎng)與新疆聯(lián)網(wǎng)以提高系統(tǒng)穩(wěn)定水平和輸送能力［5］，另外采取河西電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制措施及河西750 kV與330 kV電網(wǎng)電磁環(huán)網(wǎng)運行，將河西750 kV電網(wǎng)西電東送的能力提高到3300 MW左右?？紤]到風(fēng)電機組發(fā)電的同時率和就地消納部分負荷，勉強能夠滿足94%以上概率條件下的5500 MW風(fēng)電送出，仍然有6%左右的時間風(fēng)電大方式條件需要限發(fā)棄風(fēng)。采取這些技術(shù)措施提高了電網(wǎng)送出風(fēng)電的能力，同時也將電力系統(tǒng)安全裕度幾乎用完，明顯增加電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的風(fēng)險。

3.4 電力系統(tǒng)電壓控制

3.4.1 風(fēng)電機組低電壓穿越能力

盡管酒泉風(fēng)電基地風(fēng)電機組提出了低電壓穿越能力要求，風(fēng)機制造企業(yè)也作出具備低電壓穿越能力的承諾，但2010年啟動驗收試驗和2011年的風(fēng)電脫網(wǎng)事故證明酒泉風(fēng)電場絕大多數(shù)風(fēng)電機組不具備低電壓穿越能力，另外酒泉風(fēng)電場均沒有做過低電壓穿越特性的測試。由于風(fēng)電場不具備低電壓穿越能力，2010年啟動驗收試驗和2011年的風(fēng)電脫網(wǎng)事故過程中，電網(wǎng)電壓短時間跌落時運行的風(fēng)電機組幾乎全部退出運行，導(dǎo)致河西電網(wǎng)有功功率、無功功率大幅度波動，嚴重威脅了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

3.4.2 電壓控制

酒泉位于甘肅電網(wǎng)最西端，屬于典型的弱電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，本身電壓控制的難度就比較大，張掖電廠、酒鋼電廠對河西電網(wǎng)電壓支撐作用較為明顯。隨著酒泉風(fēng)電基地裝機容量不斷增加，為了滿足風(fēng)電送出的需要不得不降低張掖電廠、酒鋼電廠的發(fā)電出力，相應(yīng)地對系統(tǒng)的電壓控制能力降低;風(fēng)電的波動性、隨機性，伴隨著有功出力的大幅度變化電網(wǎng)電壓也將大幅度變化，使得河西電網(wǎng)電壓控制難度明顯增加;2011年2月24日以來酒泉風(fēng)電脫網(wǎng)事故過程中河西電網(wǎng)電壓大幅度波動是風(fēng)電對于電力系統(tǒng)電壓影響的典型案例，不僅嚴重影響了系統(tǒng)電壓控制，而且直接威脅到電力系統(tǒng)安全。

3.5 系統(tǒng)有功控制

3.5.1 風(fēng)電機組的有功功率控制

目前酒泉風(fēng)電基地僅能實現(xiàn)風(fēng)電機組狀態(tài)和有功功率的監(jiān)測，不能實現(xiàn)風(fēng)電場及機組的有功功率控制。盡管已經(jīng)提出了風(fēng)電機組有功功率控制的技術(shù)要求，但能否滿足有功控制能力的要求存在較大的不確定性。

3.5.2 對電力系統(tǒng)有功功率的影響

為了滿足國家電網(wǎng)公司風(fēng)電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定的風(fēng)電場最大有功功率變化率要求，要求風(fēng)電場必須具備有功功率控制功能。甘肅省電力公司已經(jīng)研究開發(fā)了有功控制系統(tǒng)，以750 kV送出線路潮流作為聯(lián)絡(luò)線控制目標，按照“總斷面—區(qū)域斷面—風(fēng)場斷面”的控制策略，向相關(guān)風(fēng)電場下達有功控制指令，實現(xiàn)并網(wǎng)風(fēng)電場有功控制。但由于風(fēng)電機組不具備有功控制能力，目前不得不采取切除風(fēng)電機組或匯集線路的技術(shù)措施，使得風(fēng)電有功控制手段不可靠，這也是影響電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要因素。

