杜華珠+石巍+袁晨

摘??要：隨著能源結(jié)構(gòu)的改變，越來越多的風力發(fā)電機組接入電網(wǎng)。但是，風電出力具有隨機性和波動性，大量的風電接入電網(wǎng)為其發(fā)展帶來一系列的挑戰(zhàn)，比如調(diào)峰、調(diào)頻難度增大，電網(wǎng)運行控制困難，局部電網(wǎng)接入能力不足，電網(wǎng)穩(wěn)定風險增大等。分析了風電機組接入系統(tǒng)后給電網(wǎng)造成的影響，并針對這些影響，論述了目前風機發(fā)電接入電網(wǎng)所需要解決的技術(shù)問題，考慮了風電場聯(lián)網(wǎng)的方式和輸電規(guī)劃、風電場聯(lián)網(wǎng)對電網(wǎng)的友好支持、風電場調(diào)度、低電壓穿越、無功控制調(diào)節(jié)、風電場及電網(wǎng)儲能、風電場發(fā)電計劃、風能占電網(wǎng)規(guī)模的比例和影響、風電電能質(zhì)量等多方面的技術(shù)問題，為解決風力發(fā)電機組大規(guī)模接入系統(tǒng)提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：風能;風機發(fā)電;并網(wǎng);裝機容量

中圖分類號：TM614??????????????文獻標識碼：A???????????????DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.01.001

風能是因空氣流做功而產(chǎn)生的一種可利用能量。它作為一種無污染和可再生的新能源，有巨大的發(fā)展?jié)摿?，特別是對沿海島嶼、交通不便的邊遠山區(qū)、地廣人稀的草原牧場，以及遠離電網(wǎng)和近期電網(wǎng)還難以到達的農(nóng)村、邊疆。作為解決生產(chǎn)和生活所需能源的一種可靠途徑，它的存在有十分重要的意義。

目前，風力發(fā)電的快速發(fā)展，一方面，緩解了來自能源需求和環(huán)境保護的壓力，對優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)二氧化碳減排起到了積極的作用;另一方面，由于風電出力具有隨機性和波動性，大量的風電接入電網(wǎng)會使電網(wǎng)面臨一系列的挑戰(zhàn)，在風電傳輸過程中會對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行產(chǎn)生一定的影響，降低電力質(zhì)量。所以說，這種不良影響會隨著風電滲透率的增大而逐漸擴大。針對這一情況，分析了風電接入系統(tǒng)后對電網(wǎng)帶來的影響，并結(jié)合分析結(jié)果提出了目前風電并網(wǎng)技術(shù)需要解決的問題，為建設(shè)風力發(fā)電機組大規(guī)模接入系統(tǒng)提供了參考和理論依據(jù)。

1??風力發(fā)電的發(fā)展

自1973年第一次石油危機以來，在常規(guī)能源告急和全球生態(tài)環(huán)境惡化的雙重壓力下，風能作為新能源的一部分，已經(jīng)取得了長足的發(fā)展。2004年起，風力發(fā)電更成為了所有新式能源中最便宜的能源之一。2001年，風力能源的成本已經(jīng)降到20世紀六七十年代的1/5，而且隨著大瓦數(shù)發(fā)電機的使用，下降趨勢還會持續(xù)。到2008年，全世界的風能發(fā)電約有9.4×108?kW，供應(yīng)的電力也已超過了全世界用量的1%.

