“十二五”期間大規模風電并網對福建電網的影響及對策

楊曉東 石 建 劉 峻 林章歲

“十二五”期間大規模風電并網對福建電網的影響及對策

楊曉東 石 建 劉 峻 林章歲

福建省電力勘測設計院

以福建電網福清、平潭和莆田風電大規模開發為背景，針對風力發電場并網后對電網電壓偏差與變動、暫態穩定性、電網頻率、短路電流的影響進行了計算和分析；根據風電接入系統后出現的問題，從規劃設計的角度提出改善風電場對電網影響的措施和建議。

風電接入 變速恒頻 電壓變動;穩定性

1 引言

福建省境內風能資源具備大規模開發的潛力。風力發電具有隨機性、波動性的特點，大規模風電并網后可能會影響系統電網電壓水平，導致系統所需備用容量增加和系統暫態穩定性、電壓穩定性改變等一系列問題[1-4]。

本文針對“十二五”期間福建電網風電大規模開發的實際，研究風力發電場在并網過程中對電網電壓波動、電網頻率、電網電壓穩定性和暫態穩定性等的影響，揭示大規模風電并網應注意的主要問題，從規劃設計的角度提出改善風電場對電網影響的相關措施建議。

2 研究背景及計算條件

2.1 研究背景

2010年底，福建陸上風電總裝機達847MW，假定“十二五”期間福建風電裝機規劃增加1558.5MW，新增容量主要分布在福州、莆田、泉州、漳州地區，至2015年福建風電規模達到約2400MW。

2.2 風電場模型

2.2.1風機模型：研究采用中國電科院開發的PSD-BPA軟件。計算中采用以下兩種風機模型[3]：（1）恒速異步風力發電機組、（2）變速恒頻風電機組（目前BPA軟件僅提供GE雙饋機型）。規劃風電場的機組均按機端電壓0.69kV、單機容量2MW、變槳距考慮。

2.2.2風電升壓系統模型：考慮兩級變壓，即考慮發電機－變壓器組、升壓站以及低壓電纜。

2.3 主要技術要求

根據《國家電網公司電力系統電壓質量和無功電力管理規定》、《國家電網公司風電場接入電網技術規定（修訂版）》（下文稱《技術規定》），風電場接入電力系統后，應滿足如下基本要求：

2.3.1發電廠和220kV變電站的110kV～35kV母線正常運行方式時，電壓允許偏差為系統額定電壓的-3%～+7%。風電場并網點的電壓正、負偏差的絕對值之和不超過額定電壓的10%，一般應為額定電壓的－3%～+7%。

2.3.2風電場在公共連接點引起的電壓變動d(%)應當滿足《技術規定》的要求。

2.3.3風電接入電網后，電網安全穩定水平應滿足《電力系統安全穩定導則》中有關功角穩定、電壓穩定、頻率穩定的要求。

2.3.4風電接入電網后，接入點以及周邊廠站的電網短路電流水平應不超出其已有及規劃設備的遮斷能力。

3 風電并網造成的影響及主要問題

3.1 風電出力波動對系統電壓的影響

3.1.1電壓偏差

對風電出力緩慢變化情況下電網電壓水平的變化進行模擬計算，結果顯示：

3.1.1.1如果風機運行中功率因數為1.0（即不發出無功），公共連接點的電壓偏差在0.1%～9%之間。偏差大的母線主要是華塘、東瀚、平潭、沙埔、前進、高山、埭頭、上莊、大坵變電站的110kV母線，最大偏差范圍已接近額定電壓的10%。而且福清、平潭、莆田地區部分母線電壓不能控制在額定電壓的－3%～+7%。

3.1.1.2如果風機運行中功率因數可以保持在0.98（即持續發出無功），公共連接點的電壓偏差較功率因數為1.0時更小，最大偏差可以控制在4%左右。而且母線電壓也可以控制在額定電壓的－3%～+7%。