3.6 系統(tǒng)無功協(xié)調(diào)控制

3.6.1 風(fēng)電機組的無功控制

酒泉風(fēng)電基地主要采用雙饋型和永磁直驅(qū)型風(fēng)電機組，目前絕大多數(shù)風(fēng)電場的風(fēng)電機組功率因數(shù)設(shè)定為1，并且風(fēng)電機組不具備在線調(diào)整功率因數(shù)的能力，因此無法充分利用風(fēng)電機組的無功容量。盡管提出酒泉風(fēng)電基地的機組必須采用恒壓控制方式，從而釋放機組的無功容量的要求，但預(yù)計酒泉風(fēng)電機組難以滿足無功控制的要求。

3.6.2 電力系統(tǒng)的無功需求及存在的問題

風(fēng)速變化必然引起風(fēng)電場有功大幅度變化，風(fēng)電場的無功需求及輸電線路的無功損耗也將大幅度變化。由于風(fēng)電機組不具備無功出力自動調(diào)整能力，電力系統(tǒng)的無功、電壓必然大幅度變化。由于風(fēng)電有功出力預(yù)測預(yù)報精度不高，電壓波動幅度及時刻也難以準確預(yù)測，因此，固定無功補償裝置已不能滿足風(fēng)電場的運行要求，必須采用靜止無功補償器(static var compensator，SVC)或靜止無功發(fā)生器(static var generator，SVG)調(diào)節(jié)風(fēng)電場的無功［6-7］。酒泉風(fēng)電基地盡管安裝了SVC、SVG設(shè)備，但近期酒泉風(fēng)電基地脫網(wǎng)事故反映出的問題說明，SVC、SVG設(shè)備的可靠性和主要性能直接影響電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定，另外分散在風(fēng)電場的SVC、SVG設(shè)備沒有實現(xiàn)集中控制，增加了電力系統(tǒng)調(diào)度處理事故的難度。

3.7 電網(wǎng)頻率

2010年酒泉地區(qū)風(fēng)電場典型日出力爬坡率最大約為總裝機容量的10%，發(fā)電同時率平均為0.8左右［1］。2011年5500 MW 風(fēng)電機組全部投產(chǎn)后，受到分散性及互補性的影響，風(fēng)電出力爬坡率和同時率均將下降，風(fēng)電場出力最大變化不會超過300 MW/min［8］。在正常狀態(tài)下以水電為主、火電為輔的調(diào)節(jié)方式應(yīng)該能夠滿足風(fēng)電一次調(diào)頻要求。但河西750 kV電網(wǎng)是典型的遠距離、大容量、弱聯(lián)系同步輸電系統(tǒng)，當(dāng)在河西750 kV主通道雙回發(fā)生故障時，西部電網(wǎng)與新疆電網(wǎng)頻率將上升，為了保持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定必須切除一定容量的風(fēng)電機組。受到風(fēng)電場控制能力不足的制約，在極端事故狀態(tài)下可能存在電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定控制的風(fēng)險。

4 應(yīng)對措施與建議

(1)酒泉大規(guī)模風(fēng)電集中接入系統(tǒng)在調(diào)頻調(diào)峰、送出能力、電壓、有功功率、無功功率和頻率等方面的控制難度大幅度加大，電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的風(fēng)險明顯增加。

(2)酒泉風(fēng)電機組的低電壓穿越、有功控制、無功控制等性能對于電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行影響巨大，必須加強風(fēng)電機組選型及功能配置的管理，使得大規(guī)模集中并網(wǎng)的風(fēng)電機組主要性能技術(shù)指標向常規(guī)電源靠近。

(3)加快風(fēng)電場集群控制系統(tǒng)研究與開發(fā)，提高酒泉風(fēng)電基地風(fēng)電場運行控制的能力和水平;完善風(fēng)電機組、無功補償裝置等關(guān)鍵設(shè)備的運行控制手段，提高風(fēng)電場正常控制、緊急安全穩(wěn)定控制能力，全面提高風(fēng)電場的運行控制水平。