風力發(fā)電自20世紀80年代開始，受到了歐美各國重視，至今全球風力發(fā)電量以每年30%的驚人速度快速增長。圖1為截至2012年，全球各國風力發(fā)電裝機的容量。從圖中可以看出，全球的裝機容量一直保持較快的增長。圖1??全球歷年風電裝機容量圖

2005年，我國頒布了《可再生能源法》。在往后的4年時間里，全國風電裝機容量由126?kW增長到了1.221×107?kW，以每年一番的速度發(fā)展，遠遠高于世界風電平均發(fā)展速度。2009年，我國當年的新增裝機容量位列世界第一，累計世界第二。截至2012年底，我國風電累計核準容量1.067?0×108?kW，并網(wǎng)6.266×107?kW，在建4.404×107?kW。2012年，上網(wǎng)電量為1.008×1010?kW·h，全國風電累計裝機量占全球市場的23%，位列世界第一。圖2為我國歷年風電裝機容量。圖2??我國歷年風電裝機容量圖（單位：MW）

2??大型風電并網(wǎng)對電網(wǎng)的影響

2.1??增大調(diào)峰、調(diào)頻難度

風電的隨機性強、間歇性明顯、波動幅度大、波動頻率無規(guī)律性，大大增加了調(diào)峰、調(diào)頻的難度。

風電反調(diào)峰特性增加了電網(wǎng)調(diào)峰的難度。風電接入后，電網(wǎng)一年間峰谷差變大的時間延長了，同時，由于調(diào)峰容量不足，我國絕大部分地區(qū)的電網(wǎng)都出現(xiàn)過低負荷時段棄風的情況。

風電的間歇性、隨機性增加了電網(wǎng)調(diào)頻的負擔。風電出力波動頻繁，在短時間內(nèi)可能會出現(xiàn)較多波動，這大大增加了電網(wǎng)調(diào)頻的壓力和常規(guī)電源調(diào)整的頻次。

2.2??電網(wǎng)運行控制有困難

據(jù)統(tǒng)計，受風電的影響，蒙西電網(wǎng)錫盟灰騰梁風電基地沿線變電站220?kV母線電壓全年維持在額定電壓的1.1倍;新疆電網(wǎng)達風變110?kV系統(tǒng)電壓長期在113?kV以下。為了支撐110?kV系統(tǒng)的電壓，達風變220?kV母線電壓不得不全年維持在238?kV以上，運行電壓調(diào)整十分困難，也對輸變電設(shè)備安全造成了威脅。風電場運行過度依賴系統(tǒng)無功補償，限制了電網(wǎng)運行的靈活性。

2.3??局部電網(wǎng)接入能力不足

風電場大多處于電網(wǎng)末梢，大規(guī)模接入后，風電大發(fā)期大量上網(wǎng)，電網(wǎng)輸送潮流加大，重載運行線路增多，熱穩(wěn)定問題逐漸突出。

2.4??風機抗擾動能力差

當系統(tǒng)發(fā)生小擾動時，風電機組退出運行，使電網(wǎng)承受第二次沖擊，導致事故擴大，增加了電網(wǎng)遭受沖擊的頻次。

2.5??增加電網(wǎng)穩(wěn)定風險

風電的間歇性、隨機性增加了電網(wǎng)穩(wěn)定運行的潛在風險，具體包括以下三點：①風電引發(fā)的潮流多變，增加了有穩(wěn)定限制的送電斷面的運行控制難度;②風電發(fā)電成分增加，導致在相同的負荷水平下，系統(tǒng)的慣量下降，影響電網(wǎng)動態(tài)的穩(wěn)定;③在系統(tǒng)發(fā)生故障后，風電機組可能無法重新建立機端電壓，失去了穩(wěn)定性，從而破壞了地區(qū)電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性。

3??風電并網(wǎng)技術(shù)問題

面對風電接入電網(wǎng)所帶來的種種不利影響，要降低這些影響帶來的后果，實現(xiàn)風電的大規(guī)模并網(wǎng)，要有效解決這一系列亟待解決的技術(shù)問題。

