大規模風電并網問題分析及應對策略研究

孫力勇，謝賜戩，戈陽陽，趙清松

專論

大規模風電并網問題分析及應對策略研究

孫力勇1，謝賜戩2，戈陽陽2，趙清松2

（1.國網遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006；2.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006）

針對風電并網的實際情況，分析了大規模風電并網帶來的一系列問題，包括風電場并網點電能質量、功率波動、電網調峰、風電送出等。針對發現的問題提出相應的應對策略，在加強風電并網管理，科學合理規劃電源結構，積極開展多種方式消納風電等方面給出了具體意見，提高了大規模風電接入后的電網安全穩定運行水平。

風電并網；風電消納；電網調峰；風電儲能

隨著能源與環境問題的日益突出，近些年世界各國都加大了風能的開發利用規模，中國風電近幾年的裝機處于爆發式增長［1］。由于風電功率的波動性、難以準確預期性，當風電聯網規模達到一定程度時，給電網造成的不利影響反過來制約了其接入電網的規模［2－3］。目前我國風電發展已經形成了大規模接入電網的態勢，為了充分利用已建成風電場的資源，如何改善風電的聯網運行性能將是保證風電可持續發展的關鍵，也是目前需要重點研究的課題［4－5］。

1 東北電網風電運行突出問題

截止2014年底，遼寧電網風電裝機容量增至608.4萬kW，與2007年的34.7萬kW相比，6年時間增長17.5倍。雖然目前國內風電發展速度有所放緩，但風資源比較豐富的區域電網風電仍會以每年100萬kW左右的速度增加。風電的快速發展給電網帶來了電能質量、功率波動、調峰、電網送出等一系列問題，為電網的安全穩定運行帶來極大的挑戰。

1.1 電源結構不合理，阻礙風電發展

遼寧電網一次能源結構可以基本概括為：多煤、多風、少水、少氣。截止到2014年末，遼寧電網火電裝機占總裝機容量的73.57%，水電6.98%，風電14.51%。由于遼寧電網特殊的電源結構，導致系統調峰容量不足，嚴重阻礙了遼寧電網風電的發展。

遼寧電網是以燃煤火電機組為主的電網，其水電機組較少，且沒有燃氣、燃油等發電機組，電網快速調峰能力相對較弱。同時，遼寧電網火電機組因煤質差及設備缺陷影響出力情況始終存在，給電網低谷調峰造成巨大壓力。此外，遼寧電網供熱機組較多，在冬季供熱期，供熱機組需以熱定電，出力可調范圍有限，因此，冬季是遼寧電網調峰最困難的時期，加之冬季風電出力呈現的反調峰特性，更加大了電網調峰難度。

1.2 風電機組技術水平參差不齊，風電運行存在安全隱患

當電網故障時，風電機組往往為保護機組自動切除，使電網故障處理變得更加困難，有可能導致事故擴大、甚至引發電網電壓失穩，嚴重威脅電網的安全運行，風電機組的低電壓穿越問題為目前風電運行的最大安全隱患［6］。遼寧省加強了對于風電機組低電壓穿越能力的要求，大多數風電機組均具備了低電壓穿越能力。由于國家標準中對于低電壓穿越過程中風電機組的響應能力要求不是非常具體，導致目前并網風電機組低電壓穿越過程中呈現出的能力相差較大。圖1為遼寧不同風力發電機組在低電壓穿越過程中的響應能力。

可見風力發電機組在低電壓穿越過程中的無功電壓輸出、功率恢復情況、機端電壓波動情況均存在較大差別，這給電網故障期間風電場乃至電網的安全運行帶來了較大不確定性和安全隱患。

1.3 風電運行影響電網電壓穩定性

風電功率固有的隨機波動和間歇屬性，決定了大規模風電并網會影響電力系統穩定性。大多數風電場由于位于電網末梢，電網建設相對薄弱，更容易引起電網電壓穩定性問題。通過對風電場開展的并網運行特性測試發現風電場從電網吸收無功功率、有功功率波動超出國家標準要求、出口電壓波動較大的現象較多，這些現象均會給風電場并網點的電壓穩定性帶來很大的安全隱患。圖2為風電場并網運行特性測試時從電網吸收無功功率及功率變化率。