3.1.2風速變化對系統電壓變動的影響

風力突增和風力突降是兩種較為極端的風力變化情況，由于兩種情況下風機的出力特點、控制手段等有所不同，因此對兩者分別進行計算分析，考慮的風力變化如下。

突增情況一：不控制風電場功率變化率（最大變化率取dP/dt = 0.45p.u./s），也沒有采用動態無功補償措施；

突增情況二：如果控制風電場功率變化率在0.05p.u./s以內，不采用動態無功補償措施。

突增情況三：按照《技術規定》推薦值，風電場功率變化率在0.0033p.u./s以內，不采用動態無功補償措施。

突降情況一：風機初始功率因數為1..0，風力突降過程中沒有進行動態無功調節。

突降情況二：風機初始功率因數為0.98，風力突降過程中沒有進行動態無功調節。

各情況下電網公共連接點的電壓變動和電壓水平見表1。由結果可見：

3.1.2.1風力突增過程中，需要利用風機的控制功能，對風電場功率變化率加以控制。但需要注意的是，如果風電場功率變化率限制得過低，不利于對風力資源的充分利用。

3.1.2.2如果風機初始功率因數定為0.98，電壓變動將比功率因數定為1.0時減小。

此外，通過電壓變動的分析發現：泉州、漳州地區的風電接入點的電壓變動幅度明顯小于福清、平潭、莆田地區，擾動后的接入點電壓水平也比較合理。其原因主要是泉州、漳州地區的風電接入相對較為分散，接入片區電網的負荷較大。

風機在風力突增過程中有可能向系統持續吸收無功，導致接入點電壓變動幅度加大，幅度可能大于風力驟減引起的接入點電壓變動。顯然，如果能在風力突增過程中使風機發出一定無功，電壓變動幅度將減少。

表1 風力變化對連接點電壓變動的影響

3.1.3動態無功補償對電壓變動的改善作用分析

靜止無功補償器（SVC）是一種應用目前最為普遍的動態無功補償裝置。本報告針對SVC對電網電壓變動的改善作用進行了計算分析，計算中SVC采用BPA軟件自帶的SVC模型，風電場的無功調節手段僅考慮SVC，不考慮風電機自身的無功調節能力。

對以上情況下電網主要母線的最大電壓變動情況進行分析。結論如下：

3.1.3.1風力突增情況下，如果不控制風電場功率變化率，但采用動態無功補償設備SVC進行控制，可以有效支撐福清、平潭、莆田等地的電壓水平。一部分接入點電壓變動被SVC控制在2.5％以內，但是福清、平潭、莆田等地部分接入點電壓變動仍達到3%～5%。

3.1.3.2風力突降情況下，在系統側或在風電場升壓站裝設一定規模的SVC后，大部分公共連接點電壓變動可以限制在2.5％以內，但仍有部分母線電壓變動達到3％～4％。如果風機初始功率因數定為0.98，裝設一定規模的SVC后，公共連接點電壓變動基本可以限制在2.5％以內，僅個別點不能限制在1.5％以內。

3.1.3.3從不同SVC裝設地點的控制效果來看，在同等規模的前提下，在新增風電場的升壓站裝設SVC的效果與在風電的主要接入點裝設SVC的效果相差不大。如果能同時在系統側公共連接點和在風電場升壓站均裝設一定規模的SVC，電壓控制的效果會更好。以風力突降情況為例，通過裝設SVC，公共連接點電壓變動大部分可以限制在1.5％以內，最高不超過2.5％。

3.1.3.4按照本報告仿真結果，在不考慮風電機自身的無功調節能力的前提下，場站的動態無功規模按照風電場裝機總容量至少約20％配置（即-0.98～+0.98）是必要的。

需要注意的是，SVC的控制效果和其具體類型、參數整定有關，風電場的動態無功需求也和其規模、接線、設備選型有關，場站合理的動態無功規模需要結合具體工程專題研究。

3.2 風電并網對系統短路電流的影響

“十二五”及以前福建電網開發的風電接入電網電壓等級以110kV為主，利用BPA軟件的短路電流計算功能，對風電場側接入系統110kV母線的短路電流進行計算。結果顯示，2015年風電接入的變電站110kV母線短路電流水平不會超過設備的遮斷能力。

