大規模風電并網對電網的影響及抑制措施研究

許睿超,羅衛華

（遼寧省電力有限公司,遼寧 沈陽 110006）

風電并網發電是目前中國極具發展可能和前景的新能源發電。從2003年到2008年,中國風電裝機容量快速增長,累計裝機容量從2003年末的56.7萬kW增加到2008年末的1 324.22萬kW,增加了22.3倍;年新增裝機容量從2003年的9.8萬kW增加到2008年的719.02萬kW,增加了72.4倍。在2010年,中國風電裝機容量已超過3 000萬kW,提前10年完成了我國此前規劃的2020年風電裝機容量達3 000萬kW的目標。今后中國平均每年將新增約2 500萬kW風電裝機,5年后風電裝機將達到1.35億kW,20年后可達到5.13億kW。

預計在2010年底,遼寧電網的風電裝機容量達到340萬kW,2015年風電裝機容量達到787萬kW。

風能發電具有不穩定性和間歇性的特點,增加了風電在電壓、頻率及相位控制上的難度,如果風電的比重超過整個電網的10%,將對電力系統的安全穩定運行及電能質量產生不利的影響。同時,我國風電場的單機容量一般較小,且850 kW以下的風電機組絕大多數是異步發電機組,需要系統提供無功支持。因此,提高風電場發電的穩定性,抑制風電引起的電壓波動與閃變是風電并網運行中的重要問題。

目前,減小風能發電對電網的不利影響,主要采用的措施是提高風電功率預測精度。雖然,國內外已有一些風電功率預測模型和方法[1-2,7],但至今還沒有準確實用的方法,許多模型需要利用全球的數據來支撐預測精度[3],這牽涉到多方面的利益。同時,電網的調度員需要投入更多的精力,做更為細致的工作,對各類電源出力、備用安排精確到分鐘級乃至秒級,并準備多項應急預案,盡最大努力消除風電的不確定性對電網的影響,這無疑加大了調度員的工作強度,實現難度很大。

本文針對遼寧電網風電并網的實際情況,提出了強化風電并網的調度及技術要求：加強風機的低電壓穿越能力,要求風機能按調度令增減出力,風機都能夠發出或吸收無功功率,風電場能根據系統頻率變化自動調節功率輸出和具備黑啟動能力。同時提出提高風電場發電的穩定性最好的方法是采用儲能技術進行能量儲存,使風力發電廠在無風、少風的狀態下仍能正常工作,可以提供持續穩定的電能。

圖1 遼寧某風電場日負荷曲線

1 風能發電對遼寧電網的不利影響

由于風電具有較大的隨機性和不可控性,屬于間歇性、不穩定的波動型電源。風電場風機一般安裝在50～70m高空,某風電場兩天的風機出力曲線如圖1所示。該風機日最大功率出現在13：00～22：00,最小功率出現在1：00～7：00及23：00～24：00。

風電的大規模集中并網將給遼寧電網的調峰調頻、聯絡線控制、系統暫態穩定、無功調壓及電能質量等諸多方面帶來直接影響,給電力系統的安全穩定運行帶來新的挑戰。

1.1 導致系統調峰難度增加

由于風電運行的不確定性,其功率波動常會與用電負荷波動趨勢相反,即在負荷高峰時段可能無風可發,而在負荷低谷時段又可能來大風而需要滿發[4]。同時風電機組功率由風速決定,功率變化速率較快,從而還要求系統為之提供足夠快的調峰速率。因此,風電的運行相當于產生了“削谷填峰”的反調峰效果,進一步加大了電網的等效峰谷差,惡化了系統的負荷特性,擴大了全網調峰的范圍,因此必須要在全網范圍內統一留取充足的正向、負向旋轉備用容量。

1.2 影響系統頻率和省際聯絡線調節的穩定性

東北地區風能的特點是能量足、變化快、時空分布不確定性強,因此風電運行呈現功率瞬時突變的特征。從目前已并網的風電機組運行特性來看,阜新、鐵嶺、大連等地區的風電場出力經常在數分鐘之內就產生100～250 MW的升降,造成系統的頻率突變和省際聯絡線功率產生較大偏差。風電機組本身對于系統頻率的跟蹤調節能力十分有限,風電機組本身的穩定運行狀況反過來又會影響系統的頻率調節,從而導致頻率特性的進一步惡化。因此,對于大規模風電功率波動的控制還要有能夠滿足風電場功率瞬時驟變的系統調峰速率。

