“十二五”期間大規(guī)模風(fēng)電接入對福建電網(wǎng)的影響及對策分析

楊曉東，石 建，劉 峻，林章歲

（1.福建省電力有限公司，福州市，350003；2.福建省電力勘測設(shè)計(jì)院，福州市，350003）

0 引言

福建省境內(nèi)風(fēng)能資源豐富，風(fēng)能發(fā)電具備大規(guī)模開發(fā)的潛力[1]。2008年底福建省風(fēng)電裝機(jī)260 MW，主要分布在福州和漳州沿海。預(yù)計(jì)2010年底福建省風(fēng)電裝機(jī)將達(dá)到847 MW，至2015年將達(dá)到約2400 MW，主要分布在福州、莆田、泉州、漳州的沿海地區(qū)。

風(fēng)電場的大規(guī)模建設(shè)給電網(wǎng)規(guī)劃和運(yùn)行帶來了新的挑戰(zhàn)。風(fēng)力發(fā)電具有隨機(jī)性、波動(dòng)性的特點(diǎn)，而且福建省的風(fēng)電場大多位于電網(wǎng)末端，大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行后會(huì)影響電網(wǎng)電壓水平和電能質(zhì)量，導(dǎo)致系統(tǒng)備用容量、調(diào)峰壓力增加，系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性改變，接入片區(qū)的短路電流水平提升等一系列問題[2-5]。

為探討解決大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)后可能導(dǎo)致的安全性與穩(wěn)定性問題，本文以福建省近期規(guī)劃的風(fēng)電建設(shè)規(guī)模和接入系統(tǒng)設(shè)想[1]為背景，采用PSD-BPA軟件和“聯(lián)合電力系統(tǒng)運(yùn)行模擬軟件包”，對“十二五”期間福建省風(fēng)電并網(wǎng)引起的電力系統(tǒng)運(yùn)行與安全穩(wěn)定的問題進(jìn)行研究，并提出相關(guān)的技術(shù)解決措施建議。

1 “十二五”期間福建風(fēng)電開發(fā)及接入概況

“十二五”期間福建各分區(qū)風(fēng)電規(guī)劃開發(fā)規(guī)模[1]如表1所示。

表1 2008—2015年福建各分區(qū)風(fēng)電規(guī)劃開發(fā)規(guī)模Tab.1 Regional wind power development plan in Fujian for 2008—2015 MW

風(fēng)電接入電網(wǎng)的電壓等級需要從送電方向與規(guī)模、電網(wǎng)接受能力（電壓、短路電流和潮流分布）、經(jīng)濟(jì)性等方面來綜合考慮。根據(jù)目前的規(guī)劃成果，至2015年，除少量以35 kV接入外，福建開發(fā)的大部分風(fēng)電以110 kV接入電網(wǎng)，接入點(diǎn)包括110 kV公用變電站或220 kV變電站的110 kV母線，接線模式包括單回注入變電站和T接。

計(jì)算中，規(guī)劃風(fēng)電場的機(jī)組假定采用文獻(xiàn)[6]提供的變速恒頻雙饋機(jī)型，并按機(jī)端電壓0.69 kV、單機(jī)容量2 MW、變槳距考慮。風(fēng)電升壓系統(tǒng)考慮2級變壓，即考慮發(fā)電機(jī)－變壓器組、升壓站以及低壓電纜。

2 風(fēng)電并網(wǎng)對電壓和電能質(zhì)量的影響

2.1 電壓偏差和電壓水平

當(dāng)風(fēng)電出力由零出力緩慢變化至滿出力（或相反過程）后，電網(wǎng)公共連接點(diǎn)的電壓偏差和電壓水平會(huì)發(fā)生變化，如圖1所示。計(jì)算結(jié)果顯示，變化幅度受風(fēng)電場無功補(bǔ)償情況的影響很大：

（1）如果風(fēng)電場運(yùn)行中并網(wǎng)點(diǎn)的功率因數(shù)可以保持在0.98（即風(fēng)電場持續(xù)發(fā)出無功），福建全省公共連接點(diǎn)的最大電壓偏差可以控制在4%左右，而且母線電壓也可控制在額定值的-3%～+7%。