(4)建立與大規(guī)模風(fēng)電基地集中接入電網(wǎng)相適應(yīng)的技術(shù)規(guī)范、管理規(guī)定;加強風(fēng)電基地風(fēng)電場建設(shè)、并網(wǎng)、啟動驗收和運行全過程管理，加快風(fēng)電安全監(jiān)督保證體系建設(shè)，確保大規(guī)模風(fēng)電對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的影響風(fēng)險可控、在控和能控。

(5)加強風(fēng)電場出力預(yù)測技術(shù)研究，加快酒泉風(fēng)電基地預(yù)測預(yù)報系統(tǒng)建設(shè)［9-10］;明確電網(wǎng)、風(fēng)電場在風(fēng)電預(yù)測預(yù)報方面責(zé)任，建立并不斷完善風(fēng)電預(yù)測預(yù)報系統(tǒng)，逐步提高風(fēng)電預(yù)測預(yù)報的精度。

5 結(jié)語

伴隨著我國規(guī)劃的7個10 GW級風(fēng)電基地連續(xù)開工建設(shè)，大規(guī)模風(fēng)電集中開發(fā)、遠距離送出的發(fā)展模式面臨一系列技術(shù)問題，近期酒泉風(fēng)電基地連續(xù)脫網(wǎng)事故說明需要高度關(guān)注大規(guī)模風(fēng)電集中并網(wǎng)對于電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的影響。

大規(guī)模風(fēng)電集中并網(wǎng)首先需要加強電源、電網(wǎng)和用電市場統(tǒng)籌規(guī)劃，緩解大規(guī)模風(fēng)電調(diào)頻調(diào)峰、送出能力和消納矛盾，保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)條件;其次需要適當(dāng)提高大規(guī)模風(fēng)電基地建設(shè)技術(shù)標準，使得風(fēng)電場具備有功控制、無功電壓控制和低電壓穿越能力，緩解大規(guī)模風(fēng)電集中并網(wǎng)對于電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的影響，促進大規(guī)模風(fēng)電基地持續(xù)、穩(wěn)定、健康發(fā)展。

［1］甘肅省電力公司.甘肅電網(wǎng)風(fēng)電運行情況報告［R］.蘭州:甘肅省電力公司調(diào)度通信中心，2010.

［2］甘肅省電力公司.2010年甘肅電網(wǎng)新能源運行分析報告［R］.蘭州:甘肅省電力公司調(diào)度通信中心，2010.

［3］甘肅省電力公司.“2.24”橋西升壓站事故調(diào)查分析報告［R］.蘭州:甘肅省電力公司調(diào)度通信中心，2011.

［4］汪寧渤，馬彥宏，夏懿.甘肅酒泉10 GW風(fēng)電基地面臨的巨大挑戰(zhàn)［J］.電力建設(shè)，2010，31(1):101-104.

［5］甘肅省電力公司，中國電力科學(xué)研究院.甘肅電網(wǎng)接納風(fēng)電能力研究報告［R］.蘭州:甘肅省電力公司，2009.

［6］申洪.安西—酒泉—金昌—永登750 kV輸電系統(tǒng)動態(tài)無功補償研究［R］.北京:中國電力科學(xué)研究院，2009.

［7］申洪.哈密—安西750 kV輸電系統(tǒng)無功補償研究［R］.北京:中國電力科學(xué)研究院，2009.

［8］肖創(chuàng)英，汪寧渤，丁坤，等.甘肅酒泉風(fēng)電功率調(diào)節(jié)方式研究［J］.中國電機工程學(xué)報，2010，30(10):1-6.

［9］Nielsen T S，Joensen A F，Madsen H，et al.A new reference for wind power forecasting［J］.Wind Energy，1999(1):29-34.

［10］馬彥宏，汪寧渤，劉福潮，等.甘肅酒泉風(fēng)電基地風(fēng)電預(yù)測預(yù)報系統(tǒng)［J］.電力系統(tǒng)自動化，2009，33(16):88-90.