風電接入對黑龍江電網的影響及應對措施

張慧琦,王海濤,曹宇鵬,張軼平

(1.黑龍江省電力有限公司電力交易中心,黑龍江哈爾濱 150090;2.黑龍江省電力有限公司電力調度通信中心,黑龍江哈爾濱 150090;3.哈爾濱電業局,黑龍江哈爾濱 150010)

風電接入對黑龍江電網的影響及應對措施

張慧琦1,王海濤2,曹宇鵬3,張軼平2

(1.黑龍江省電力有限公司電力交易中心,黑龍江哈爾濱 150090;2.黑龍江省電力有限公司電力調度通信中心,黑龍江哈爾濱 150090;3.哈爾濱電業局,黑龍江哈爾濱 150010)

結合黑龍江電網風力發電現狀,闡述了風電對電網調峰、調壓、調頻和穩定的影響,并從運行和管理角度提出了具體應對措施。

黑龍江電網;風電;影響;措施

1 黑龍江風電現狀

隨著風電在電網中所占比重不斷增加,在風能資源較豐富的地區,風電在電網中所占比例已經達到較高水平,某些地區電網中風電的裝機容量已接近當地負荷水平。黑龍江電網地處東北電網北部,電廠眾多,是東北地區重要的能源基地,電源結構以火電為主。截止 2009年 9月底全省發電裝機容量 18 454MW,其中火電 16 527MW,占 89.56%;水電 948MW,占 5.14%;風電 978 MW,占 5.30%。

2 風電對電網運行的影響

風電是一種間歇性、波動性電源,其不確定性和總體上的反調峰特性,給電力系統安全穩定運行帶來了新的挑戰,主要表現在:電網調峰、調頻和電源安排日益困難;系統電壓難以控制;電網安全穩定問題突出;控制措施難以制定等方面。

2.1 對電網調峰的影響

風速波動會導致風電場輸出功率波動,引起系統有功功率和無功功率的變化。如果把風電功率看作負的負荷,其與負荷的波動疊加在一起可以構成等值負荷波動曲線。當出現風電功率大于負荷需求的情況,多余的風電功率需要通過地區間聯絡線外送。如果負荷波動趨勢和風電功率波動趨勢一致,則等值負荷曲線變得平滑,風電就有自然調峰作用,對電力系統運行有利;反之,負荷波動趨勢和風電功率波動趨勢相反,則等值負荷曲線波動幅度更大,相當于等效負荷峰谷差加大,使電網調峰問題更加突出,對系統運行不利。

黑龍江電網 2009年最大峰谷差約 3 500 MW,調峰形勢極為嚴峻,特別是冬季供暖期間,大批調峰能力較弱的供熱機組必須持續運行,同時,冬季又是風電低谷大出力、反調峰高概率、大幅度最為集中的月份,在低谷時段,風電出力普遍與負荷變化規律相反,使電網面臨嚴重情況,需要合理安排系統備用容量,保證電網的安全穩定運行。

2.2 對電網電壓的影響

對風電來講,電壓穩定非常重要,但由于風電絕大多數接入薄弱的末端電網,受系統負荷變化影響,電壓調整原本就十分困難,加之風電出力的無計劃大幅度變化,其無功功率需求量又與風電機組的類型及風電功率的大小有關,導致系統電壓也大幅度變化。其中,感應型異步風機在發出有功的同時需要從系統吸收大量無功,如這類風機并網點的電網不夠堅強,且風電場自身無功補償容量不足或補償速度不滿足要求,就可能造成系統電壓嚴重下降,甚至電壓崩潰;雙饋式風機和直驅式風機特性有所改善,但也需要風電場配置適當容量和調節速度的無功補償裝置。

風電場可用分組投切的電容器或電抗器來調節無功功率,抑制電壓變動,提高電壓穩定性。在風電比較集中的地區,可以在風電場設置快速無功調節裝置,如 SVC或 STATCOM,控制網絡阻抗角和功率因數角的差值,達到減少閃變,提高電能質量的目的。

