規(guī)模化海上風(fēng)電并網(wǎng)風(fēng)險運行分析與解決建議

歐昌岑，彭韻

（1.南方電網(wǎng)廣東中山供電局，廣東 中山 528400；2.南方電網(wǎng)廣東韶關(guān)供電局，廣東 韶關(guān) 512000）

隨著廣東省對海上風(fēng)電發(fā)展頂層設(shè)計的落實及一批激勵政策的出臺，海上風(fēng)電運營開發(fā)企業(yè)、風(fēng)機制造企業(yè)在廣東省各地全面加快布局，海上風(fēng)電全產(chǎn)業(yè)鏈雛形初現(xiàn)。由于海上風(fēng)電屬于間歇性電源，出力受風(fēng)速影響較大，大規(guī)模接入電網(wǎng)場景下，對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行將帶來新挑戰(zhàn)。

1 規(guī)模化海上風(fēng)電并網(wǎng)帶來的安全風(fēng)險及原因分析

1.1 間歇性、波動性、隨機性及反調(diào)峰特性對電網(wǎng)的影響

海上風(fēng)電具有間歇性、波動性與隨機性，粵東、粵西局部海域大規(guī)模海上風(fēng)電出力同源突變，將給系統(tǒng)的電力平衡、斷面控制，以及頻率控制等帶來挑戰(zhàn)。同時海上風(fēng)電具有明顯的反調(diào)峰特性，海上風(fēng)電季節(jié)、晝夜出力特性差異較大，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)分析和對比，冬大夏小和夜大晝小的特性顯著，出現(xiàn)反調(diào)峰的程度和概率高于陸上風(fēng)電，經(jīng)過測算，廣東省海上風(fēng)電的反調(diào)峰深度在夏季約為22%、冬季約為30%。

1.2 對電力系統(tǒng)慣量、頻率及阻尼的影響

規(guī)模化海上風(fēng)電接入將弱化電力系統(tǒng)慣量和頻率支撐能力。由于海上風(fēng)電機組采用電力電子變流器控制模式，機組側(cè)控制算法與電網(wǎng)頻率解耦控制，且近似無物理慣量，與常規(guī)機組不同，無法響應(yīng)受端系統(tǒng)頻率變化，從而導(dǎo)致對電力系統(tǒng)慣量與頻率支撐能力大幅下降，電力系統(tǒng)抗干擾能不足，無法支撐擾動對系統(tǒng)頻率的沖擊。同時海上風(fēng)電項目一般無阻尼控制，由于傳統(tǒng)低頻振蕩的影響與新能源場站的接入地點與方式有關(guān)，規(guī)模海上風(fēng)電集中接入可能引入次同步振蕩與高頻諧振的問題。

1.3 對電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的影響

海上風(fēng)電項目典型接線特點為場站分離（海上風(fēng)電項目、陸上集控站），風(fēng)電機組與場內(nèi)無功補償裝置分區(qū)布置，對具有分層分區(qū)控制特性的無功電壓帶來挑戰(zhàn)。同時海上風(fēng)電項目送出海纜與集控站到對側(cè)匯集站的線路距離過長，而海上風(fēng)電項目升壓站的短路容量偏小，電壓靈敏性較高，加之長距離海纜的容升效應(yīng)明顯，對海上風(fēng)電機組的動態(tài)電壓控制的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大負(fù)面影響。

1.4 引發(fā)寬頻振蕩等穩(wěn)定問題

規(guī)模海上風(fēng)電接入系統(tǒng)引發(fā)的寬頻振蕩（低頻振蕩+高頻振蕩）問題是安全風(fēng)險防范重點難點，新版電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則已表述，當(dāng)海上風(fēng)電接入短路容量不足的電網(wǎng)或近區(qū)有常規(guī)直流整流站或柔性直流換流站的情況，可能引發(fā)電力系統(tǒng)寬頻振蕩。