1.3 導致潮流斷面重載增加并降低系統穩定性

風電場的地理位置基本上處于遠離負荷中心的主網架末端,一般接入到網架結構比較薄弱的配電網上,因此當其大規模集中發電時可能造成上網點附近多個輸送斷面的潮流發生重載。同時由于風電輸送的“電氣距離”相當遠,大量運行的風電機組又使得系統轉動慣量變小,因此一定程度上減弱了系統對振蕩的阻尼作用,降低了系統運行的穩定性。

1.4 增加系統無功調節難度且降低電網抵御故障的能力

風電場在正常運行時需要吸收大量的無功功率來建立旋轉磁場,其無功需求一部分可通過自身的無功補償設備來提供,另外相當一部分仍需從主網來吸收。因此大規模風電場的集中運行,必將提高從電網中吸收的無功功率,進一步增加線路、變壓器等設備的損耗,降低系統的無功儲備度[5-6]。這就一方面要求需在風電場附近的廠站合理配備一定容量的無功補償設備,另一方面則必須要提高系統的無功調節能力,從而增加了系統電壓調節和無功管理方面的難度。

同時,由于風電機組本身對電壓幾乎不具備任何調節能力,其低電壓保護的動作限值一般僅設置到0.7～0.9倍的額定電壓,在母線電壓發生小幅的擾動時,風電機組就會簡單地切除以保護自身設備[8]。當系統發生較嚴重的故障引發大面積電壓跌落時,集中運行的風電機組又會瞬時成批地解列,造成惡劣的連鎖反應和對系統的二次沖擊,甚至可能會誘發系統振蕩和電壓崩潰。因此風電的大規模集中并網運行,會進一步降低電網對故障的抵御能力,對電網的安全穩定控制提出了更高的要求。

實際上,對于風電的間隙性和隨機性特點,歐美國家的電網企業從抵制到接納也經歷了一個較長的過程。隨著風電并網容量不斷增大,各國電網企業都針對風電并網制定了技術要求。本文針對遼寧電網風電接入的實際情況,提出以下措施減少不利影響。

2 抑制風電并網不利影響的措施

2.1 加強風機的低電壓穿越能力

風機的穿越故障能力即在系統發生事故、電壓水平降低的情況下,風電場依然能夠聯網運行,以保證系統的穩定。如德國最大的電力公司意昂電力公司規定,風電機應能承受的故障電壓下降到零,持續時間150 ms,電壓恢復時間1 500ms;北美電力可靠性委員會規定,對于裝機2萬kW以上的風電場,風機承受的故障電壓為15%,持續時間625 ms,恢復時間3 000 ms,同時準備提出更高的要求,即故障電壓為零時持續時間167 ms。

2.2 風機能按調度令增減出力

要求風電場出力變化速度低于一定限值,在極限風速條件下同一風場風機不能同時退出運行,以保證常規機組有足夠反應時間。

2.3 風機能夠發出或吸收無功功率

要求所有風機都能夠發出或吸收無功功率,為系統穩定提供無功功率支持,適應電網電壓的變化。

2.4 能根據系統頻率變化自動調節功率輸出

要求風電場實際出力水平下調一定百分點,以便于有一定有功備用參加一次調頻。為防止突發的擾動,要求加強電網可調用儲備容量,德國要求一級儲備容量響應時間最高30 s;二級臨時儲備容量響應時間5 min;分鐘臨時儲備容量響應時間5～15min。

2.5 具備黑啟動能力

歐美國家電網企業一般要求大型風電場具備這一功能。

要實現以上這些技術要求,提高風電場發電的穩定性,最好的方法是采用儲能技術進行能量儲存,使風力發電廠在無風、少風的狀態下仍能正常工作,可以提供持續穩定的電能。

3 儲能系統在風電場中的應用

采用儲能系統可以控制風力發電輸出的有功功率,不僅可用于電力調峰,使風力發電單元作為調度機組單元運行,而且具備向電力系統提供頻率控制、快速功率響應等輔助服務的能力。

