風電分散接入在農村電網的應用前景研究

文／吉林省電力公司智能電網辦公室 馮利民／

一、風電大規模集中并網面臨消納難題

我國風能資源集中地區電網薄弱、當地負荷小，風電并網主要采取大規模集中開發、遠距離輸送為主的模式。這與歐美國家主要以小規模分散式開發、近距離輸送為主的開發模式效果不同，盡管我國風電發電量的比重僅為1%左右，遠低于歐洲國家，但風電限電常態化的趨勢逐步顯現，“三北”地區風電發電利用小時數大幅度下降，風電企業投資建設風電場經濟性也因此大幅度下降，風電發展面臨市場消納困局[1]。

已建風電場的風電消納問題，可以通過增加本地消納能力、擴大消納市場范圍的方式解決。對于規劃中的風電場，其發展速度和建設地點的選擇必須和消納市場、電網接入條件、負荷發展規劃對應起來。

近年來對分布式電源接入技術的研究表明，通過微網可實現大量分布式電源的接入,可以保證對配電網的安全運行產生盡可能小的影響，又能夠實現分布式電源的“即插即用”，同時可以最大限度地利用可再生能源和清潔能源[2]。但是，單純的分布式接入方式由于只是改變了部分風電機組的并網地點，并未分流這些機組的出力，因而并不能增加風電消納能力。針對電網調峰困難而出現“棄風”的現實困難，分布式接入方式也無能為力。

二、風電分散接入農村電網能釋放農村用電需求

改進農村電力供應是轉變農業發展方式的客觀要求。目前，城市化使得農業的耕地資源減少，工業化使得農業勞動力大量轉移，工業化和城市化又使得農業和農村資金流向城市和工業，造成農業發展資源短缺，迫使農業生產實現由粗放經營向集約化經營轉變，由單一分散向產業化轉變，其直接結果是農業生產率的提高和農業就業人員的減少。這就要求農業生產技術、農業生產裝備得到改善，在較大的區域空間、較深的層次上實現農業生產要素的集約化組合。而清潔、方便的電力供應則是農業生產技術、農業生產裝備得到改善的前提條件。

但是，目前農村電網供電能力遠遠跟不上需求的發展。從以下幾個方面來看，有必要在農村地區開展基于風電分散接入的供電模式變革，一方面保證農村能源供給，服務農業發展方式轉變；另一方面也能顯著增加風電消納能力。

（1）農村配電網末端電壓低。以吉林省為例，截止2010年末，農村配電網共有66千伏變電站474座，主變壓器820臺。部分農村鄉鎮負荷低，相互距離遠，輸變電損耗大，不滿足新建變電站的技術條件，因此目前尚有183個鄉鎮沒有66千伏變電站，占全省鄉鎮總數的24%，這些鄉鎮只能借助相鄰的變電站供電。由于鄉與鄉之間的距離過長，往往超過10千伏線路的供電半徑，導致線路末端電壓過低。此外，吉林省農村配電網普遍存在變電站無功補償容量不足的問題：全省66千伏變電站無功補償容量總計只有169兆乏，占主變容量的3.7%，達不到規定10%-30%的要求；10千伏線路無功補償量304.69兆乏，占配電容量的9.3%，0.4千伏低壓用戶無功補償量235.55兆乏，占用戶配電變壓器容量的5.1%，均達不到規定10%-15%的要求，無法確保農村配電網末端電壓滿足要求。因此，吉林省農村配電網“低電壓”問題突出，隨著農村經濟發展，農村電網供電“卡脖子”現象越來越嚴重。

（2）農村配電網供電能力不足。由于供電半徑過長，末端供電能力受到極大影響，導致春灌季節部分農村鄉鎮出現拉閘限電現象。同時，農村配電網供電能力不足導致農村較多使用柴油機進行農田灌溉，這種灌溉方式比起電動機灌溉不僅成本高，并且產生大量二氧化碳、氮氧化物以及危害人體健康的碳煙顆粒。一方面電力大量富余，另一方面農村電力負荷不能得到滿足，要緩解這種尷尬的矛盾，必須提高農村配電網供電能力，提高電能在農業生產中的比重。

（3）大規模并網風電消納困難。吉林省電力有限公司公布的數據顯示，2011年吉林省風電的平均發電利用小時數為1591小時，比全國平均數低312小時。以白城地區為例，截至目前，白城風電并網發電規模達210萬千瓦，占整個吉林省305萬千瓦風電并網裝機容量的近70%；在投產累計28座風電場中，白城占了17 座。2011年，白城全年風電產業完成工業總產值25億元。根據白城能源產業辦公室提供的數據，2011年，白城地區風電發電量為26.92億千瓦時，棄風電量為7.4億千瓦時，平均發電利用小時數1650小時，比風電設計發電小時數少450小時[3]。風電場虧損嚴重。

為緩解農村配電網供電能力不足的問題，過去多依靠電網延伸的方法:從大電網延伸到縣城再延伸到鄉村。由于傳輸線路長，負荷小，線損大，末端電壓低且波動幅度大，電能質量得不到保證，同時投資大，效益低，電力企業不堪重負。目前，風力發電的成本不斷降低而產品和系統的可靠性不斷提高。風能村落獨立供電技術已經在國外某些邊遠地區得到應用，一方面能保證無電地區的電能供應，增加農田灌溉和大棚保溫中電能的使用率，提高農村電氣化水平；另一方面能極大改善邊遠地區的電能質量，有效緩解農村電網“低電壓”問題。