1.5 高比例海上風(fēng)電場景下系統(tǒng)安全風(fēng)險將愈發(fā)凸顯

常規(guī)海上風(fēng)電機組不具備一次調(diào)頻和慣量，當(dāng)前廣東省內(nèi)外受電力接近三分之一的背景下，遠(yuǎn)景規(guī)劃海上風(fēng)電繼續(xù)大規(guī)模替代常規(guī)機組，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度和抗擾動能力進(jìn)一步弱化，惡化系統(tǒng)頻率特性，同時海上風(fēng)電頻率、電壓適應(yīng)能力不足，加之大規(guī)模通過長距離電纜集中并網(wǎng)，可到誘發(fā)高頻諧振和次同步振蕩風(fēng)險，造成海上風(fēng)電大面積脫網(wǎng)。

1.6 海上風(fēng)電有效裝機替代率低，對系統(tǒng)貢獻(xiàn)度不足

根據(jù)廣東省內(nèi)投運海上風(fēng)電場生產(chǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)，出力特性季節(jié)、晝夜差異大，冬大夏小和夜大晝小特點顯著，海上風(fēng)電項目反調(diào)峰概率60%左右，反調(diào)峰系數(shù)夏季22%左右、冬季30%左右。海上風(fēng)電項目出力短時波動大，電網(wǎng)在預(yù)留運行備用時需充分考慮其波動性，即上限需考慮海上風(fēng)電出力驟降，下限需考慮海上風(fēng)電出力驟增時系統(tǒng)的調(diào)峰空間，同時受廣東低谷負(fù)荷增長緩慢、核電和熱電聯(lián)產(chǎn)等新投產(chǎn)機組調(diào)峰能力不足、汛期西電棄水壓力大等因素影響，系統(tǒng)調(diào)峰措施已不足，隨著海上風(fēng)電規(guī)模進(jìn)一步增長，進(jìn)一步擠占常規(guī)可調(diào)節(jié)能源運行空間的同時，需要更多常規(guī)機組作為海上風(fēng)電備用，電力設(shè)備運行效能降低。

1.7 海上風(fēng)電涉網(wǎng)性能不足，普遍存在安全隱患缺陷

部分海上風(fēng)電運營企業(yè)由于采用低價中標(biāo)方式，設(shè)備存在質(zhì)量缺陷和批次性缺陷現(xiàn)象，且部分海上風(fēng)電項目為享受較高的上網(wǎng)電價，存在“搶建搶并”導(dǎo)致施工工藝不良問題，投運后項目有功功率控制、無功電壓支撐能力和電能質(zhì)量不滿足電網(wǎng)安全標(biāo)準(zhǔn)要求，機組集群常規(guī)控制和緊急控制性能低下，存在發(fā)電設(shè)備故障率高，帶缺陷運行情況。同時，由于海上風(fēng)電機組數(shù)量多，分散廣、維護(hù)檢修不足，隱性缺陷問題凸顯。

1.8 海上風(fēng)電海域內(nèi)過往商船、漁船管理存在較大困難，影響項目正常運行

調(diào)研工作中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段廣東開發(fā)的海上風(fēng)電項目均處于近海海域內(nèi)，“三無”漁船較多且未配備船舶自動識別系統(tǒng)（AIS），難以監(jiān)督確認(rèn)是否遵守海上交通安全要求，尤其是捕魚及養(yǎng)殖旺季，大量漁船活動于海上風(fēng)電項目附近海域，若在項目域內(nèi)拖網(wǎng)、張網(wǎng)捕撈作業(yè)或發(fā)生事故性拋錨，極可能破壞海底電纜，影響項目并網(wǎng)運。

2 解決措施及建議

保障海上風(fēng)電并網(wǎng)運行安全必須圍繞優(yōu)化調(diào)控運行和機組/場站安全管理能力兩個重點，符合特點、有的放矢、分類施策，堅持創(chuàng)新思路、機制和方法，舉電力行業(yè)之力，進(jìn)一步加大對廣東海上風(fēng)電在調(diào)度運行、接納能力、安全管控、支撐能力、應(yīng)急救援等方面的研究投入力度，深化海上風(fēng)電并網(wǎng)運行安全管理，為促進(jìn)電力結(jié)構(gòu)高質(zhì)量轉(zhuǎn)型、保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行提供可靠支撐。