（2）如果風(fēng)電場運(yùn)行中不發(fā)無功（例如風(fēng)機(jī)功率因數(shù)固定為1.0），福州、莆田公共接入變電站及其附近的110 kV母線最大電壓偏差范圍將接近額定電壓的10%，而且部分母線電壓不能控制在額定電壓的-3%～+7%，不滿足技術(shù)要求。

2.2 電壓變動(dòng)

風(fēng)力的不確定性和風(fēng)機(jī)本身的運(yùn)行特性導(dǎo)致風(fēng)機(jī)的輸出功率具有波動(dòng)性，會(huì)影響電網(wǎng)電能質(zhì)量。由于多數(shù)規(guī)劃風(fēng)電場的接入系統(tǒng)方案尚處于設(shè)想階段，尚不具備研究電壓閃變、諧波等問題的準(zhǔn)確條件，因此本文僅對電壓變動(dòng)這一現(xiàn)象進(jìn)行計(jì)算分析。

研究中考慮了2種較為極端的風(fēng)力變化情況：風(fēng)力突增和風(fēng)力突降。計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在同等變化幅度的情況下風(fēng)力突增引起的電壓波動(dòng)幅度大于風(fēng)力突降，其直接原因是風(fēng)力突增過程中風(fēng)機(jī)有可能向系統(tǒng)吸收無功，導(dǎo)致電壓進(jìn)一步下降。

風(fēng)電出力由零突增至滿發(fā)后各地區(qū)接入點(diǎn)110 kV母線電壓變化情況如圖2所示。由圖2可見：如果不采取控制措施，各地的接入點(diǎn)電壓變動(dòng)最大值均超出1.5%，福州、莆田等地接入點(diǎn)電壓變動(dòng)最大達(dá)到8%～9%，而且部分母線電壓偏低，不能控制在額定電壓的-3%～+7%。

就地區(qū)而言，泉州、漳州電網(wǎng)的電壓水平明顯好于福州、莆田地區(qū)，其原因主要是泉州、漳州地區(qū)的風(fēng)電接入相對較為分散，且接入片區(qū)用電負(fù)荷較重。

2.3 改善電壓水平的對策分析

電壓變動(dòng)超標(biāo)問題的根源在于風(fēng)電出力的波動(dòng)性，此外電壓問題多可從無功補(bǔ)償配置的角度著手解決。因此，擬采用限制風(fēng)機(jī)出力變化和動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償[7]（如SVC，STATCOM）2方面的對策來改善風(fēng)電接入后電壓變動(dòng)超標(biāo)問題。

2.3.1 風(fēng)力突增時(shí)采取的對策

（1）措施1：利用風(fēng)機(jī)自身的功率變化率控制功能，限制風(fēng)電場功率變化率在0.05 pu/s以內(nèi)。采取措施1效果見圖3，母線電壓波動(dòng)和電壓水平均合格。

（2）措施2：在“十二五”期間規(guī)劃新增的風(fēng)電場升壓站分散裝設(shè)SVC，作為動(dòng)態(tài)無功調(diào)節(jié)的手段，規(guī)模按照本風(fēng)電場裝機(jī)總?cè)萘康摹?0%配置。采取措施2的效果如圖4所示，由圖4可見，福州、莆田接入點(diǎn)電壓變動(dòng)最大值由8%～9%下降到4%～5%，且莆田電網(wǎng)電壓水平合格。

（3）措施3：在風(fēng)電接入變電站集中裝設(shè)SVC，SVC容量按該站連接的風(fēng)電場裝機(jī)總?cè)萘康摹?0%配置。采取措施3的效果如圖5所示，由圖5可見福州、莆田接入點(diǎn)電壓變動(dòng)最大值由8%～9%下降到4%，且莆田電網(wǎng)電壓水平合格。

可見，利用風(fēng)機(jī)的功率變化率控制功能可有效改善因風(fēng)力突增引起的電壓波動(dòng)，動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備也可以起到良好的控制效果。