三、風電分散接入農村電網的技術難題

風電分散接入技術是電力系統前沿研究領域之一，其經濟、環保、靈活等優勢已得到各國廣泛重視，該技術在歐美一些國家已經得到廣泛應用。國外風電發展主要是分散開發，就近接入低壓配電網，就地消納。以德國為例，其風電場主要是陸上風電，均勻分布在全德境內，就地分散接入110千伏以下配電網的風機占總量比例超過70%，發出的電力直接供用戶使用。風電的分布式接入技術在國外得到了充分發展，有大量的成熟技術可以借鑒。我國風電裝機總量已處世界首位，但風電發展以大規模集中并網為主，風電分散接入技術目前還處于起步階段，相關技術的研究和開發顯得有些滯后。作為集中并網的補充，離網型風光互補供電電源僅小范圍得到應用，如偏遠地區的戶用供電系統和村用供電系統、漁船上的供電系統、通訊站雷達站的獨立供電系統、景觀路燈照明等。

總體上來看，風電分散接入在改善農村電壓低、電能質量差和提高農村電力供應能力的同時，還會對農村配電網產生以下負面影響。

風電分散接入對現有的配網繼電保護存在影響。其影響表現為：影響原有過電流保護的檢測電流和故障電流，導致其無法正常工作；分布式電源接入導致距離保護的保護范圍縮小并增加誤動作的可能性；在配電網中引入逆向電流并影響電網電壓的分布特性；在配電網發生故障時，出現分布式電源繼續為部分負荷供電的孤島運行現象，導致自動重合閘失敗。

風電分散接入配電網會對饋線的電壓分布產生重大影響。影響程度與分布式風電的容量、接入位置有很大關系。等容量的分布式電源，散布在饋線比集中在同一位置對電壓的支撐作用要大。同時，分布式電源的接入還可能對原有控制設備產生影響(可能造成有載調壓變壓器和并聯電容器的動作次數越界)，其關鍵在于分布式電源啟停的時間以及接入的容量。

風電分散接入農村配電網會產生電壓波動和閃變。風電輸出功率波動大，間歇性、隨機性程度高，容易造成電網電壓波動引起閃變；為提高發電效率，很多機組采用最大功率追蹤控制，當外界條件發生變化時，其輸出功率必然隨之變動，從而引起電壓波動；風電機組的啟停，也會影響并網點電壓；分布式風電接入10千伏配電網，由于接入點其短路容量相對較小，功率波動時會產生較大的電壓變化。

風電分散接入系統大多通過電力電子變流器，這會向系統注入諧波，影響電能質量。影響大小與風電機組的數量及接入位置有關。接入位置越接近線路末端，饋線沿線各負荷節點的電壓畸變越嚴重。

風電分散接入對電網運行還會產生一些負面影響。風電分散接入，使系統短路電流增大，可能超出線路設計熱穩定容量及斷路器設計遮斷容量；風力發電的間歇性給農村配網發供平衡帶來困難；配網調度管理、潮流控制更加復雜；配電設施停電檢修安排困難；電力系統出現故障時，風電斷開，造成事故惡化。

四、風電分散接入在農村電網的應用前景展望

風電分散接入農村配電網，可以發展以下負荷，逐步取代傳統能源。

（1）“棄風電量”采暖。在農村居民聚居區內建設蓄能電供暖裝置，“棄風”時段將富余電力用來加熱供暖，熱量出售給供熱企業，既可以避免清潔風能的浪費，保證風電企業多發電量，又可以提高農村居民供熱質量，同時還可以緩解電網調峰壓力。據估算，如果在吉林省有條件的地方都分散接入風電機組，每年可節約“棄風”電量12億千瓦時。

（2）農業灌溉。按照吉林省增產百億斤糧食的規劃，白城市將增加200萬畝的水田，水田總面積將達到400萬畝。目前農民多用柴油機抽水灌溉，如全改用農灌電機井灌溉，則能新增用電3.6億千瓦時。

（3）提高日常生活中的用電比重。鼓勵農村地區在城鎮采暖、家庭廚房、生活熱水、城市交通和城市亮化等方面用電。據測算，僅此一項，白城地區一年就地消納風電量可達4.55億千瓦時。

總之，廣泛開展風電分散接入農村電網，可以提高地區電壓合格率、充分利用“清潔能源”、節約農村電網建設資金、降低線損電量、為農村農田（含大棚）灌溉提供電力。另外，還可以起到明顯的節能減排效果。

[1]汪寧渤，酒泉風電消納困局怎破解[J]，能源評論，2012,45（9）：39-41.

[2]王成山，李鵬，分布式發電、微網與智能配電網的發展與挑戰[J]，電力系統自動化，2010,34（2）：10-14.

[3]牛秋梧，艾江濤，白城：在焦慮中等待[J]，能源評論，2012,45（9）：50-57.