2.3 對電網頻率的影響

由于自然界風速的不斷變化,風力發電機的出力也隨時變化,具有較大的隨機性,不穩定的功率輸出會給電網運行帶來許多問題。大量風電功率的波動增加了系統調頻的難度,而系統頻率的變化又會影響風電機組的運行狀態。風電出力的不穩定性,使得運行火電機組被迫大幅度參與系統調頻工作,而火電機組調節速度較慢,難以完全適應風電的大幅度快速變化。隨著風電的快速增長,風電突變幅度將繼續增大,會對電網頻率質量造成較大影響。

各國風電接入系統導則都要求風電機組能夠在一定頻率范圍內正常運行;頻率超過一定范圍后限制出力運行或延遲一定時間后退出運行,以維護系統的頻率穩定。當系統頻率過高時,可以通過控制系統使部分風電機組停機或通過槳距角控制減少風電場的輸出功率?？稍谡Ｇ闆r下限制風電場出力,在系統頻率降低時調高風電場的出力,讓風電功率參與系統的二次調頻。

2.4 對電網穩定的影響

隨著我國風電技術的發展,風電能源在電網中所占的比重越來越大,由此帶來的電網安全穩定問題也日益突出。由于大量風電不能就地消化,要和地區火電一同經送出通道進行外送,送出通道需采用安全穩定控制措施。由于風電的大量存在和出力的不確定性,大大增加了安全穩定控制措施的復雜程度,降低了事故情況下系統單運成功的概率。

嚴格來講定速風電機組和雙饋變速風電機組本身不存在暫態穩定性問題,但是對于有大量風電的系統,因為大量小慣量的風電機組代替了常規機組,系統的暫態穩定性也發生了一些變化。文獻[1]、[2]對風電機組的模型進行了研究,表明定速風電機組對系統功率振蕩有一定阻尼作用,而變速風電機組因為變流器的作用,風電機組轉速與電網頻率解耦,阻尼作用被減弱了。此外,系統出現故障時,風電機組可能因為電壓越限或轉速越限導致保護動作而跳閘,系統可能遭受失去大量風電功率的第二次沖擊。

3 風電運行管理的措施

為了有效應對風電的快速發展,必須從多方面采取有效措施。如加強風電預測;對風電機組進行合理控制調節;配套建設相應的調峰、調頻電源;制定風電入網規范等,以利于風電產業長期健康穩定發展。

3.1 風電預測

從能源角度,風電作為清潔能源,一般都處于自然滿發狀態;而從電網調度角度,風電在高峰時頂不上去、低谷時減不下來,是某種意義上的垃圾電源。風電的隨機性和不可控性也給發電計劃的制定和實施帶來一定困難。傳統的發電計劃基于電源的可靠性以及負荷的可預測性,但如果系統內含有風電場,風電場出力有極大的隨機性,發電計劃的制定變得困難起來。如果把風電場看作負的負荷,很難準確測定;如果把風電場看作電源,可靠性沒有保證。

受限于國內風電發展的總體技術水平,目前黑龍江電網投運的所有風電場,均未建立風電電力預測系統。但如果風電場參與調度計劃,則必須預測未來 24 h的發電曲線,以便電網調度部門合理安排發電計劃,優化常規機組運行方式,提高電網接納風電的能力。國家有關部門應盡早制定并出臺風電企業電力預測考核辦法,督促各風電企業盡快建立實用的風電功率預測系統,實現對全網風電功率的預測。電網公司也可建設有關風電預測系統,用于對全網風電出力預測校核等職能,而風電出力的預測應該是風電場應盡的職責。

3.2 提高風電機組調控手段

風電要參與系統功率平衡,需要做的工作,一是風電場輸出功率預測,二是風電場輸出功率控制。電網調度部門迫切需要一種能在緊急時刻調整風電出力,確保系統頻率、斷面潮流維持在安全范圍之內的手段。對風電場輸出功率進行控制,有利于減小系統備用容量,增強系統的可靠性和安全性。已投入運行的風電場應盡快改造和完善風場監控系統,實現能夠接收執行遠方調度控制命令、自動控制上網電力等功能。