2.3.2 風(fēng)力突降（切機(jī)）時(shí)采取的對策

突然切機(jī)后，風(fēng)機(jī)的功率變化率控制失去意義，只能依靠電網(wǎng)或/和風(fēng)電場的無功快速調(diào)節(jié)能力來控制。在此以莆田110 kV埭頭變的母線電壓為例進(jìn)行分析，4種計(jì)算情況如下。

（1）風(fēng)機(jī)初始功率因數(shù)為1，風(fēng)機(jī)切機(jī)后沒有進(jìn)行無功調(diào)控。該情況下電壓變動(dòng)最大達(dá)6%。

（2）情況同（1），但風(fēng)機(jī)初始功率因數(shù)為0.98。該情況下電壓變動(dòng)小于3%。

（3）在埭頭變連接的“十二五”規(guī)劃新增的風(fēng)電場升壓站分散裝設(shè)SVC，規(guī)模按照本風(fēng)電場裝機(jī)總?cè)萘康摹?0%配置。

（4）在埭頭變集中裝設(shè)SVC，SVC容量規(guī)模與（3）相同。

圖6給出4種控制情況下的電壓變化情況，由圖6可見：正常運(yùn)行時(shí)，如果風(fēng)電場的一部分無功補(bǔ)償由風(fēng)機(jī)自身發(fā)出，切機(jī)后將有利于降低電網(wǎng)電壓升高的幅度；裝設(shè)SVC對改善電壓水平有明顯作用，而且在同等規(guī)模的條件下，在新增風(fēng)電場的升壓站裝設(shè)SVC的效果與在風(fēng)電的接入點(diǎn)裝設(shè)SVC的效果相差不大。

2.4 小結(jié)

綜上，風(fēng)電接入將對福建電網(wǎng)電壓水平和電壓波動(dòng)造成不利影響，需要采用技術(shù)措施加以解決。

（1）風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)值要通過分析計(jì)算來確定，不能固定地調(diào)整為只發(fā)有功。

（2）風(fēng)機(jī)應(yīng)配備功率變化率控制功能，減少因風(fēng)力增加對電壓水平造成的影響。

（3）如果風(fēng)機(jī)運(yùn)行的功率因數(shù)可以保持在滯相（比如0.98，當(dāng)風(fēng)減弱后無功出力也隨之減小），風(fēng)力突降情況下，大部分公共連接點(diǎn)電壓變動(dòng)可以滿足要求；但是，如果風(fēng)機(jī)的功率因數(shù)保持在1.0，并且風(fēng)力突降后沒有其他無功調(diào)節(jié)能力，則風(fēng)電場升壓站需要裝設(shè)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備，如SVC、STATCOM。

（4）經(jīng)計(jì)算比較，在同等規(guī)模的前提下，在新增風(fēng)電場的升壓站裝設(shè)SVC的效果與在風(fēng)電的主要接入點(diǎn)裝設(shè)SVC的效果相差不大。如果能同時(shí)在系統(tǒng)側(cè)公共連接點(diǎn)和在風(fēng)電場升壓站均裝設(shè)一定規(guī)模的SVC，電壓控制的效果會(huì)更好。

（5）按照仿真結(jié)果，在不考慮風(fēng)電機(jī)自身的無功調(diào)節(jié)能力的前提下，場站的動(dòng)態(tài)無功規(guī)模按照“十二五”新增風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘康闹辽偌s20%配置（即進(jìn)相0.98～滯相0.98）是必要的。

（6）目前，福建電網(wǎng)中的風(fēng)電場均沒有配置動(dòng)態(tài)無功裝置。當(dāng)接入同一個(gè)接入點(diǎn)的小型風(fēng)電場規(guī)模累積到一定程度時(shí)，會(huì)對電網(wǎng)電壓造成影響。因此，規(guī)劃接入風(fēng)電的公共變電站在設(shè)計(jì)中宜考慮預(yù)留SVC的裝設(shè)位置。

