馬祥?米淵?馬曉寧

摘要：風(fēng)電作為一種綠色、可再生的能源，近年來得到高速發(fā)展。隨著風(fēng)電裝機(jī)容量的增加，風(fēng)力發(fā)電的隨機(jī)性、不可控性等缺點也日益顯現(xiàn)出來。風(fēng)電對大同電網(wǎng)的不利影響主要集中在頻率、電網(wǎng)電壓、系統(tǒng)穩(wěn)定性、諧波污染、線路損耗和保護(hù)裝置等方面，建議通過開展風(fēng)電出力預(yù)測、提高風(fēng)電場穿透功率、加強(qiáng)風(fēng)電場接入點的諧波和無功功率監(jiān)測等措施來消除這些不利影響。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；接入系統(tǒng)；電網(wǎng)

作者簡介：馬祥（1964-），男，回族，山西大同人，大同供電公司調(diào)控中心調(diào)控值長，高級企業(yè)培訓(xùn)師，高級技師，國家電網(wǎng)公司技能專家；米淵（1988-），男，山西朔州人，大同供電公司調(diào)控中心，助理工程師。（山西 大同 037008）

中國分類號：TM732 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）09-0240-02

風(fēng)力發(fā)電是21世紀(jì)重要的綠色能源，也是化石能源的重要替代能源之一。近年來，隨著風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)的日益成熟，以及國家相關(guān)政策的大力支持，風(fēng)力發(fā)電發(fā)展迅速，大同地區(qū)作為風(fēng)能可利用區(qū)，已經(jīng)直接或間接接入電網(wǎng)10座風(fēng)電場。風(fēng)力發(fā)電作為一種可再生的清潔能源，對于環(huán)保以及能源的可持續(xù)發(fā)展有著積極意義，同時作為統(tǒng)一堅強(qiáng)智能電網(wǎng)規(guī)劃中重要的可再生能源以及分布電源發(fā)展的一部分，起著至關(guān)重要的作用。但是風(fēng)電電源由于其自身特點，當(dāng)風(fēng)電裝機(jī)容量占總電網(wǎng)容量的比例較大時對輸電網(wǎng)的安全和經(jīng)濟(jì)運行都會帶來沖擊，風(fēng)能的隨機(jī)性、不可控性以及風(fēng)電機(jī)組的特性，并入電網(wǎng)后對電網(wǎng)還會產(chǎn)生一定的不利影響。

一、大同電網(wǎng)風(fēng)電現(xiàn)狀

目前大同電網(wǎng)已經(jīng)并網(wǎng)發(fā)電的風(fēng)電場有左云五路山風(fēng)電場（80*1.5MW）、新榮小窯山風(fēng)電場（33*1.5MW）、天鎮(zhèn)武家山風(fēng)電場（66*1.5MW）、大梁山風(fēng)電場（33*1.5MW）、渾源密馬鬃梁風(fēng)電場（66*1.5MW）、靈丘甸頂山風(fēng)電場（33*1.5MW+30*1.65MW）、寒風(fēng)嶺風(fēng)電場（66*1.5MW）、廣靈月明山風(fēng)電場（25*2MW）、福風(fēng)嶺風(fēng)電場（33*1.5MW），總裝機(jī)容量為714.5MW。其中，左云五路山風(fēng)電場直接并入了大同電網(wǎng)高山供電系統(tǒng)；小窯山風(fēng)電場并入了北郊供電系統(tǒng)；福風(fēng)嶺風(fēng)電場、武家山風(fēng)電場、大梁山風(fēng)電場并入了陽高供電系統(tǒng)；寒風(fēng)嶺風(fēng)電場、密馬鬃梁風(fēng)電場、甸頂山風(fēng)電場、月明山風(fēng)電場并入了渾靈廣供電系統(tǒng)。按照公司規(guī)劃，計劃在“十二五”期間在大陽天、渾靈廣地區(qū)還會有一定容量的風(fēng)電場建設(shè)接入大同電網(wǎng)。隨著風(fēng)電場并網(wǎng)容量的逐步增大，風(fēng)電對電網(wǎng)的一些影響將會逐步顯現(xiàn)，因此加強(qiáng)風(fēng)電并入電網(wǎng)后對電網(wǎng)影響的研究分析很有必要，也具有一定的現(xiàn)實意義。