3.1 儲能技術比較

a.抽水蓄能。目前,全世界共有超過90GW的抽水蓄能機組投入運行,我國也有成功運行的抽水蓄能電站。抽水蓄能電站的最大特點是儲存能量非常大,因此非常適合于電力系統調峰和做備用電源的長時間場合。從技術層面講,抽水蓄能電站的關鍵在于如何實現電能與高水位勢能間的快速轉換,抽水蓄能機組的設計和制造是關鍵,這種方式的缺點是轉化效率不是很高（約為80%）,并且受地域限制。

b.先進電池儲能。近年來,新型的蓄電池相繼開發成功,并在電力系統中得到應用。英國正在用PSB電池建設一座15 MW/120 ME?h的儲能電站,其凈效率約為75%。日本采用NaS技術的儲能示范工程有30多處,總儲能容量超過20 MW,可用于8 h的日負荷調節。NaS電池具有較高的儲能效率,還具有輸出脈沖功率的能力,輸出的脈沖功率可在30 s內達到連續額定功率值的6倍,使NaS電池可以同時用于電能質量調節和負荷的削峰填谷調節兩種目的。

c.飛輪儲能。大多數飛輪儲能系統是由一個圓柱形旋轉質量塊和通過磁懸浮軸承支撐的機構組成,飛輪系統運行于真空度較高的環境中,飛輪與電動機或發電機相連,其特點是沒有摩擦損耗、風阻小、壽命長、對環境沒有影響,幾乎不需要維護。飛輪具有優異的循環使用以及負荷跟蹤性能,它可以用于那些在時間和容量方面介于短時儲能應用和長時間儲能應用之間的應用場合。

d.超導磁儲能。超導磁儲能由于具有快速電磁響應特性和很高的儲能效率。超導磁儲能在電力系統中的應用包括負荷均衡、動態穩定、暫態穩定、電壓穩定、頻率調整、輸電能力提高以及電能質量改善等。目前超導磁儲能仍很昂貴,除了超導本身的費用外,維持低溫所需要的費用也相當可觀。超導磁儲能工程正在進行或處于研制階段。

e.超級電容器儲能。與常規電容器相比,超級電容器具有更高的介電常數、更大的表面積或更高的耐壓能力。目前,超級電容器大多用于高峰值功率、低容量的場合。

f.壓縮空氣儲能。壓縮空氣儲能相當于一種調峰用燃氣輪機發電廠,對于同樣的輸出,它消耗的燃氣要比常規燃氣輪機少40%,它可以利用電網負荷低谷時的廉價電能預先壓縮空氣,然后根據需要釋放儲存的能量加上一些燃氣進行發電。壓縮空氣常常儲存在合適的地下礦井或巖洞下的洞穴中。第一個投入商業運行的壓縮空氣儲能是1978年建于德國Hundorf的1臺290 MW機組。目前美國GE公司正在開發容量為829 MW的更為先進的壓縮空氣儲能電站,此外,俄、法、意、盧森堡、以色列和我國也在積極開發和建設這種電站,各類儲能技術比較如表1所示。

比較而言,遼寧電網可采用電池儲能系統。

3.2 儲能技術在電網調峰中的應用

a.電池儲能系統

電池儲能（battery energy storage system, BESS）是柔性交流輸電技術中的一種,將BESS與風力發電單元相結合,有利于減少風電場輸出波動對電網的影響,改善并網風電場的穩定性問題。BESS主要由蓄電池組、逆變器、控制裝置和變壓器組成,可等效成由變流器模型和電池的電化學等效電路兩部分,如圖2所示。

圖2中,R為變壓器電阻及線路電阻的等效電阻;L為變壓器漏電感及線路電感的等效電感;uS為系統側交流電壓;uR為換流側交流電壓,C為直流側的平波電容;UDC為直流側平波電容兩端電壓。

b.電池儲能系統的調峰效果

從圖3可知,采用電池儲能系統可以產生“填谷削峰”的調峰效果,減小電網的等效峰谷差,優化了系統的負荷特性,擴大了全網調峰的范圍。

4 結束語

風能是最具發展前景的新能源,但風能發電具有不穩定性和間歇性的特點,給電網穩定帶來了問題。本文針對遼寧電網風電接入的實際情況,提出了強化風電并網的調度及技術要求。同時,提出了要提高風電場發電的穩定性,最好的方法是在風電場建立儲能系統。

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