3 風(fēng)電開發(fā)對電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻能力的要求

3.1 電網(wǎng)調(diào)峰能力分析

風(fēng)電發(fā)電過程具有隨機(jī)性和不可控性，有可能在負(fù)荷低時(shí)大發(fā)，而在負(fù)荷高時(shí)少發(fā)或不發(fā)電，對電網(wǎng)調(diào)峰有不利影響。根據(jù)福建現(xiàn)有風(fēng)電運(yùn)行統(tǒng)計(jì)資料和設(shè)計(jì)資料對風(fēng)電需要的調(diào)峰能力進(jìn)行推算，所采用的典型風(fēng)電出力曲線見圖7。

根據(jù)目前的電網(wǎng)規(guī)劃，“十二五”期間福建省核電開發(fā)容量約6000 MW，此外還可能從省外接受較大規(guī)模的“西電東送”容量，但規(guī)劃投運(yùn)的抽水蓄能機(jī)組裝機(jī)僅1200 MW。調(diào)峰計(jì)算顯示，在上述計(jì)算條件下，2015年福建電網(wǎng)調(diào)峰能力能夠接納的風(fēng)電大致為1600 MW。如果2015年風(fēng)電規(guī)模達(dá)到2400 MW，福建電網(wǎng)將存在調(diào)峰容量不足的困難。風(fēng)電對福建電網(wǎng)調(diào)峰的影響，今后還需要在跟蹤收集各地區(qū)風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際出力曲線的基礎(chǔ)上，通過專題研究來確定。

3.2 對系統(tǒng)頻率的影響

風(fēng)電場對系統(tǒng)頻率的影響取決于風(fēng)電場容量占系統(tǒng)總?cè)萘康谋壤卜Q風(fēng)電穿透功率。根據(jù)歐美的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，這一比例達(dá)到10%是可行的[3]。2015年福建已建及規(guī)劃風(fēng)電總?cè)萘考s2400 MW，考慮一定同時(shí)率后，占福建電網(wǎng)低谷方式下電源總出力（21000 MW）的比例不超過10%。

在福建與華東聯(lián)網(wǎng)解開的極端條件下，計(jì)算發(fā)現(xiàn)：當(dāng)風(fēng)電規(guī)模達(dá)到約2500 MW后，全部切機(jī)后福建電網(wǎng)最低頻率降低0.48 Hz，接近49.5 Hz。因此，從維持頻率合格的角度看，當(dāng)福建電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，2015年福建風(fēng)電裝機(jī)不宜超過2500 MW。

根據(jù)電網(wǎng)規(guī)劃，“十二五”期間福建電網(wǎng)不僅將加強(qiáng)與華東的500 kV聯(lián)絡(luò)，而且還將通過特高壓與全國聯(lián)網(wǎng)。在此情況下，電網(wǎng)的備用容量和抗干擾能力大為增強(qiáng)，在調(diào)速系統(tǒng)作用的情況下，2400 MW風(fēng)電出力變化對系統(tǒng)頻率的影響完全可以限制在合理范圍內(nèi)。

3.3 提高電網(wǎng)調(diào)峰能力的對策

要增大福建電網(wǎng)接納風(fēng)電的能力，必須加快福建電網(wǎng)調(diào)峰電源建設(shè)，例如加大抽水蓄能電站、燃?xì)怆姀S等快速調(diào)節(jié)電源的建設(shè)規(guī)模；同時(shí)需要啟動(dòng)并推進(jìn)對福建沿海風(fēng)電場出力預(yù)測工作，加強(qiáng)對風(fēng)電場運(yùn)行的調(diào)控管理，增強(qiáng)風(fēng)電功率的可預(yù)知性和可控性。

4 對電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定和短路電流的影響

4.1 對電網(wǎng)短路電流的影響

利用BPA軟件對風(fēng)電場接入電網(wǎng)的公共110 kV母線2015年短路電流進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表2所示。由表2可以知道這些站點(diǎn)的110 kV母線短路電流不會(huì)超過設(shè)備的遮斷能力。

表2 接入風(fēng)電的變電站110 kV母線短路電流Tab.2 110 kV bus short-circuit current in stations connected with wind power kA

