大規模風電接入電網的相關問題及措施研究

明陽智慧能源集團股份公司 崔 磊

理論上風力發電方式產生的電能與火力發電模式產生的電能間并無本質區別，但受電網自身性能的影響，當大規模風電接入電網時會產生一系列問題，必須尋求妥善解決之道。

1 大規模風電接入電網時常見的問題與原因

1.1 有一定幾率對電網運行造成較嚴重干擾

風力發電具有兩種類型，分別為獨立運行的離網型及接入電力系統運行的并網型。離網型風力發電主要解決偏遠地區的供電問題、無需并網，不在本文討論范圍。用于并網型風力發電的發電廠一般規模較大，最少有數十臺風電機組構成，最多可達上千臺風電機組，容量介于幾兆瓦到幾百兆瓦不等。并網型風力發電廠能夠得到大電網的補償和支持，從而能在開發利用風力資源方面更加充分。但大規模風力發電接入電網時，并不是簡單地將風力發電產生的電能并入電網即可[1]，須重點考慮風力發電的電能進入電網時產生的沖擊電流對整個電網正常運行造成的干擾。

這種干擾不僅會造成閃變現象（指電壓閃變，即當電壓波動達到一定規模之后會引起照明異常，如恰好被看到，則此種現象會對人類視覺系統產生一種另類視覺感受。換言之，當人類能通過肉眼看到電力線纜中出現電壓閃變，意味著電力線纜中出現了較為強烈的電能激蕩，危險性極大），還有可能時電力系統內多個設備在運行期間產生諧波（會降低電能質量）。此外，由于電網中本身便存在無功功率等因素，故電網原本處于平穩運行狀態的電壓會出現較為劇烈的波動變化，會在不同程度上影響電網的正常運轉，進而無法為用電戶提供穩定、優質的電能。

1.2 會提高電網調峰難度

風力發電接入電網的過程可視為“一種傳統電能來源之外的電能向供電網絡中匯入”的過程。如此種“額外電能匯入”能在較長時間內保持相對穩定的狀態，則電網中的各種設備會逐漸適應，經過一段時間的調整后可使電網重新回到穩定運行的狀態。但由于風力發電的原始動能來源是自然界的風能，而風力強度并不是一個穩定參量，隨時都會發生變化。因此風力發電本身便是一個不穩定的過程，隨時可能產生比較劇烈的波動。

現階段，由于針對風電頻率的穩定控制技術手段尚不完善，故將風電接入電網后必定會影響電網的電能輸配質量。原因在于：盡管風電、水電、核電都是清潔能源，均被認為能夠逐漸替代傳統的火力發電。但一個不可繞過的事實在于，除核電外風電、水電都是對自然清潔能源的直接調用后，將自然界的直接動能作為發電的原始動能。因此在風能、水能不足的區域，即使建設對應的發電廠電能產出量也不高，只能作為傳統火力發電的補充而無法作為主要電能來源。特別是風力發電，目前只有在我國西北地區等極個別區域才能作為主要發電方式。此外，現階段風力發電的一個制約因素在于，風電生產機組設備的啟停和運行時間都處于比較集中的狀態。受上述因素影響，當風電接入電網時電力調峰能力必定會受到干擾。

1.3 風力資源差異導致風電接入電網資金投入標準不一

從人類發展歷史角度看，“發展”與“環保”在很大程度上處于二元對立的狀態，即發展有極大可能會對自然環境造成破壞[2]。盡管歷史進入了21世紀第三個十年，國際社會至少已就清潔發展在認知方面達成了共識。但就現實來看，以風力發電為代表的自然清潔能源的運用存在的最主要的問題在于：此類能源的人為控制率始終無法達到百分之百，導致無法進行比較準確地預測。此外，目前只有我國西北地區由于場地空曠、風力充足，故適合建設大規模風力發電廠。而在我國其他地區，風能資源的分布情況差異較大。

