風電發展對我國電網運行可能造成的影響

胡傳煜

(上海新能源行業協會,上海 200235)

近年來,全球的風力發電已進入一個迅速發展的時期,風電技術已經成為具有商業化發展前景的成熟技術并催生了一門新興的朝陽產業,風能有可能成為世界未來最重要的替代能源之一。預計2020年全球電力的12%將來自風電,世界風電總裝機將達到12.31億kW。近年來在政府的大力促進和支持下我國的風電產業迅速崛起,裝機容量連年翻番,2010年末累計風電裝機容量已達4473萬kW,已經超過美國成為全球風電裝機第一大國。預計在今后的一段時間內,我國還將繼續保持領先發展的勢頭,2015年將達到9000萬kW,2020年將達到1.5～2.0億kW。但是風力資源具有較強的隨機性,風電并網運行可能對電網產生一些不利影響。以前我國風電發展規模很小,這種隨機性對電網運行的影響不突出,但是隨著風電發展規模的日益增大,數十萬千瓦、百萬千瓦級的風電場和千萬千瓦級的世界超級風電基地的不斷出現,對電網的影響就可能會較大,實事求是地分析這些影響及探索應對措施對于健康地發展風力發電將是十分有必要的。本文的分析將結合上海地區多年來風力發電的特點和實踐進行。

1 風力隨機性對并網風電機組出力和電網頻率的影響

風力的隨機性一直被認為是推廣應用風電的主要障礙之一。風電機組因風速的隨機性帶來的出力變化,將對電網的頻率造成影響。正常天氣多數時間風較小時,風電機組的出力約為裝機容量的三分之一,出力變化的絕對值相對也較小,對電網的影響也有限。但是當風的強度、移動速度及方向變化較大時,就會對風機的出力產生不同的影響。

1)陣性風的影響 陣性風對單臺機的出力影響很大,風電機組在幾分鐘內最大可以發生50%的變化。但對同一風電場的一群風機來說,由于風從一端移動到較遠的另一端是需要一定時間,各風機的出力此起彼伏,減小了風電場總出力的變化,風電場總出力曲線得到一定程度的“濾波”,如果電網中風電場的分布范圍越廣、風機越多,這種“濾波”作用就會越強。國外曾有研究指出,從德國某區域1500臺共35萬kW的風機總出力統計來看,1 h內的變化率為裝機容量的1%左右,時間跨度越長變化率增大,可高達 50%。這個結果表明,歷時較短的陣性風對風電場的出力影響較小。根據上海已投運的風電場實際運行經驗看,南匯風電場長3.6 km,有11臺1.5 MW風機,由于風電場還較小,風電場的出力經常會有30 m in內50%的變化幅度。如果電網中風電場的分布范圍有數十公里到幾百公里,那么風電總出力的變化幅度應當縮小。上?？衫脗鬏數诫娋W調度中心的風電場實時出力數據,進一步分析探討其規律。

2)夏季雷雨或強對流天氣形成的大風影響這種現象往往是局地性和短時段的,而且風速要足夠大,通常需達到25m/s(約十級風)才會使風機停機,因此其影響范圍和程度都非常有限,不會對電網調度造成較大影響。在上海,經常發生南匯在下雷陣雨,崇明卻是艷陽天,甚至同在崇明島上,西邊暴雨如注,東邊風電場卻若無其事。

3)大尺度氣象現象的大風影響 大尺度氣象現象的大風,如臺風、寒流等,目前預報還比較可靠和及時,它對風電場出力較大的影響主要發生在大風開始和結束時段,中間時段變化率相對較小。據崇明、南匯風電場的實際運行觀察,這種大風從低出力開始增加到滿出力,或從滿出力開始下降到低出力一般需要數小時,最快約25 min。這種大風的移動速度緩慢,例如北方南下的冷空氣從崇明到南匯(風電場直線間距約64 km)通常需約2 h,臺風通常移動速度在10～30 km/h左右,因此崇明、南匯風電場所受到的影響會錯開2～3 h,因此對電網運行影響會有所抵消。

由此可見,風的隨機性帶來的大規模風電場出力變化并沒有原先擔心的那么大,在實際運行中對電網頻率的影響也比較有限,只要大電網有足夠的容量,這些風電是可以消納的。國際上通常認為,一般風力發電的容量占電網總容量只要不超過10%,風電場的并網運行對電網影響不大。電網系統越大、風機地理分布范圍越廣,風的隨機性影響也就越平和,電網能夠承受的風力發電的容量比例,甚至可以提高到20%以上。