1.4 風電運行給電網調峰帶來嚴峻考驗

風力發電功率輸出的隨機波動很大且不可控，預測精度較差，大規模風電接入電網使得制定發電計劃困難，需要增加系統備用容量，使得系統運行的經濟成本提高；這對發電運行計劃方式以及系統備用容量也都提出了新的要求，特別是以火電調峰為主的遼寧電網面臨的調峰問題異常嚴峻。

隨著風電快速發展，遼寧電網風電消納問題逐步顯現。根據近3年風電運行數據分析，每年春季、秋季（3～5月、10～11月）為大風月，冬季（12月～來年2月）次之，夏季（6～9月）最小。風電接納能力不足月份主要集中在11月～來年4月，棄風電量合計9.89億kWh，占總棄風電量的87.5%。每月風電發電限電比均超過10%。其中除4月外，其余均為供暖期，風電發電限電比均超過20%。供暖期與大風期集中，造成遼寧電網風電接納能力不足。

2 應對遼寧電網風電并網影響措施研究

2.1 加強風電并網管理，提高風電并網技術水平

針對目前風電制造技術發展水平參差不齊的現狀，需要積極推進風電并網檢測工作。通過并網檢測能夠督促生產制造廠商提高自身技術水平，從而達到保證風電場并網安全的目的。目前遼寧電網已經制訂了完善的風電并網檢測體系，并以風電檢測為核心建立了一個風電并網前技術監督、風電并網安全管理、風電并網測試及評估三位一體的風電并網管理體系，保證了遼寧電網風電并網技術水平。

2.2 規劃科學合理電源結構，促進風電的集約開發和經濟利用

遼寧電網目前正面臨著電源結構不合理、風電發展迅速及冬季供熱機組容量大和運行時間長等問題，使得電網的調峰調頻壓力很大。在這種情況下，加快開展東北電網電源結構的調整和優化，確保電網的安全、經濟、穩定發展，已成為電力監管機構、電網經營企業、發電企業和科研機構等各個方面都極為關切并亟需采取措施解決的迫切問題。

國網遼寧電力科學研究院對電源結構影響風電接納能力開展了專項研究，研究表明，在2020年遼寧電網增加不同的抽水蓄能發電容量后棄風量將從2.07%降至0.03%，能夠有效改善風電棄風情況。表1為遼寧電網增加不同抽水蓄能發電容量后棄風情況。

表1 2020年遼寧電網增加不同抽水蓄能發電容量后棄風情況

2.3 深度挖掘火電調峰能力，提高風電消納能力

針對電網棄風運行方式，通過對國內外調峰電源技術研究分析，并根據東北電網的特點，在其它調峰電源難以大規模應用的條件下，全面開展各類火電機組低負荷運行特性試驗研究以及經濟性研究，提出在現有調峰基礎上火電機組深度調峰技術和對策，以及各類機組深度調峰負荷的核定建議，在此基礎上采用少油助燃技術，深度挖掘其調峰能力，采用非常規調峰，開發火電機組深度調峰技術，最大限度提高電網對清潔能源的接受能力。

根據東北電網特點，充分利用電網火電機組容量大的特點，提出深度挖掘火電機組調峰能力，采取非常規調峰，有效解決電網大量棄風現象。主要在以下幾項內容開展了深入研究工作：

