風電在湖南電網中的發展現狀分析

韓忠暉，鄧小亮，馬悅，胡家華，錢軍

(1. 國網湖南省電力公司，湖南 長沙410007;2. 國網湖南省電力公司長沙供電分公司，湖南 長沙410015)

隨著風電技術的成熟以及成本的大幅下降，風力發電得到了持續發展。截止到2012 年底，國內風電并網總容量達到6 083 萬kW，發電量達到1 004億kWh，風電已超過核電成為繼煤電和水電之后的第三大主力電源。

湖南地處華中地區，受自然環境影響，風電總裝機容量并不大，但發展勢頭迅猛。截止到2013年10 月底，湖南電網共有并網風電場8 座，分別為仰天湖風電場、南山風電場、后龍風電場、水源風電場、三十六灣風電場、嵐橋風電場、花地灣風電場和天塘山風電場，并網裝機容量287.8 MW，占統調裝機容量的1.1%〔1〕。根據國家能源局“十二五”風電項目核準計劃，湖南將重點在湘南、湘東南、湘西南和洞庭湖區等地建設一批風電場，共計43 個項目，總裝機規模將突破2 000 MW。然而，風電作為一種綠色清潔能源在得到大力發展的同時，也給電網運行帶來了一定的不利影響，涉及到電網的調峰調頻、聯絡線控制、無功調壓及電能質量等方面技術，給電力系統的安全穩定運行帶來了新的挑戰。

1 風電發電機的結構特點

風力發電機的工作原理就是通過葉輪將風能轉變為機械轉矩，通過主軸傳動鏈，經過齒輪箱增速到發電機的轉速后驅動發電機發電，有效地將風能轉化成電能，主要可分為鼠籠異步型、雙饋感應型和永磁同步型等3 種類型。其中鼠籠異步型風電機組結構簡單，其采用鼠籠異步發電機轉換能量，是風力發電中最早使用的機型，由于該類型發電機正常運行時速度僅在很小范圍內變化，對風能的利用率低下，目前已逐步淘汰。雙饋感性型與永磁同步型風電機組采用了變頻恒速技術，對風能的利用率大大提升，是目前應用最廣泛的機型。

目前在湖南各風電場中，所采用的風電機組類型見表1 所示:

表1 湖南省風電場風機類型

2 對電網的影響

2.1 對系統調峰的影響

風能是一種綠色清潔能源，我國的《可再生能源法》要求對風電等可再生能源優先收購。然而，風電運行具有很大的不確定性，其功率波動往往與用電負荷趨勢相反，加大了電網的等效峰谷差。目前，湖南電網的峰谷差已經在逐年增大，至2012 年底，系統峰谷差最大已達9 000 MW 以上，在低谷時段，火電機組一般按50%負荷調峰，極端時候需要深度調峰、啟停調峰，系統安全運行風險大。因此，可以預見，隨著湖南風電裝機容量的逐步擴大，系統調峰的難度將進一步加大。如何防止在低谷時段因調峰困難而導致棄水、棄風，需要引起進一步的關注。

2.2 對聯絡線調整的影響

與水電廠可以蓄水不同，風電場在當前尚無法存儲風能。因此，風電場的輸出受自然風的變化而變化，無法像傳統電源那樣進行實時功率調整，具有不可控性，當并網運行的風電機組切入、切出電網時，就需要其他可調節的常規電源與之匹配。否則，將不可避免的出現一定程度的功率波動，對鄂湘聯絡線乃至整個系統都造成一定的沖擊。要求系統在運行時留出充足的正負旋轉備用，在一定程度上降低了系統運行的經濟性。

2.3 對發電方式的影響

湖南是一個水電大省，截止到2012 年底，水電裝機容量9 165.93 MW，占統調裝機容量的34.92%。受自然環境的影響，水庫來水多集中在春、秋兩季，并且有來水集中、分布范圍廣、持續時間長的特點。汛期時，省內各骨干水電廠如五強溪、鳳灘、柘溪等，往往長時間滿負荷運行，造成了火電機組發電方式一般維持在系統穩定要求的最小開機方式。

隨著風電裝機容量的進一步增大，水電與火電之間的矛盾勢必會發展成水電、火電、風電三者之間的矛盾，尤其是水電與風電同為綠色環保能源，其中的取舍問題給發電方式的安排帶來極大的困難。

2.4 對系統無功平衡的影響

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，其無功功率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通過主網來吸收。因此大規模風電場的集中運行，必將從電網中吸收大量的無功功率，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。一方面要求在風電場附近的廠站合理配備一定容量的無功功率補償設備，另一方面則必須要提高風電機組以及系統的無功功率調節能力，從而增加了無功功率管理方面的難度。