據報道2010年4月8日,我國蒙西電網風電當日電量占比已達到了18.7%,功率占比可能更高。在國外,2009年德國風能滿足了7%的電力需求,西班牙已成功實現占15%,丹麥2007年就已達到25%,美國計劃2030年風電提供20%美國電力的目標。根據國家電網公司統計,2010年全國風電機組平均利用小時數為2097 h,特別是蒙東、蒙西、吉林、黑龍江,風電發電量占全社會用電量的比例分別已達到21.1%,8.7%,5.6%和4.6%,這些地區的風能利用已經達到較高水平。

隨著風電規模發展越來越大和技術進步,在那些風電占比較大地區已開始采用風電場有功控制系統,這種系統可以根據電網調度的要求限制風電場總功率,按設定的優先順序或一定比例限制風機的運行功率,作為電網遇緊急事故、高周率時調度調峰或控制輸電線潮流的調度手段,當然是為了最大可能地利用稍縱即逝難以存儲的風能,除非不得已應盡可能避免采用這種措施。

風電對電網調峰的影響應當放在同一周率的整個電網(如華東電網)上來考慮。在未來十年內,上海的風電規模占華東電網總容量的比例還很小,因此對調峰影響還很有限,即使華東電網內將來風電發展到千萬千瓦,龐大的華東電網也還是能夠承受的。但目前華東電網內與各省網間的調度出力考核還沒有考慮風電的特殊性,對省網調度還有不利于風電發展的障礙,將來風電發展規模大了,應予整體考慮進行適應性修改。

為了控制風電機組出力變化對電網頻率的影響,理想的做法是事先掌握風電機組的出力變化,這就要求能夠預先知道風速、風向、空氣密度的變化情況。目前氣象科技對大尺度氣象現象(如臺風、寒流等)已經具有一定的預報能力,一般能做到至少提前4 h較精確的預報。但是小尺度氣象現象還不能精確預測,利用目前的氣象技術不太可能提前24 h精確預報某一個風電場的出力。當然,目前上海電網中的風電總規模還很小時(如只有十幾萬千瓦左右),風電場出力預報意義還不大,但是當風電總規模發展到較大時(如到50萬kW以上),并網運行的風電場出力預報就對電網調節就會發揮作用。將來氣象部門通過氣象衛星遙感實時數據和地面氣象站有關實測數據,在超級計算機上進行高精度(目前已可達1 km2)的數值氣象預報,可提供各風電場未來24 h的逐時預報風速、風向、空氣密度等數據,電網(如上海電網或華東電網)的調度中心可利用該風況數據和各風電場上傳來的運行風機的狀態及預存的功率曲線數據,由計算機迅速計算出各風電場未來24 h的逐時預報出力和全網風電總預報出力,并可根據需要實時滾動計算修正。這些數據實時顯示在調度員和有關風電場控制室的顯示屏上,電網調度員可在第一時間據此進行調頻調度;風電場可用實際數據核對和驗證該預報的準確性,并向上反饋,以利積累經驗和修正預報軟件。風電場出力預報,使風力資源的隨機性對電網影響的影響減少到最小,作為一種前沿技術將在今后風力發電的發展中得到廣泛應用。

2 風電機組的功率因數對電網電壓的影響

早期的定槳距和變槳距風機配套的是普通異步電機,因此盡管配置了電容器補償無功裝置,但風電機組在啟動時還需從電網吸收一定無功,對電網可能會產生一定的影響。現代變速風機采用雙饋發電機技術或直驅風機技術(目前上海已建風機均為該類型),功率因數可在-0.95～+0.95的范圍內調節,通過調節既可以吸收電網無功也可向電網發出無功。不過,目前風機的功率因數通常被風機控制程序固定設定為1,既不吸收電網無功也不發出無功,雖然對電網電壓不會產生不利影響,但是其調節無功的潛力不能發揮作用。隨著風電場規模的擴大,風力發電這種調節無功的能力將作為一種資源被電網充分利用,風電場的無功控制系統也已成為風電發展的前沿技術。好幾年以前美國GE公司已經率先研發了風電場的無功控制系統,這種控制系統可以根據電網電壓的情況自動控制風電場內每臺風機的功率因數,使電網電壓更穩定,還可以減少電網的線損。我國的國家電網也已要求大型風電場的設計和建設能夠安裝無功控制系統。