3.3 風電出力變化對系統頻率的影響

風電場對系統頻率的影響取決于風電場容量占系統總容量的比例。根據歐美的一些統計數據，這一比例（也稱風電穿透功率）達到10%是可行的。比如美國紐約州2008年高峰負荷33000MW，全州風電容量3300MW(約占高峰負荷10％)。

從2015年福建電網的風電裝機規?？矗＝ㄒ呀耙巹澣萘考s2400MW，約占福建系統總負荷（34400MW）的7%，比例較小。而且在福建與華東經500kV聯網且通過特高壓與全國聯網的情況下，電網的備用容量和抗干擾能力大為增強，在調速系統作用的情況下，上述風電出力變化對系統頻率的影響可以限制在合理范圍內。

3.4 風電出力變化對系統暫態穩定的影響

大規模的風電接入則會引起電網暫態穩定性的變化。在此考慮三種風電出力方式：

方式一：全省風電零出力，火電平均開機。

方式二：全省風電滿出力，火電平均開機。

方式三：福州、莆田風電滿出力，泉州、漳州風電零出力，全省火電平均開機。

在風電的不同出力與情況下，福建各分區電網電力盈虧以及斷面潮流分布有所不同（見表2）。在上述風機出力情況下，對福建電網500kV線路故障的臨界切除時間進行比較。計算方式為2013年8月大方式與2015年8月大方式，由計算結果：

風電零出力與滿出力情況下接入福建110kV電網后對電網暫態穩定性影響不大。

福州～泉州特高壓線路建成以前的2013年是“十二五”期間福建主網潮流壓力較大的一年。北部風電滿發，南部風電停機將加大福建電網北電南送的輸電壓力，系統暫態穩定裕度也有所降低。但總體而言，“十二五”期間考慮總計2400MW的風電開發規模，福建電網的暫態穩定性仍可以滿足要求。

表2 2013年風電出力對主網500kV斷面潮流的影響 單位：MW

3.5 風電對福建電網調峰能力的要求

調峰計算顯示，2015年風電規模如果達到2400MW，福建電網將存在調峰容量不足的困難。從電力系統調峰能力來看，在本研究的計算條件(電源方案、負荷特性等)下，2015年福建電網接納風電能力大致為1600MW。要增大福建電網接納風電的能力，必須加快福建電網調峰電源建設。

3.6 小結

綜上所述，從風電對福建電網的暫態穩定、頻率偏差、短路電流等影響來看，2015年福建電網基本具備接納2400MW風電的能力。但系統接入點的電壓變動以及調峰方面還不能很好地滿足要求。

4 規劃設計方面的要求及措施

“十二五”期間福建電網可能出現調峰不足的原因是：西電東送規模加大以及核電和風電開發規模加大。因此，要增大福建電網接納風電的能力，必須加快福建電網調峰電源建設。

公共接入點電壓變動和電壓水平方面問題的根源在于風電出力的波動性。解決風電并網帶來的電壓問題也應主要考慮從無功補償配置的角度著手。下面從風電場側、系統側、接入系統三個方面提出相應要求和措施。

4.1 對風電場側的要求

4.1.1對風機機型及功能的要求

4.1.1.1恒速異步風力發電機組運行時需要消耗大量無功，而且其運行對機端電壓要求較高。建議新增風機避免采用恒速異步風力發電機組，應采用變速恒頻機組，包括雙饋機和同步機。

4.1.1.2風電機組運行時的功率因數值要通過分析計算來確定，不能只發有功，不發無功。從實際運行情況來看，福建電網已投運的雙饋型風機往往只在停機條件下才可人為地對功率因數進行調控。為了降低對系統電壓的影響，有條件的大規模風電場應考慮安裝具有在線功率因數集中調節功能的模塊及設備。

4.1.1.3風機均應配置有功功率變化率控制功能，避免有功過快變化。

4.1.2對風電場無功補償配置和電壓調整能力的要求

風電升壓站應配置合理的無功補償設備，提高其電壓調整能力。除了常規的固定電容補償以外，必要時需考慮采用分組投切電容器或無功動態調節設備（比如SVC、STATCOM、D-VAR等）。按照仿真結果，為了滿足電壓變動方面的技術要求，在不考慮風電機自身的無功調節能力的前提下，場站的動態無功規模按照風電場裝機總容量的至少約20％配置（即-0.98～+0.98）是必要的。