受上述因素的影響，在不同規模風力發電接入電網的過程中尚無法適用統一的標準。若要確保整個電網在接入風力電能的同時依然能夠保證安全、穩定地運行，則必須安裝大量備用設備。不僅如此，現階段若要保證風電接入電網后保證絕對安全，甚至需對整個電網的結構進行改變。這些要求促使風電、電網的現有設備、相關技術必須不斷升級，而直接造成的結果便是資金的大量支出。

1.4 電力消納方面的問題

除西北地區外，我國西南地區近年來也在探索風力發電的可行性。如云南省等地已建立了大規模風力發電廠。數據顯示，該地區某市每天的用電負荷最大值出現在傍晚5～6時之間，且出現概率超過75%；用電負荷最低值出現在每天下午3～6時之中，出現概率近乎100%。上述用電負荷數據與現代城市居民的日常用電變化趨勢較為吻合。另一組有關風電出力情況的數據分布情況為：云南省某市的風電出力最大值共出現在兩個時間段，分別為凌晨0～4時以及夜間8～12時；出現率均達到70%以上；最小值出現在每天上午9～12時，出現概率將近50%。

從上述數據中可發現，云南省某市大規模風力發電接入電網的時間很少選在用電高峰期，這是因為受風力發電隨機性、波動性等特性的影響之外，風力發電還具有反調峰特性。當大規模風電接入電網時，會對包含電力消納（即電網對電能的消化和吸納。當電能從發電廠發送上網后，須經由配電網絡盡快輸送至用戶端，供用戶及時使用消耗。如用不掉，則由于沒有能夠儲存電能的方式只能浪費。從這個角度來看，電力消納是指將電網中沒有被及時消耗，處于“富余”狀態的電能調度到有需求的電網負荷區段的過程）、調峰、暫態穩定在內的工作造成一系列影響。

風力發電可能造成此類影響的原因如上文所述，根源發生在風力發電的特性方面——一段時間內的風力強度是一個不可控因素，風力帶動發電機組運轉的速率在不受人為控制的情況下，風力發電量自然也不是一個確定的值。因此風力發電接入電網的電能量不穩定，電力消納、調峰調頻等調度自然會受到影響。

2 解決大規模風電接入電網問題的有效措施

2.1 系統性加強大規模風電接入電網時的規劃建設水平

若要解決大規模風電接入電網時可能產生的問題，首要策略在于系統性地加強大規模風電接入電網時的規劃建設水平[3]。

第一，我國電力企業，特別是西北、西南地區的大規模風力發電企業應聚焦國內外風力發電領域，在世界各國出現新技術后的第一時間應迅速指派專項人員前往調研，之后通過技術引進等方式，將一些與我國大規模風力發電接入電網相關的技術引入國內，逐漸完成優質風力發電并網體系的建設；第二，僅依靠企業自行完成技術升級遠遠不夠，原因在于：風力發電接入電網整個過程受地方電力部門的整體管轄。在這個過程中，各級政府、不同電力企業、不同能源規劃使用（除風力發電、火力發電外，還包含水利水電、核電等，這些不同的電能接入電網時都需考慮接入后的電網穩定問題）。

因此，只有系統性地加強大規模風電接入電網時的規劃建設水平，加強對風能資源開發利用的規劃管理，使風電場的建設及運轉時需更加科學，才能確保電網、電源、區段用電負荷始終處于可控狀態之內。此外，為了進一步夯實基礎，在一些基礎條件較為完善的地區，可在風力發電接入形式方面進行升級。如云南省電力調度控制中心蔡華祥等技術人員，在分析云南國富風力發電集團大規模風電接入電網的文章中提出了“打捆外送接入法”，是指將大規模風力發電經由高電壓等級線路實現“集中并網”。此種方式已被證實能大幅度提高大規模風力發電接入電網時的安全性，并有效降低風力發電外送過程中受到的阻礙，具有較強的可行性。