4.2 對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的影響

4.2.1 對主網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響

福建沿海風(fēng)電場地理位置一般比較偏遠(yuǎn)，在風(fēng)電場接入系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)研究動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性等系統(tǒng)安全穩(wěn)定問題[8]。

“十二五”期間福建500 kV電網(wǎng)潮流呈現(xiàn)“北電南送”的特點(diǎn)。在各種風(fēng)機(jī)出力情況下，對福建電網(wǎng)500 kV線路故障的臨界切除時(shí)間進(jìn)行掃描比較后發(fā)現(xiàn)：（1）風(fēng)電零出力與滿出力情況下對電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性影響不大。（2）在北部風(fēng)電滿發(fā)，南部風(fēng)電停機(jī)的方式下，福建電網(wǎng)“北電南送”的輸電壓力加大，系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定裕度也有所降低。但是總體而言，“十二五”期間考慮總計(jì)2400 MW的風(fēng)電規(guī)模，福建電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性仍可以滿足要求。

4.2.2 風(fēng)電場切機(jī)對電網(wǎng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的影響

研究中發(fā)現(xiàn)，如果對風(fēng)電場進(jìn)行部分切機(jī)操作，在風(fēng)電接入片區(qū)110 kV電網(wǎng)母線電壓曲線中會(huì)觀測到發(fā)散式的低頻振蕩，但是如果全部切機(jī)則觀測不到，參見圖8。施加SVC電壓控制后，電壓的振蕩有所減輕，但仍然呈發(fā)散態(tài)勢，不能完全抑制。這一現(xiàn)象雖不會(huì)明顯影響到福建主網(wǎng)的功角穩(wěn)定，但是會(huì)直接造成110 kV電網(wǎng)的電壓波動(dòng)超標(biāo)，需要進(jìn)一步研究其機(jī)理并采取控制措施。初步考慮采取以下2種措施：（1）在部分同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)加裝類似PSS的裝置。（2）在規(guī)劃裝設(shè)的SVC上安裝附加阻尼控制器[9-10]。

5 結(jié)論

（1）從風(fēng)電對福建電網(wǎng)安全穩(wěn)定、短路電流和頻率水平等影響來看，2015年福建電網(wǎng)基本具備接納2400 MW風(fēng)電的能力。

（2）風(fēng)電并網(wǎng)將對福建電網(wǎng)電壓水平造成不利影響，需要采用一定的技術(shù)措施加以解決。建議將提高每個(gè)風(fēng)電場的無功調(diào)控能力、提高風(fēng)機(jī)運(yùn)行特性作為解決系統(tǒng)電壓問題的主要途徑。

（3）從風(fēng)電對福建電網(wǎng)的調(diào)峰能力需求看，2015年風(fēng)電規(guī)模如果達(dá)到2400 MW，福建電網(wǎng)將存在調(diào)峰容量不足的困難。要增大福建電網(wǎng)接納風(fēng)電的能力，需要加大抽水蓄能電站、燃?xì)怆姀S等調(diào)峰電源的建設(shè)規(guī)模；為了增強(qiáng)風(fēng)電功率的可預(yù)知性和可控性，需要啟動(dòng)并推進(jìn)對福建沿海風(fēng)電場出力預(yù)測以及風(fēng)機(jī)調(diào)控的研究，以便有計(jì)劃地安排運(yùn)行方式和開展有效的調(diào)度管理，保證電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

（4）風(fēng)電開發(fā)總體進(jìn)度和規(guī)模應(yīng)結(jié)合區(qū)域電網(wǎng)發(fā)展情況，考量調(diào)峰、潮流、電壓、頻率、穩(wěn)定等因素而定。對于電網(wǎng)電壓水平對風(fēng)力波動(dòng)敏感性較強(qiáng)，且電網(wǎng)送出壓力較大的福清、平潭以及莆田秀嶼片區(qū)，建議穩(wěn)妥推進(jìn)風(fēng)電開發(fā)進(jìn)度，使風(fēng)電的開發(fā)進(jìn)度與電網(wǎng)的逐步加強(qiáng)保持協(xié)調(diào)。

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