3.1??風電場聯(lián)網(wǎng)方式和輸電規(guī)劃

電場聯(lián)網(wǎng)方式包括接入電網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)點電壓、聯(lián)網(wǎng)點位置、聯(lián)網(wǎng)風電規(guī)模、交流/直流聯(lián)網(wǎng)等。根據(jù)目前國外和國內(nèi)的研究成果，這與接入電網(wǎng)的規(guī)模、旋轉(zhuǎn)備用、儲能系統(tǒng)配置等有一定的聯(lián)系。這是一個可再生能源與電網(wǎng)規(guī)劃的問題，目前，這一方面主要是依靠仿真軟件實現(xiàn)。風電場聯(lián)網(wǎng)方式如圖3所示。

圖3??風電場聯(lián)網(wǎng)方式

輸電規(guī)劃問題主要是指大規(guī)模風電的長距離、弱連接的遠距離輸電、海上風電并網(wǎng)和電力市場的風電跨區(qū)交易問題。

3.2??風電場聯(lián)網(wǎng)對電網(wǎng)的友好支持

風電場屬于不穩(wěn)定能源，受風力、風機控制系統(tǒng)的影響很大，特別是在高峰負荷時期，風電場可能出力很小，而非高峰負荷時期，風電場可能出力很大。因此，必須提供足夠的手段保障電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運行，否則，風電場聯(lián)網(wǎng)后將嚴重影響電網(wǎng)的安全。同時，電網(wǎng)也會對大規(guī)模風電場的運行性能指標，比如爬坡速率、下降速率、功率波動和無功支撐能力等提出要求。

3.3??風電場調(diào)度

由于風電場一般分布在偏遠地區(qū)，呈現(xiàn)多個風電場集中分布的特點，每個風電場都類似于一個小型的發(fā)電廠，可以將其模擬成一臺臺的等值機，這些等值機對電網(wǎng)的影響因機組本身性能的差別而不同。為了實現(xiàn)這些分散風電場的接入，歐洲提出了建立區(qū)域風電場調(diào)度中心的要求，而我國目前只是對單個的風電場建立運行監(jiān)控。隨著風電場布點的增多和發(fā)電容量的提高，類似火力發(fā)電的監(jiān)控中心，我國很有可能會建立獨立的風電運行監(jiān)控中心。風電場運行監(jiān)控中心與電網(wǎng)調(diào)度中心的協(xié)調(diào)和職責劃分也是未來需要明確的主要問題。

3.4??低電壓穿越（LVRT）

當風力發(fā)電機并網(wǎng)點電壓跌落時，風機能夠保持低電壓穿越并網(wǎng)，甚至可以向電網(wǎng)提供一定的無功功率，以支持電網(wǎng)恢復(fù)，直到電網(wǎng)恢復(fù)正常?！按┰健边@個低電壓的時間就是風機的低電壓穿越。低壓穿越原理如圖4所示。

隨著風電場規(guī)模的擴大，當電網(wǎng)發(fā)生故障時，以1型和2型風機為主的風電場需要提供集中或分散的動態(tài)無功補償裝置，避免此類風機脫離電網(wǎng)而停機;3類和4類風機的設(shè)計和運行參數(shù)設(shè)置要滿足WECC?LVRT標準的要求。國際上最新的

WECC?LVRT標準已經(jīng)于2009-04-28討論表決通過了。

圖4??低壓穿越原理圖

在此基礎(chǔ)上，各國的低壓穿越標準也有所不同，我國對風電場低電壓穿越的要求是：①當風電場內(nèi)的風電機組在并網(wǎng)點電壓跌至20%額定電壓時，能夠保持并網(wǎng)運行625?ms的低電壓穿越能力;②當風電場并網(wǎng)點電壓在跌落后3?s內(nèi)能夠恢復(fù)到額定電壓的90%時，風電場內(nèi)的風電機組保持并網(wǎng)運行，接近AWEA（American?Wind?Energy?Association）的標準。各國低壓穿越標準如圖5所示。