目前,黑龍江電網已通過廣域同步測量系統(Wide Area Measurement System,WAMS)實現了對風電場的監視和控制。在夜間低谷時段,WAMS系統根據火電機組出力調整狀況、省間聯絡線外送偏差、風電機組運行負載率等因素,自動對部分風電機群下達停機指令,低谷時段過后,會自動將機群投入運行。此外,在風電場送出系統中還加裝了穩定控制裝置,當風電場外送系統相關線路或主變過載時,穩控裝置可切除部分風電機群。

3.3 建設抽水蓄能電站

抽水蓄能電站是一種特殊形式的水電站,既能削峰又可填谷,能很好地適應電力系統負荷的變化。其快速轉變的靈活性可彌補風力發電的隨機性和不均勻性,不僅可以打破電網規模對風電容量的限制,為大力發展風電創造條件;也可為電網提供更多的調峰填谷容量和調頻、調相、緊急事故備用電源,在保障系統安全與提高供電質量的同時,有效降低系統旋轉備用容量和吸收低谷負荷而達到降低系統能耗的作用。對于風電資源豐富的地區,無論是外送還是就地消化,抽水蓄能發電和風力發電互補運行,應該是一個發展趨勢。目前,黑龍江電網正在興建遠期裝機容量為 1 200 MW的抽水蓄能電站,這將為今后風電的發展奠定良好的基礎。

3.4 制定風電入網規范和規定

風電場應執行風電入網技術規范和風電調度運行管理規定,以保證風電場與電網的協調發展及電網對風電場的控制能力,規范風電場日常運行。風機生產廠家、風力發電公司、電網公司等都應嚴格執行,對不符合入網技術條件的風機堅決不允許接入系統,以形成良好的入網管理機制。

3.5 風電與電網應協調、有序發展

在一定技術水平下,各地區電網接納風電的能力除受整體調峰能力影響外,主要受各地區電網結構決定的安全穩定水平制約。風電發展規劃要結合電網或局部地區風電接納能力進行滾動調整,確保風電與電網協調、有序發展。

3.6 發揮跨區聯網優勢,緩解調峰壓力

2009年底,黑龍江風電總裝機容量達到電網運行容量的 10%左右,調峰問題十分突出,應根據實際情況調整跨區送電峰谷差值,充分發揮跨區聯網優勢;同時鼓勵火電廠挖掘調峰、調頻潛力,負荷側移峰填谷等,以緩解區域電網調峰壓力。

4 結束語

風力發電是一種清潔可再生能源,具有不污染環境、沒有燃料運輸、廢料處理等優勢,且建設周期短,運行管理方便,有廣闊的發展前景。但同時也應看到,由于風能存在隨機性和不均勻性,風電場的大量投運,對電網安全運行存在諸多不利影響,這也制約了風電的進一步發展。文中提到的一些應對風電運行和管理措施,需要在實踐中逐步規范和完善;電網在全年不同時期能夠容納的最大風電運行容量,也取決于新方案、新技術的采用。隨著電能存儲技術、風機控制、制造技術、風電預測水平的提高以及電網結構的改善,風力發電必將成為未來能源供應的重要組成部分。

[1] 李東東,陳陳.風力發電機組動態模型研究[J].中國電機工程學報,2005,25(3):115-119.

[2] 李晶,宋家驊,王偉勝.大型變速恒頻風力發電機組建模與仿真[J].中國電機工程學報,2004,24(6):100-105.

Influences and counterm easures of the integration of wind power grid on the Heilongjiang Grid

ZHAGN Huiqi1,WANG Haitao2,CAO Yupeng3,ZHANG Yiping2
(1.Power Exchange Center of Heilongjiang Electric Power Company,Harbin 150090,China;2.Power Managementand Communication Center of Heilongjiang Electric Power Company,Harbin 150090,China;3.Harbin Power Bureau,Harbin 150010,China)

Combing the currentsituation ofwind power generation in the Heilongjiang grid,this paper expounds the influences of wind power's load regulation,voltage regulation,frequency modulation and stability on the grid and puts forward specific countermeasures from operational and managerial perspective.

Heilongjiang grid;wind power;influence;measure

TM614

B

1002-1663(2010)01-0042-03

2009-11-12

張慧琦(1978-),女,2000年畢業于東北電力學院電力系統及其自動化專業,工程師。

(責任編輯 路 松)