2.5 對電能質量的影響

風電機組的運行會給系統帶來一定的諧波影響。湖南境內風電機組多為雙饋感應型和永磁同步型，均采用了整流和逆變裝置等電力電子設備，機組投入運行后變頻器都將始終處于工作狀態，因此風電機組的并網運行可能會引起諧波注入問題。如果電力電子裝置的切換頻率恰好在產生諧波的范圍內，則會導致比較嚴重的諧波問題〔3〕。

2.6 電網運行風險的增加

近年來，從其他省的運行經驗來看，風電運行還是存在著一定的風險，國內先后發生了數起大規模風電脫網事故。根據國家電監會2011 年12 月初發布的《風電安全監管報告》，2010 年全國共發生80 起風電機組脫網事故，2011 年前8 個月發生脫網事故193 起。其中較為典型的是2011 年2 月24日，甘肅橋西第一風電場35 kV 開關間隔電纜終端單相故障發展為三相短路，造成598 臺風電機組脫網，損失出力84.04 萬kW，西北電網主網頻率由50.03 Hz 降至49.85 Hz。

事故暴露出國內風電存在以下問題:

①部分早期投運的風電機組不具備低電壓穿越能力，在電網出現故障導致系統電壓降低時容易脫網;

②部分風電機組保護以及頻率電壓保護不滿足系統安全運行要求，風電場單獨故障不能快速切除，最終擴大為較大事故;

③風電設備制造市場競爭激烈，部分風電設備制造企業采用價格較低的替代部件，造成設備質量下降。

這些問題的存在，在風電建設環節以及運行環節均需提高警惕。

3 應對措施及建議

面對風電快速發展的現狀，國家能源局及國網公司先后出臺了一系列的技術規范如《風電功率預測及系統協調運行管理辦法》、 《風電并網檢測管理辦法》、 《風電并網運行服務指南》等，有效地加強了對風電機組運行的安全管理。針對湖南電網的現狀，建議以下幾點:

1)加強對風電場的安全管理，避免出現大規模的風電脫網事故。主要做到以下幾點:并網運行風電場要加強設備設施的運行維護，嚴格執行調度命令，及時準確向調度機構匯報機組運行情況;并網運行風電場應滿足接入電力系統的技術規定，風電機組必須具備低電壓穿越能力;并網運行風電場的無功容量配置和有關參數整定應滿足系統電壓調節需要，同時加強風電場二次系統監督管理，須按電網要求進行涉網保護定值整定;風電場建設單位要加強工程質量過程管理，嚴格落實工程質量檢查、檢測、控制和驗收制度。

2)做好風電功率預測工作，合理安排水火電機組運行方式。尤其是在汛期，在保證火電最小開機方式的前提下，統籌考慮水電、火電、風電上網的相互影響，提前做好負荷預測與來水、來風預測工作，合理安排湖南電網月度發電計劃與日發電計劃。在負荷低谷以及調峰困難的其他時段，用好抽水蓄能電廠以及時消納清潔能源電力，降低棄水、棄風的風險。

3)加強電網的建設。目前，湖南風電多集中于邵陽、郴州地區，受當地地理環境與經濟水平等因素影響，所在地區電網相對比較薄弱，負荷就地消納能力有限，對風電場功率外送及轉移均有一定的影響。因此，在風電集中的地區，考慮加強對電網的建設，避免出現風電場棄風的情況。

4)加強調度監視。隨著全國特高壓電網的建設，局部電網對整個電網的影響也越來越大，在此種情況下，需要盡量控制湖南電網與華中電網聯絡線的負荷波動。因此，需要確保系統運行時正負旋轉備用充足，以減少風電機組輸出波動對系統的沖擊，避免對特高壓線路產生不利影響。

4 結束語

目前，風電作為一種新興的清潔能源在湖南的發展越來越快，在電網裝機容量中的比重持續上升，但與此同時也帶來了一定的運行安全隱患。面對這種情況，需要電力部門既要借鑒已有的成熟經驗，又要結合區域電網具體現狀，制定適合本網特點的風電運行管理方案，從而繼續保證電網的安全穩定運行。

〔1〕湖南省電力公司. 2013 年度湖南電網運行方式〔R〕. 2012.

〔2〕Vladislaw Akhmatov. 風力發電用感應發電機〔M〕. 北京:中國電力出版社，2009.

〔3〕白鴻斌，王瑞紅. 風電場并網對電網電能質量的影響分析〔J〕. 電力系統及其自動化學報，2012，24 (1):120-124.