分散式風電接入對地區電網運行影響的研究

孫立成，趙志強，王新剛，常喜強

(新疆電力公司，新疆烏魯木齊 830002)

0 引言

隨著國家能源局于2011年頒發國能新能［2011］374號《關于印發分散式接入風電項目開發建設指導意見的通知》和國能新能［2011］226號《關于分散式接入風電開發的通知》，大規模分散式風電接入電網運行將成為后續風電接入的另一種主流接入方式。

新疆風能資源豐富，風電開發潛力較大。目前，風電已進入快速發展階段。至2015年風電總裝機規模將達到約5 800 MW，風電裝機占11.51%;其中分散式風電接入預計將占20%左右，遠景裝機容量更多。大規模分散式風電接入電網運行將成為新疆地區電網安全運行又一重要關注的問題之一。面對大規模分散式風電并網運行帶來的嚴峻挑戰，需深入研究電網大規模分散式風電接入帶來的影響，開展研究應對措施和提出相關建議，這對于電網安全經濟運行意義重大。

通過對于分散式風電帶來的影響的研究，使分散式風電接入滿足地區電網相關要求。將在保證電網安全、穩定運行情況下盡可能提高風電接納能力。

1 分散式風電定義及界定標準［1，2］

定義:分散式接入風電項目是指位于負荷中心附近，不以大規模遠距離輸送電力為目的，所產生的電力就近接入當地電網進行消納的風電項目。

界定標準:分散式接入風電項目應具備以下所有條件。

(1)應充分利用電網現有的變電站和送出線路，原則上不新建高壓送電線路和110 kV、66 kV變電站，并盡可能不新建其他等級的輸變電設施;

(2)接入當地電力系統110 kV或66 kV降壓變壓器及以下等級的配電器;

(3)在一個電網接入點接入的風電裝機容量上限以不影響電網安全運行前提合理確定，統籌考慮各電壓等級的接入總容量，并鼓勵多點接入;

(4)除示范項目外，單個項目總裝機容量不超過50 MW。

2 分散式風電發電形式及優點

分散式風力發電的形式一般采用風力發電與太陽能發電、柴油機發電等組合式發電系統 ，即“風光”、“風油”和“風光油”互補發電。這些系統近年來都有所發展，特別是采用“風光”互補發電系統發電，是未來的發展方向。太陽能與風能在時間上和地域上有著很強的互補性。太陽能和風能在時間上的互補性使“風光”互補發電系統在資源上具有最佳的匹配性，“風光”互補發電系統是資源條件最好的獨立電源系統，也是今后相當時期內的發展趨勢。

分散式發電具有投資省、占地面積較少、接入方式靈活、能源種類多樣等優點。可以在電網未能通達的偏遠地區，如高山、草原和海島等地區，用小型風力發電機為蓄電池充電，再通過逆變器轉換成交流電向終端用戶供電。

在偏遠的負荷突然增長地區，就地安裝分散式風電可以避免大量的輸配電設備擴容費用;對于用電壓力大的負荷中心區域，可以緩解用電壓力，延緩電網的擴建或者改建，節約輸配電線路的投資。通過合理優化分散式風電的接入位置和接入容量，可以明顯降低電網線路損耗，改善電網末端的電能質量。充分利用風能等可再生能源，降低了對一次能源的依賴性，同時還可減少有害物的排放量，減輕對環保的壓力。

3 對地區電網運行的影響

隨著越來越多的分散式風電接入運行，對地區電網運行帶來了一些新的問題，經過計算、仿真分析主要集中存在以下問題。

3.1 對地區電網電壓運行穩定性的影響

電壓維持在規定電壓范圍內才能保證電能質量。配電系統的調壓規則是以潮流從變電站流向用戶為基礎的，但在分散式電源接入電網之后，配電系統從放射狀結構變為多電源結構，潮流的大小和方向有可能發生巨大改變，從而使電力系統中某些部分的電壓也發生變化。同時分散式風電接入將對系統電壓及損耗帶來變化，因而需要合理配置接入點。接入點及接入容量大小將會決定分散式風電的運行策略，并影響系統的可靠性指標。因此首先需要進行地區電網潮流計算，分析其對系統電壓以及損耗的影響，確定其接入點以及接入容量的大小。