圖1 風力發電機組在低電壓穿越過程中的響應能力

a.鍋爐最低穩燃負荷試驗研究；

b.煤質特性對機組調峰能力影響研究；

c.鍋爐低負荷下各種運行特性研究；

d.以熱定電系統技術研究；

e.熱工自動化適應能力；

f.各類機組深度調峰能力試驗研究；

g.機組深度調峰經濟性研究。

圖2 風電場從電網吸收無功功率及功率變化率

該項研究成果涉及東北電網和蒙東電網內所有的各類機組，范圍大、技術因素復雜。東北電網目前調峰難度極大，經常處于棄風方式運行，浪費大量風能，提高火電機組調峰能力，充分利用風能資源十分必要，技術上是可行的。采用火電機組深度調峰技術，通過電網實現能源的優化配置，最大限度利用可再生能源，節省一次能源，實現節能減排。經測算實現深度調峰后，經濟效益、環境效益和社會效益巨大。火電機組深度調峰技術能夠大幅度提高電網調峰能力，有效解決電網棄風問題。該項技術對于解決電網接納清潔能源，節能減排，具有很大的應用價值。

2.4 開展儲能系統并網性能分析，推進風儲協調發展

2011年，國網遼寧省電力有限公司申報了國家863課題“儲能系統提高間歇式電源接入能力關鍵技術研究與開發”，旨在構建利用大容量儲能提高間歇式電源接入能力的方法體系，重點開展儲能系統的配置、管理、控制等方面技術的研發，以提高間歇式電源的接入，突破我國間歇式電源規模化發展中網源協調的技術瓶頸。

目前儲能電站已經完成了性能驗收試驗并正式投入運行。下一步將會對大容量儲能裝置開展包括儲能裝置改善并網點電能質量能力、儲能裝置對于平滑功率輸出作用、儲能裝置運行在無功輸出情況下的可行性、儲能裝置對于提高風電場低電壓穿越能力的作用、儲能裝置作為黑啟動電源可行性、儲能裝置孤島運行能力等一系列專題研究工作，科學合理利用儲能裝置。

不斷開展多種新能源協調發展，開發利用風電儲熱新技術，在具備條件的地區推廣應用風電清潔供暖技術，替代已有的燃煤鍋爐供熱，就地或遠程消納富裕風電。

3 結束語

遼寧電網風電比重不斷增大，引發了一系列風電并網及消納問題。需要通過加強管理，嚴格執行風電并網技術要求；科學合理規劃電源結構，深度挖掘火電調峰能力，提高風電消納能力；開展多種新能源協調發展，開發風電儲熱等新技術，多渠道消納風電，以促進風電健康有序發展，降低大規模風電接入后對電網產生的負面影響。

［1］ 趙 鵬，李 鐵，孫明一.遼寧風電特性及大規模風電機組并網對遼寧電網的影響［J］.東北電力技術，2011，32（6）：13－16.

［2］ 許睿超，羅衛華.大規模風電并網對電網的影響及抑制措施研究［J］.東北電力技術，2011，32（2）：1－4.

［3］ Boulaxis N G，Papathanassiou S A，Papadopoulos M P.Wind turbine effect on the voltage profile of distribution networks［J］. Renewable Energy，2002，25（3）：401－415.

［4］ W.Z.Gandhare，G.R.Bhagwatikar.Power pollution due to connected wind electric converter.Proceedings of the 2000 IEEE，international conference on control applications，Anchor?age，Alaska，USA，Sep.25～27，2000.

［5］ Akhmatov V.Analysis of dynamic behavior of electric power sys?tems with large amount wind power［D］.Technical University of Denmark，2003.

［6］ 陳樹勇，戴慧珠，白曉民.風電場的發電可靠性模型及其應用［J］.中國電機工程學報，2000，20（3）：26－29.

Problems Analysis and Strategies Research on Wind Power Integration into Grid

SUN Li?yong1，XIE Ci?jian2，GE Yang?yang2，ZHAO Qing?song2
（1.State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China；2.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China）

For the actual situation in power grid，this paper analyses the problems of the wind power interconnection including power quality，power fluctuation，power peaking，power delivery and so on.According to the problems，coping strategies are proposed for wind power connection management，planning the power structure scientifically，carring out multi?channel consumer of wind power ac?tively，it can improve the security and stability level of power grid.

Wind power integration；Wind power usage；Peak regulation；Wind power storage

TM614

A

1004－7913（2015）10－0001－04

孫力勇（1973—），男，博士，高級工程師，從事清潔能源并網接入及消納相關工作。

2015－07－08）