二、風(fēng)電場并入電網(wǎng)對電網(wǎng)的影響分析

1.對電網(wǎng)頻率的影響

電網(wǎng)頻率受風(fēng)電的影響主要取決于風(fēng)電場裝機(jī)容量占電網(wǎng)裝機(jī)總?cè)萘康谋壤Ｓ捎陲L(fēng)電的輸出功率具有隨機(jī)波動的特點，當(dāng)風(fēng)電場的裝機(jī)容量在電網(wǎng)中所占比例較大時，電網(wǎng)的電能質(zhì)量以及系統(tǒng)中頻率敏感負(fù)荷的正常工作會受到一定程度的影響，因此地區(qū)電網(wǎng)在風(fēng)電開發(fā)時，應(yīng)根據(jù)其總裝機(jī)容量考慮風(fēng)電的接納能力，使電網(wǎng)建設(shè)逐步、協(xié)調(diào)發(fā)展。目前通常用風(fēng)電穿透功率來分析風(fēng)電場對電網(wǎng)頻率的影響?！帮L(fēng)電穿透功率”是指電網(wǎng)系統(tǒng)中風(fēng)電場裝機(jī)容量占系統(tǒng)總負(fù)荷的比例。根據(jù)實際運行統(tǒng)計，當(dāng)風(fēng)電穿透功率小于10%時，電網(wǎng)頻率的變化在允許范圍之內(nèi)。按照大同電網(wǎng)風(fēng)電接入容量情況以及運行情況，目前風(fēng)力發(fā)電對電網(wǎng)的頻率影響不大，但隨著規(guī)劃風(fēng)電容量的逐步增加，對電網(wǎng)頻率的影響也將日益加大。

2.對電網(wǎng)電壓和系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

風(fēng)電場接入電網(wǎng)的末端，改變了配電網(wǎng)功率單向流動的特點，使潮流流向和分布發(fā)生改變。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組多數(shù)采用異步發(fā)電機(jī)，在向電網(wǎng)輸出有功功率的同時需要從電網(wǎng)吸收大量無功功率，可能引起并網(wǎng)點電壓波動，補償風(fēng)電場的無功功率一般通過在風(fēng)機(jī)配置功率因數(shù)校正裝置或者在風(fēng)電場母線安裝電容器組實現(xiàn)。無功補償量的大小與接入點的電壓平方成正比，若系統(tǒng)電壓水平較低，則并聯(lián)電容器的無功補償量迅速下降，導(dǎo)致風(fēng)電場對電網(wǎng)的無功功率需求上升，嚴(yán)重時會造成系統(tǒng)電壓崩潰。

目前220kV陽高站低壓側(cè)所帶用戶無功消耗大，陽高站低壓側(cè)電容器還未投運，無功不能滿足就地平衡，同時由于天鎮(zhèn)武家山、大梁山風(fēng)電并入陽高站110kV系統(tǒng)，風(fēng)電大發(fā)時，陽高站中壓側(cè)潮流向主變倒送，導(dǎo)致陽高站高壓側(cè)功率因數(shù)在0.7左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電網(wǎng)運行規(guī)定的要求，導(dǎo)致變壓器損耗較大。高山站同樣存在類似的情況。

根據(jù)電壓曲線的監(jiān)視，雖然有一定容量的風(fēng)電接入大同電網(wǎng)北郊系統(tǒng)，但是由于電廠側(cè)SVC的及時投入，風(fēng)電對北郊系統(tǒng)的電壓影響較小。