地區電網可以通過調整變壓器分接頭、投切集中補償裝置(包括并聯電容器、同步調相機、靜止補償器)等方式改變系統的電壓分布，提高系統終端變電所的母線電壓，使得用戶電壓滿足一定的標準。分散式風電的接入將會引起系統潮流分布的變化，由于風電自身隨機性、波動性等特點將會造成系統的電壓波動較大，給電壓調整帶來新的影響。

3.2 對地區電網電能質量的影響

由于分散式風電接入距離負荷中心較近，基于風機自身特點將給電力系統帶入一定的諧波，對于電壓將會造成閃變，根據周邊負荷對電能質量的適應性，應加強對于分散式風電并網點的電能質量檢測和治理工作。

根據IEC 61400－21標準，分別對地區電網4個接入點在單臺77－1500直驅風機3種運行、啟動狀態時做了相關計算分析，可得電壓閃變值結果如表1。

表1 電壓閃變值

圖1 分散風電接入對地區電能的影響

通過計算分析，均滿足國標要求，但是通過對于接入風電裝機容量的逐漸增加發現接入點閃變值有增大趨勢，根據接入點電網結構特點，當超過一個臨界值時則需要借助消諧裝置進行諧波治理。

3.3 對地區電網繼電保護的影響

分散式風電接入配電網后，在發生短路故障時能提供一定的短路電流，短路電流大小和風電的裝機容量、接入位置和故障發生的位置有關，從而對配電網繼電保護的選擇性和靈敏性有一定影響，可能導致保護誤動或拒動(見圖1)。

當線路變電站C、D間線路上任一點K3發生短路故障時，故障線路的保護感受到的電流為系統和風電共同提供，此影響是有利的，使原保護更加靈敏。

當線路變電站D、E間線路任一點K4發生短路故障時，應由斷路器4動作切除故障線路，但是當風電的容量足夠大時，斷路器3的保護范圍可能延伸至變電站D、E間線路，兩個保護都動作，繼電保護失去選擇性。

當風電容量不是很大，引起的影響不至于使保護誤動或拒動時，可不對繼電器保護進行更換;而當風電容量較大時，有可能引起保護誤動或拒動，此時應重新整定保護值。

3.4 對地區電網運行方式安排的影響

分散式風電接入電網運行后改變了地區電網電源和負荷分布，潮流流向也發生變化，運行方式安排時需要統籌考慮分散式風電接入后的潮流流向和傳輸線路的承載能力。隨著分散式風電接入布點的不斷增多，勢必在電網設備檢修時、負荷轉移的情況下調整電網運行方式帶來新的問題。

3.5 對地區電網安全自動裝置、重合閘等的影響

分散式風電接入電網后對于電網中已經裝設的安全自動裝置動作行為將有一定的影響，需要綜合考慮分散式風電布點情況，調整相關策略滿足電網安全運行要求。電網發生故障后，如果分散式風電保護未及時動作，產生孤島效應，會對自動重合閘產生一定的影響，因此，風電機組需要裝設可靠的防孤島保護裝置，如同時裝設一套主動式和一套被動式孤島保護，同時為避免重合閘發生誤重合給電網和風電機組帶來的沖擊，系統側需要采用檢無壓型重合閘。

3.6 對地區負荷預測的影響

由于分散式風電接入方式的靈活性，采用風況滿足要求的就近接入原則，接入地區電網的配電網端，達到就地消納的效果。但是基于風電自身特性，如在短期內，風能就在不斷變化，風電發電出力可以等效為地區電網的負負荷。隨著風電隨機性和波動性的增強，地區負荷預測的準確性也隨之降低。當分散式風電出力較大時，由于對于負荷預測影響較大，造成地區電源的發電計劃安排不利。