3 電網故障引起的風機切機對電網安全的影響

風機的自身保護系統通常很敏感,一旦電網發生故障電網的周率變化超過±1 Hz時,或者風電機組的瞬間電壓低到額定電壓的90%,或者高到額定電壓的107%時,風電場的風電機組將在0.1 s內全部解列,電網將突然失去這部分電源出力。當電網恢復正常后,風機重新啟動還需要過一段時間,如檢測電網電壓連續5min正常、風機變槳蓄電池測試正常等,甚至需要人到風機現場復位后才能重新啟動,有時這可能要花費數小時才能完全恢復。當風電場規模較大并且電網電源出力緊張時,風機切機和重新啟動將可能給電網帶來一定影響,并且延緩電網恢復的進程,特別是在電網無備用出力時,甚至可能需要負荷相應減載(即拉電)。事實上,風電對電網影響中最嚴重的影響就是這類情形。2011年2月24日,甘肅酒泉風電基地發生了一起“一般性電網電壓波動”事故,深夜0:34,中電投酒泉橋西風電場35 kV饋線開關柜下側的電纜頭發生C相套管接地擊穿。套管接地11 s后,事故演化為三相短路故障,敦煌變330 kV母線電壓瞬間跌至272 kV,酒泉瓜州地區其他10座風電場298臺風機迅疾脫網。風電出力突然下降引起系統電壓升高,敦煌變330 kV母線電壓瞬間最高值達到380 kV,因電壓過高,瓜州另6座風電場的300臺風機也因此脫網。事故最后造成598臺風電機組(共84萬kW)相繼脫網,導致電網電壓大幅波動,并波及甘肅電網,威脅到了整個西北電網安全運行。

并網風機若采用了低電壓穿越技術,一旦電網發生瞬間故障,風機瞬間電壓即使低到20%,這些風機在0.625 s內還可以不解列,一旦3s內故障消除、電網的電壓恢復正常后,風機也立即恢復正常運行,這樣不僅減少了風機停機的電量損失,電網減少拉電的可能,而且對保持電網運行的穩定和電網瞬間故障后迅速恢復起到很好作用;若電網故障為永久性故障,電網速斷保護正確動作,迅速切除故障點,則與故障點直接相接的風機會停機,而故障點以外的風電機組仍能繼續正常運行。采用低電壓穿越技術有助于并網運行的大風電場和電網運行的安全,已經在美國等一些發達國家的風電場中成功應用。我國以前風電場較小,大部分風機制造廠商和業主對此認識不夠,大部分風電場都不具有該技術。如果甘肅酒泉風電基地的風機都能采用低電壓穿越技術,并且電網速動保護配置合理,就能正確動作切除故障點,避免故障點以外的其他風電場風機的解列,事故對電網影響也不會這樣大?，F國家電網也已對并網運行的大型風電場的設計和運行提出了低電壓穿越設備改造的要求。

4 風力發電機諧波對電網的影響

現代風電機組在換流變頻環節中都采用了大功率電力電子元件,人們往往會擔心這些元件的運行中可能會產生各種危害電網的高次諧波干擾。歐美電網對高次諧波的限制要求應該是較高的,風機變頻裝置在設計中已考慮了減少這種影響的措施,要求達到電網容許的標準。我國生產的風機上大多選用進口的國外著名品牌或國外技術在我國生產的變頻器,目前國內外在運的風電場實際中尚未觀測到對電網有明顯高次諧波危害的例證,也未見有對此深度研究的報告。事實上與此相似但是功率更大、電壓更高的直流輸電技術已較成功地運行在電網中,更多應用變頻技術的設備也遍布在各行各業的用戶中,近幾年風機產業的變頻技術本身也在不斷更新進步,因此變頻引起的高次諧波,對電網的影響是有限的。當然,為了推行我國的并網風電機組對高次諧波要求的標準,在各種工況下對現有各風電機組主流機型進行一次仔細的諧波測試分析(包括風機全停時的背景諧波測試),還是有必要的。

5 風電可以減少電網線損

其實,風電對電網的影響也有有益的方面。例如,風電對我國東部電網也有好處,風電并網運行可以減少電網線損。在我國東部地區風電場通常處于電網末端的沿海地區,這些地區經濟相對較發達,而且離用電負荷也較近,風電場所發的電能實際上很快被上網點周圍地區的當地用電負荷就近消納了,從而為電網分擔了部分地區負荷,減少了原先從遠端火電廠送電到負荷地區的線路損失,如果按減少電網的線損5%計算每年的節能效果也非常顯著。

6 結語

綜上所述,風電的并網運行對電網的不利影響應當說還是有限的,并且在技術上是能夠解決的,風電出力預報系統、低電壓穿越技術、風電場有功和無功控制系統以及新變頻系統等都可以避免或者減少風電接入對電網正常運行的干擾,這些技術有些正在研發和試驗中,有些已經在應用。我國經濟增長面臨能源和環境的制約瓶頸,但是我國有豐富的風能資源,風電將是我國電力發展重要的一支生力軍,目前已經以令世人驚羨的速度迅速發展。當然,風力發電的大規模推廣離不開電網的支持,我國目前正在發展智能電網和堅強電網,智能電網和堅強電網的建設可以大大化解風力發電上網的難題,使我國的風力發電資源的潛力得到充分的挖掘,風力發電成為我國節能減排和可持續發展的一個重要手段。