此外，由于異步發(fā)電機(jī)的功率恢復(fù)特性，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生短路故障時，若不能及時排除故障，容易導(dǎo)致暫態(tài)電壓失穩(wěn)。另外，隨著地區(qū)電網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)容量的不斷擴(kuò)大，其在電網(wǎng)中所占的比例逐漸增加，風(fēng)電輸出的波動性對電網(wǎng)的功率沖擊效應(yīng)也不斷增大，對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響也更加顯著，嚴(yán)重時可能使系統(tǒng)失去動態(tài)穩(wěn)定性，導(dǎo)致整個系統(tǒng)的瓦解。

3.對電網(wǎng)的諧波污染

目前風(fēng)電場廣泛采用變漿距調(diào)節(jié)控制的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其調(diào)節(jié)裝置一般采用“交-直-交”變流器接入電網(wǎng)，這種類型的風(fēng)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)不同風(fēng)速下最大捕獲風(fēng)能，提高發(fā)電效率。大同電網(wǎng)投入運行的幾座風(fēng)電場均采用該類型調(diào)節(jié)裝置，如果變頻恒速風(fēng)電機(jī)組電力電子控制裝置的切換頻率在產(chǎn)生諧波范圍內(nèi)，則會產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波問題。因此，在風(fēng)電場的規(guī)劃設(shè)計階段，就應(yīng)根據(jù)選用分風(fēng)電機(jī)組類型及并網(wǎng)方式對系統(tǒng)電能質(zhì)量進(jìn)行評估，并提出相應(yīng)的諧波治理方案。目前大同電網(wǎng)接入的風(fēng)電場中均裝設(shè)有TCR濾波功能的SVC裝置，對抑制諧波會起到一定的作用。

4.對保護(hù)裝置的影響

風(fēng)電場的出力介于零和額定之間，并網(wǎng)線路正常運行時電流常為額定電流的30%～60%，另外，由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)均為異步電機(jī)，短路電流很快衰減，在發(fā)生短路故障時，風(fēng)電提供的短路電流往往較小，且不能提供持續(xù)的短路電流，導(dǎo)致系統(tǒng)保護(hù)的靈敏度降低。

風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力普遍不足，僅能滿足并網(wǎng)點電壓跌至20%額定電壓時，保持并網(wǎng)運行625ms。而發(fā)生電壓跌落后3s內(nèi)如果不能恢復(fù)到額定電壓的90%，風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組則基本會全部自行脫網(wǎng)。再加上當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電功率的不確定性，所以風(fēng)電機(jī)組不能作為正常發(fā)電機(jī)組對待。鑒于上述原因，大同電網(wǎng)內(nèi)全部風(fēng)電接入系統(tǒng)不作為電源點模型考慮，保護(hù)及安全自動裝置的配置按負(fù)荷端配置，但保護(hù)裝置方向元件和重合閘等均按對側(cè)有電源設(shè)置。這種配置方式在當(dāng)前風(fēng)電接入容量較小，接入線路較少的情況下，不致影響系統(tǒng)的穩(wěn)定，但當(dāng)風(fēng)電接入規(guī)模再擴(kuò)大時，則必須考慮其對系統(tǒng)穩(wěn)定和保護(hù)配合的影響。

5.對線路損耗的影響

大同電網(wǎng)有5座風(fēng)電場通過110kV并網(wǎng)，在冬季、春季風(fēng)電大發(fā)期間風(fēng)電場并網(wǎng)線路以及相關(guān)廠站聯(lián)網(wǎng)線路潮流驟增，同時由于風(fēng)電場大多在電網(wǎng)末端，并網(wǎng)線路及相關(guān)聯(lián)網(wǎng)線路都較長，部分線路線徑細(xì)，導(dǎo)致線路損耗大。以2013年3月份相關(guān)線路損耗為例，具體如表1所示。