2.1 海上風(fēng)電項目全過程支撐技術(shù)

項目優(yōu)化設(shè)計方面。海上風(fēng)電項目接入電網(wǎng)方案設(shè)計以中長期電力規(guī)劃為基礎(chǔ)，從實際出發(fā)，遵循分層、分區(qū)、分散接入的原則，依據(jù)《海上風(fēng)電項目接入系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)范》要求，海上風(fēng)電項目接入系統(tǒng)方案根據(jù)規(guī)劃容量、送電距離、接入條件、電網(wǎng)運行要求和承受能力等因素確定，并綜合考慮電氣計算和技術(shù)經(jīng)濟性。目前，裝機規(guī)模10萬kW以上且距岸距離大于15 km的風(fēng)電場設(shè)置交流海上升壓站。同時隨著海上風(fēng)電項目離岸距離增加和規(guī)模增大，單場站規(guī)模超過50萬kW、距離超過50 km，可采用直流或交流輸電方案。

調(diào)度自動化配置方面。（1）按照“遠(yuǎn)動信息的采集和傳送應(yīng)直采直送”的原則設(shè)計海上風(fēng)電項目遠(yuǎn)動系統(tǒng)方案，確保遠(yuǎn)動信息的實時性和可靠性。遠(yuǎn)動裝置的配置結(jié)合項目電力監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)一配置，目前采用雙遠(yuǎn)動工作站，且均配置與廣東電網(wǎng)中調(diào)/備調(diào)能量管理系統(tǒng)和地調(diào)/備調(diào)能量管理系統(tǒng)通信，將項目實時遠(yuǎn)動信息傳送至調(diào)度主站。（2）硬性配置風(fēng)電功率預(yù)測系統(tǒng)，根據(jù)《風(fēng)電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》要求，配置風(fēng)電功率預(yù)測預(yù)報系統(tǒng)，且技術(shù)性能滿足《風(fēng)電功率預(yù)測系統(tǒng)功能規(guī)范》及電網(wǎng)企業(yè)技術(shù)要求。（3）規(guī)范化部署保護(hù)和自動化系統(tǒng)，統(tǒng)一要求配置發(fā)電計劃、網(wǎng)絡(luò)發(fā)令、繼電保護(hù)及安全自動裝置，統(tǒng)一和主站端互聯(lián)，并可實施緊急控制，嚴(yán)格按照局部電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和技術(shù)要求核定保護(hù)參數(shù)。

柔性直流送出方面。海上風(fēng)電項目柔性直流送出是當(dāng)前國內(nèi)遠(yuǎn)海風(fēng)電場的前沿應(yīng)用，廣東省電力企業(yè)已具備柔性直流輸電工程設(shè)計能力，特別是中能建廣東設(shè)計院正在開展百萬kW級海上柔性直流輸電平臺研發(fā)、深遠(yuǎn)海大規(guī)模風(fēng)電直流集中送出工程應(yīng)用方案研究等項目研發(fā)，初步具備海上風(fēng)電柔性直流送出能力。

海上風(fēng)電統(tǒng)一試驗場建設(shè)方面。為有效解決海上風(fēng)電項目機組并網(wǎng)試驗檢測手段不足問題，廣東電網(wǎng)新建海上風(fēng)電統(tǒng)一試驗場，初步采用“1+N”方案，“1”是指珠海桂山海上風(fēng)電試驗場，滿足當(dāng)前海上風(fēng)電的認(rèn)證、檢測、研發(fā)的需求；“N”是指在粵東、粵西等海上風(fēng)電密集開發(fā)地區(qū)，增加試驗點，以適應(yīng)未來更多機型、更大容量的檢測需求。

2.2 海上風(fēng)電機組全過程支撐能力

明陽、東汽海上風(fēng)電機組具備電網(wǎng)適應(yīng)性、電能質(zhì)量、高/低電壓穿越能力測試，適應(yīng)海上風(fēng)電占比提升對電網(wǎng)支撐能力需求，開發(fā)應(yīng)用機組一次調(diào)頻功能，并網(wǎng)運行時區(qū)別于常規(guī)風(fēng)電機組，具備一次調(diào)頻支撐能力。