圖5??各國低電壓穿越標準

3.5??風機技術(shù)對無功控制調(diào)節(jié)的影響

風機技術(shù)的發(fā)展也為無功控制調(diào)節(jié)帶來了新問題。安裝傳統(tǒng)異步發(fā)電機和帶有可變轉(zhuǎn)子阻抗的線繞式轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機的風電場，需要配置與發(fā)電功率相當?shù)募袆討B(tài)無功補償或分散無功補償裝置。對于安裝雙饋異步發(fā)電機和全功率逆變連接/直驅(qū)型風機的風電場，由于其具備了LVRT性能的要求，所以，當電網(wǎng)發(fā)生故障時，要求參與電網(wǎng)的無功功率補償可以維持系統(tǒng)電壓。根據(jù)不同的風電場、風機類型和風機群組合進行無功分配和協(xié)調(diào)控制，是風電場運行中的重點和難點。

3.6??風電場及電網(wǎng)儲能

要想平衡發(fā)電和用電之間的偏差，就要平衡功率。對平衡功率的需求是隨著風電場容量的增加而同步增長的。根據(jù)不同國家制定的規(guī)則，風電場業(yè)主、電網(wǎng)企業(yè)將負責提供平衡功率，一旦輸電系統(tǒng)調(diào)度員與業(yè)主、電網(wǎng)企業(yè)簽約，它將成為整個電網(wǎng)的一部分，由所有消費者承擔。

加州ISO建議由第三方提供儲能設(shè)備，政府也為此制訂了相應(yīng)的優(yōu)惠政策。因為一般的儲能設(shè)備除了飛輪儲能（80%～90%）外，多數(shù)最多只能達到75%的能源轉(zhuǎn)換效率。因此，如果要讓風電場業(yè)主或電網(wǎng)業(yè)主增加儲能設(shè)備，必須要制訂相應(yīng)的補償和優(yōu)惠政策。

3.7??發(fā)電計劃占電網(wǎng)規(guī)模的比例和影響

電網(wǎng)的系統(tǒng)頻率和AGC調(diào)頻與風電場的出力密切相關(guān)，因此，準確預(yù)測每天的風電場出力并實時進行經(jīng)濟調(diào)度，是風電場監(jiān)控中心和電網(wǎng)調(diào)度中心的重要工作之一。隨著風電場規(guī)模的擴大，歐洲、美國等國同樣面臨風電場調(diào)度和發(fā)電計劃編制的問題。因此，要與氣象預(yù)報系統(tǒng)緊密聯(lián)系，即使是大規(guī)模的風電場，每天風力發(fā)電預(yù)測的誤差也可達到7%～9%.?電網(wǎng)側(cè)如

何進行實時風力發(fā)電預(yù)測和實時經(jīng)濟調(diào)度也是一個重點問題。

原則上講，電網(wǎng)有多大的備用容量就可以接入多大規(guī)模的風電場。為了提高電網(wǎng)容納可再生能源的比例，并保持電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運行，一方面，電網(wǎng)需要增加抽水蓄能電站，快速啟動燃氣電站的建設(shè);另一方面，風電場要裝備本地儲能設(shè)備，增加機組的控制能力，滿足在各種運行狀態(tài)下對電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運行的要求。因此，此問題應(yīng)由電網(wǎng)側(cè)、風電場側(cè)和與風力發(fā)電有關(guān)的利益方共同解決。

3.8??風電電能質(zhì)量

風力發(fā)電接入系統(tǒng)的電能質(zhì)量也要達到系統(tǒng)的要求，具體考核內(nèi)容包括電壓偏差、電壓變動、諧波和閃變等。

3.9??并網(wǎng)標準適應(yīng)性

目前，各國并沒有一個完全一致的并網(wǎng)標準，因此，各個電網(wǎng)需要根據(jù)通用導則和本身的電網(wǎng)接入條件，確定可再生能源聯(lián)網(wǎng)的具體細則。這需要通過大量的、各種規(guī)模的風電場接入仿真研究工作來確定，所以，必須要借助仿真系統(tǒng)來實現(xiàn)。