2.2 對能源結構進行全面優化，進一步提升調峰調頻電源的整體性能

在一些地區電能來源較為單一，可能只有火力發電這種傳統模式。但在另一些地區可能同時存在風力發電、水力發電、太陽能發電、火力發電、核電在內等多種發電形式。諸多能源結構匯聚的情況下，如調度存在問題則必定造成能源的浪費。因此只有對能源結構進行全面優化，才能提高資源利用率。蔡華祥等在文章中介紹，云南國富風力發電集團在調峰調頻電源方面進行了集中優化，即科學合理地完成了調峰調頻電源容量的升級。此舉在一定程度上對大規模風力發電接入電網時可能產生的調峰調頻問題進行了預先設想，極大地增加了并網時的緩沖空間。此外，在優化能源結構方面，需多種能源間也存在一定的互補性，需要收集相關數據，做好規劃工作，同樣可有效解決大規模風力發電接入電網時遇到的問題。

2.3 政府有關部門應逐步完善政策法規，建立統一的大規模風電接入電網標準

包含大規模風力發電在內，諸多清潔能源發電接入電網在我國盡管已不是一個新概念，但隨著多種清潔能源發電量的不斷增加，一些政策法規已經顯現出陳舊性，必須予以更新。此種政策層面的改進對整個電力系統的可持續發展均由較為明顯的促進作用。以大規模風電接入電網為例，具體執行的標準受各地區自然情況的影響，固然存在一定的差異，但在原則方面可趨于統一。

具體而言：政策中應要求各地區風力發電廠注意收集歷年來與風力發電有關的各項因素對應的參數。如一個地區以年、季度、月為單位的風力強度變化情況。盡管所謂“風無相，云無常”，但風力強度的變化趨勢并非完全無跡可尋。在掌握基礎參數后納入大數據分析系統，對一個區域內不同時限內的風力強度變化區間進行加權計算，根據最終得出的風力強度變化范圍，對一個風力發電廠對應時限內的發電量進行預估，可有效降低風力發電接入電網時出現問題的幾率。

2.4 不斷強化技術創新，針對各類具體問題給出明確指導意見

技術層面的革新永遠是重中之重。可行性方法包含：第一，風力發電廠、電力管理部門應盡快完成風電場綜合運行評價指標體系的制定，目的在于對一定區域內風力變化情況、風力發電自然特性、區段電網負荷匹配程度、能夠接入電網的其他能源互相之間的協調性、并網過程的整體安全性等進行全面收集、隨時了解，最終實現使大規模風力發電接入電網這一過程的安全性不斷提升，發生任何突發情況時均可通過調度最終轉危為安；第二，做好對風電場運轉情況的實時監測工作。如在風電外送輸電容量優化技術應用等方面，究竟能夠產生什么樣的效果，需定期報備。

2.5 加強校企合作，在高新人才培養方面融入更多大規模風電相關問題

進入互聯網時代后高校中逐漸誕生了很多新專業，如互聯網金融，是指將傳統的金融專業與互聯網技術相互結合。而此種現象同樣可出現在風力發電方面。目前我國風力發電企業及電力運行部門急缺這方面的人才，可通過加強校企合作，在培養高新技術人才時融入更多與大規模風電相關的問題。在此種人才培養思想的指導下，人才接受培養時還可滲透數據規范化管理、事故管理、電網綜合調度管理、城市用電需求綜合管理等內容[4]。總之，在人才培養期間，可模擬風力發電、電網檢測運行日常工作中的有關流程，最終達到助力我國風力發電良好發展的目的。

3 結語

風力發電效率受自然因素的影響較大，故即使是相同的風力發電廠，在一年中的不同季節呈現出的并網出力波動性也存在比較明顯的差異。此外大規模風電接入電網的過程中，依然存在調頻調峰難度大、可能影響電網局部運行穩定性等問題。只有進一步加強風力發電并入電網的規劃建設水平，實現能源結構的優化，才能有效解決上述問題。