2.3 加快構(gòu)建海上風(fēng)電并網(wǎng)安全運行標(biāo)準(zhǔn)化體系

建議在海上風(fēng)電并網(wǎng)安全運行標(biāo)準(zhǔn)化體系建設(shè)方面給予政策扶持，推動制定一批海上風(fēng)電基礎(chǔ)性、實用性、前沿性的標(biāo)準(zhǔn)，支持海上風(fēng)電的調(diào)度運行控制、機組/場站并網(wǎng)支撐能力、應(yīng)急能力、接入電力系統(tǒng)仿真驗證等標(biāo)準(zhǔn)的立項，充分發(fā)揮標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范、引領(lǐng)作用，解決目前海上風(fēng)電在運行，特別是安全管理領(lǐng)域無章可循的難題。

2.4 深化海上風(fēng)電項目涉網(wǎng)安全管理制度

建議加強對各級電力調(diào)度機構(gòu)的工作指導(dǎo)，進(jìn)一步明確電力調(diào)度機構(gòu)的技術(shù)監(jiān)督職責(zé)，建立海上風(fēng)電涉網(wǎng)安全管理監(jiān)督工作機制，深入推進(jìn)海上風(fēng)電項目涉網(wǎng)安全管理工作，完善涵蓋海上風(fēng)電機組支撐特性、場站支撐性能、功率預(yù)測、保護(hù)、安穩(wěn)、網(wǎng)絡(luò)安全等全環(huán)節(jié)的涉網(wǎng)安全管理要求，建立相應(yīng)的問題解決機制和風(fēng)險約束機制。

2.5 統(tǒng)籌開展海上風(fēng)電規(guī)劃開發(fā)，提高海洋資源利用效能

建議從省級層面統(tǒng)籌開展海上風(fēng)電規(guī)劃開發(fā)，統(tǒng)一部署，加強單位間協(xié)同，提高海洋資源綜合利用能力：（1）統(tǒng)一開展前期觀測及海上集中送出方式、海纜路由規(guī)劃、接入系統(tǒng)論證、軍事影響評估等前期規(guī)劃研究工作，統(tǒng)一對接相關(guān)單位，充分發(fā)揮協(xié)同優(yōu)勢，共同推進(jìn)項目前期開發(fā)和工程建設(shè)進(jìn)度；（2）研究出臺專屬經(jīng)濟區(qū)海上風(fēng)電開發(fā)建設(shè)相關(guān)政策，促進(jìn)海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展。

2.6 加大海上風(fēng)電基礎(chǔ)性研究扶持力度

建議以優(yōu)化海上風(fēng)電調(diào)控運行和電源支撐能力為重點，加大課題支持力度，降低企業(yè)稅率或設(shè)立科學(xué)基金，支持海上風(fēng)電技術(shù)研究單位，從基礎(chǔ)前沿、關(guān)鍵共性技術(shù)到應(yīng)用示范進(jìn)行全過程創(chuàng)新設(shè)計、一體化組織，推動海上風(fēng)電柔性直流送出、虛擬同步發(fā)電機、大容量抗臺型機組等前沿技術(shù)應(yīng)用示范。

3 結(jié)束語

海上風(fēng)電具有資源豐富、發(fā)電利用小時高、不占用土地和適宜大規(guī)模開發(fā)的特點。大力發(fā)展海上風(fēng)電，是響應(yīng)國家構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)有力支撐。建議政府相關(guān)部門以優(yōu)化海上風(fēng)電調(diào)控運行和電源支撐能力為重點，加大課題支持力度，通過降低企業(yè)稅率或設(shè)立科學(xué)基金等方式，支持海上風(fēng)電技術(shù)研究單位，從基礎(chǔ)前沿、關(guān)鍵共性技術(shù)到應(yīng)用示范進(jìn)行全過程創(chuàng)新設(shè)計、一體化組織，推動海上風(fēng)電柔性直流送出、虛擬同步發(fā)電機、大容量抗臺型機組等前沿技術(shù)應(yīng)用示范。