3.7 對地區電網規劃的影響

分散式風電的接入會使地區電網的負荷預測、規劃和運行與過去相比有更大的不確定性。大量的配電網用戶端安裝分散式風電為其提供電能，使得配電網規劃人員更加難于準確預測負荷的增長情況，從而影響規劃［3－5］。

電網規劃問題的動態屬性同其維數密切相聯，若在出現許多發電機節點，使得在所有可能的網絡結構中尋找到最優的網絡布置方案就更加困難。

對于想在配電網安裝分散式風電的發電公司，預想維持系統現有的安全和質量水平不變的配電網公司之間的沖突。為了維護系統的安全、穩定的運行，必須使分散式風電能夠接受實時調度，要實現該目標，通過電力電子設備對其進行需要的控制和調節，將分散式風電單元集成到現有的配電系統中，這不但需要改進現有的配電自動化系統，還要由被動到主動(電壓調整、保護政策、干擾和接口問題)地管理電網。

4 接入后需采取的措施及建議

由于分散式風電接入給地區電網帶來了很大的影響，若保證分散式風電的正常發電和地區電網的安全、穩定運行，需要采取一定的措施，具體表現在以下幾個方面。

(1)針對分散式風電接入地區電網后對于系統電壓波動較大的問題，提出采用分散式風電接入時需配置一定容量的動態無功補償裝置，并且采用恒電壓模式調節，來避免風電發電對地區電壓波動較大的問題。

(2)針對分散式風電接入地區電網對電能質量影響的問題，提出在分散式風電并網點應裝設電能質量在線監測裝置，可以在風機運行的不同工況下實時監測上網電力的電能質量。經過計算分析，容量較小的分散式風電接入系統，對于系統電能質量影響較小，隨著裝機容量的逐漸增加，諧波含量可能超過國標要求，需要裝設消諧裝置解決此類問題。

(3)針對分散式風電接入地區電網造成負荷預測、電網規劃和運行的不確定性，提出進一步提高分散式風電風功率預測準確率，根據歷史運行情況，逐步將分散式風電出力納入發電計劃安排。同時根據政府地區發展規劃，著眼于長遠規劃，根據地區風資源特性，合理研究分散式風電接入配套工程建設，避免臨時性分散式風電建設打亂了地區電網建設的整體規劃。

5 結語

今后，分散式風電接入會越來越廣泛，其主要的發展趨勢是將基于多個布點的分散式風電系統接入同一配電網中進行統一調度、相互協調，為系統提供高峰電能以提高系統的穩定性和供電可靠性。雖然中國現狀是風電模式還是傳統集中接入，但是風電接入的發展方向將是分散式風電接入模式。

前面主要針對分散式風電接入后對地區電網運行帶來的各種問題，分析分散式風電的特點、優點、接入方式以及運行方式對系統電壓、繼電保護動作情況、負荷預測等方面的影響。通過對分散式風電接入后帶來的各種問題進行仔細分析，為今后分散式風電的大規模發展提供了一定的理論指導和相關建議。

［1］國家能源局.國能新能［2011］226國家能源局關于分散式接入風電開發的通知［R］.2011.

［2］國家能源局.國能新能［2011］374國家能源局關于印發分散式接入風電項目開發建設指導意見的通知［R］.2011.

［3］王敏，丁明.含有分布式電源的配電網系統規劃［J］.農村電氣化，2003，(7):19 －20.

［4］王建，李興源，邱曉燕.含有分布式發電裝置的電力系統研究綜述［J］.電力系統自動化，2005，29(24):90－97.

［5］陳海焱，陳金富，段獻忠.含分布式電源的配電網潮流計算［J］.電力系統自動化，2006，30(1):35－40.