三、風(fēng)電場調(diào)度策略

目前，大同電網(wǎng)的風(fēng)電場的集電線路全部由山西省調(diào)度控制中心調(diào)度。風(fēng)電機(jī)組作為電源點與傳統(tǒng)火電機(jī)組相比具有特殊性，對風(fēng)電機(jī)組的調(diào)度也應(yīng)區(qū)分于其他電源點的調(diào)度策略。

1.積極應(yīng)對風(fēng)電隨機(jī)性對電網(wǎng)調(diào)度的影響

近期國家發(fā)布的《節(jié)能發(fā)電調(diào)度辦法》要求優(yōu)先排序風(fēng)電等可再生能源。由于風(fēng)力發(fā)電出力的隨機(jī)性，現(xiàn)有的風(fēng)電預(yù)測水平難以為傳統(tǒng)發(fā)電計劃的制定提供實質(zhì)參考，因此風(fēng)電機(jī)組對電網(wǎng)的調(diào)峰壓力大于其他類型機(jī)組，調(diào)度部門的調(diào)峰管理面臨一定困難。建議風(fēng)電場建立發(fā)電預(yù)報系統(tǒng)，結(jié)合對未來幾天天氣狀況及系統(tǒng)用電需求積極開展電力生產(chǎn)預(yù)測，探索更接近實際的風(fēng)速風(fēng)力預(yù)測模型。另外，調(diào)度部門應(yīng)按照“三公”調(diào)度的原則，對風(fēng)電場出力波動引起的調(diào)峰問題由電網(wǎng)中同一發(fā)電集團(tuán)的其他機(jī)組承擔(dān)，從管理上促使各發(fā)電集團(tuán)積極開展預(yù)測工作。圖1和圖2為大同電網(wǎng)連續(xù)兩天的風(fēng)電總有功曲線。

2.提高風(fēng)電場穿透功率

由于風(fēng)速風(fēng)力在各種天氣條件下不斷變化，風(fēng)電機(jī)組大部分時間內(nèi)不能按額定功率運行，建議在實踐中分析、收集氣象資料，結(jié)合風(fēng)電機(jī)組的技術(shù)參數(shù)，使當(dāng)前風(fēng)速與風(fēng)功率預(yù)測實時相關(guān)聯(lián)，優(yōu)化系統(tǒng)運行方式，提高風(fēng)電場的穿透功率，充分利用風(fēng)能。

3.加強(qiáng)對風(fēng)電場接入點的諧波和無功功率監(jiān)控

風(fēng)電機(jī)組自帶的無功補償和消除諧波的裝置不足以完全消除對電網(wǎng)的無功補償需求與諧波污染，建議在相關(guān)場站裝設(shè)諧波監(jiān)視設(shè)備，對注入電網(wǎng)的諧波電流及高次諧波電壓含量進(jìn)行監(jiān)視，同時無功補償?shù)谋O(jiān)測數(shù)據(jù)可錄入AVC系統(tǒng)，控制并網(wǎng)點電容器組的投切。

四、結(jié)語

近幾年風(fēng)力發(fā)電高速發(fā)展，雖然風(fēng)電作為清潔能源對節(jié)能減排、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等會起到很大的作用，但同時也給電網(wǎng)帶來了一些問題，尤其在較大規(guī)模的風(fēng)電場接入電網(wǎng)較為薄弱的情況下，風(fēng)能對電網(wǎng)系統(tǒng)有著較大影響。因此隨著風(fēng)電技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，要積極研究風(fēng)電對電網(wǎng)的實際影響，從而研究運用新技術(shù)來改善風(fēng)電場對電力系統(tǒng)的不利影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]大同電網(wǎng)接納風(fēng)電能力研究報告[R].太原：山西省電力勘測設(shè)計院，2007.

[2]山西省電力公司.山西省風(fēng)電場接入電網(wǎng)管理暫行規(guī)定[Z].

2007.

（責(zé)任編輯：孫晴）