3.10??海上輕型直流輸電并網(wǎng)

隨著風機技術(shù)和風力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，海上風力發(fā)電技術(shù)也在發(fā)展迅速。歐洲的海上風力發(fā)電裝機容量在2015年將達到2.5×107?kW，預(yù)計2020年將達到4.3×107?kW，2030年要達到1.17×108?kW。而我國近海和三峽水上大型風電場也將大量投產(chǎn)。

由此可見，海上風電場聯(lián)網(wǎng)是一個值得重點考慮的問題。歐洲計劃采用網(wǎng)格式的HVDC聯(lián)網(wǎng)工程將未來歐洲海上風電并網(wǎng)，而我國的海上風電聯(lián)網(wǎng)問題也是電網(wǎng)規(guī)劃中一項重要研究內(nèi)容。

4??結(jié)束語

隨著風力發(fā)電機組大量接入系統(tǒng)，為電網(wǎng)建設(shè)帶來了一系列的挑戰(zhàn)。文中具體分析了風電機組接入系統(tǒng)后為電網(wǎng)帶來的影響，主要包括風電接入系統(tǒng)增大了電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻的難度;大規(guī)模風電場接入電網(wǎng)，電網(wǎng)運行控制遇到了很大的困難;局部電網(wǎng)接入能力不足;風機抗擾動能力差，影響電網(wǎng)的運行安全;增加了電網(wǎng)穩(wěn)定運行的風險。

為了降低這些問題的影響力，還有一系列技術(shù)問題亟待解決，主要包括風電場聯(lián)網(wǎng)的方式和輸電規(guī)劃、風電場聯(lián)網(wǎng)對電網(wǎng)的友好支持、風電場調(diào)度、低電壓穿越、無功控制調(diào)節(jié)、風電場及電網(wǎng)儲能、風電場發(fā)電計劃、風能占電網(wǎng)規(guī)模的比例及影響和風電電能質(zhì)量等多方面的技術(shù)問題。

隨著大規(guī)模風電接入電網(wǎng)，電網(wǎng)的運行控制受到了嚴重的影響。在大力發(fā)展風力發(fā)電的同時，應(yīng)加強相關(guān)技術(shù)的研究，建設(shè)統(tǒng)一的智能電網(wǎng)，并且應(yīng)努力建立或完善相關(guān)政策法規(guī)和標準體系，保障風電與電網(wǎng)的和諧發(fā)展，保證電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運行。

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〔編輯：白潔〕

Large-scale?Wind?Power?Status?Quo?and?Analysis

Du?Huazhu，?Shi?Wei，?Yuan?Chen

Abstract：?With?the?change?in?the?energy?mix，?more?and?more?wind?turbines?connected?to?the?grid.?However，?the?wind?power?output?randomness?and?volatility，?a?lot?of?wind?power?connected?to?the?grid?for?its?development?has?brought?a?series?of?challenges，?such?as?peak?shaving，?FM?difficulty?increases，?the?power?grid?control?difficulties，?lack?of?access?to?the?local?power?grid?capacity，?grid?stability?increased?risk?and?so?on.?After?analysis?of?the?impact?of?wind?turbines?to?the?grid?due?to?access?system?and?for?these?effects，?discuss?the?current?technical?issues?fan?power?connected?to?the?grid?to?be?solved，?considering?the?way?the?wind?farm?and?transmission?network?planning，?wind?farm?grid?interconnection?friendly?support，?wind?farm?scheduling，?low?voltage?ride?through，?reactive?power?control?and?regulation，?wind?farms?and?grid?energy?storage，?wind?farm?power?generation?plan，?wind?power?accounted?for?the?proportion?of?the?scale?and?impact?of?wind?power?quality?and?other?aspects?of?technical?problems?to?solve?large-scale?wind?turbine?access?system?provides?a?reference.

Key?words：?wind;?fan?power;?grid;?capacity