風電升壓站一般均宜采用有載調壓變壓器，這在相關技術規定中已有明確要求，應按此執行。

4.2 對風電開發規模及接入系統的要求

4.2.1對風電開發總體規模的要求

風電開發總體進度和規模應結合區域電網發展情況，考量調峰、潮流、電壓、頻率等因素而定。計算表明，從電力系統調峰能力來看，在本研究的計算條件(電源方案、負荷特性等)下，2015年福建電網接納風電能力大致為1600MW。

4.2.2對風電接入電壓等級的要求

風電接入電壓等級需要其從風電的合理送電方向、系統接受能力、經濟性等方面來綜合考慮，在此僅從減少電壓波動的方面提出要求。一般而言，對于需要外送的大規模（比如100MW以上）風電場，建議考慮由220kV電網送出，而不要接入110kV電網。因為其出力變化對110kV電網的影響大于220kV電網。以東瀚風電場（規劃裝機約150MW）為例，如果東瀚風電場接入華塘變220kV母線，華塘變220kV、110kV母線的電壓變動比接入華塘變110kV母線分別低0.3和0.4個百分點。

4.2.3對風電集中接入容量的要求

在大量風電集中接入某個220kV變電站或110kV變電站的情況下，如果這些風電的出力波動具有較高的同時率，會使接入點的電壓波動較大，而且也可能增大接入點的短路容量。單純從控制短路電流的角度看，單個110kV接入點（及其周邊臨近接入點）接入的風電總容量不應超過300～400MW,具體容量限制應結合具體電網條件計算確定。

4.3 對系統側的要求

4.3.1對接入點電壓、無功調節能力的要求

目前對于規模較小的風電場和“十二五”之前已投運的風電場，工程設計中一般是按風電場不吸收系統無功功率的原則來配置容性無功補償設備，沒有配置動態無功裝置。當接入同一個接入點的小型風電場積少成多，規模累積到一定程度時，會對電網電壓造成影響。此時需要考慮在一些風電場的升壓站或者在風電的公共接入點配置動態無功補償。

4.3.2對系統備用容量的要求

隨著福建與華東電網聯網以及全國特高壓電網的形成，福建電網的備用能力大為增強。按照《電力系統設計手冊》，系統事故備用取10％，在調速系統作用的情況下，即使大規模風電全部停機，一般也不會對系統頻率產生太大的影響。

但是在某些特殊的方式下（比如福建電網孤網運行，負荷較輕的小方式），仍需要對風電停機的影響加以關注，在系統中留有足夠的備用容量。

5 結論和建議

5.1 從風電對福建電網安全穩定、短路電流和頻率水平等影響來看，福建電網基本具備接納2400MW風電的能力。

5.2 從風電對福建電網的調峰能力需求看，2015年風電規模如果達到2400MW,福建電網將存在調峰容量不足的困難。

5.3 風電接入將對福建電網電壓水平造成不利影響，需要采用一定的技術措施加以解決。建議將提高每個風電場的無功調控能力、提高風機運行特性作為解決系統電壓問題的主要途徑之一。

5.3.1建議新增風機均應配置有功功率變化率控制功能；建議規劃新增風力發電機組采用變速恒頻機組。

5.3.2建議在“十二五”期間新增的所有風電場均配置動態無功補償裝置（例如SVC）。為了滿足電壓變動方面的技術要求，在不考慮風電機自身的無功調節能力的前提下，場站的動態無功規模按照風電場裝機總容量的至少約20％配置（即-0.98～+0.98）是必要的。此外，還需要考慮另外增配一定的無功補償，以補償場內主變及線路等的無功損耗。

5.3.3風電機組運行時的功率因數值要通過分析計算來確定，不能只發有功，不發無功。

5.3.4建議新增風電機組宜具有一定的動態無功調控能力，比如機端電壓的恒定控制功能以及功率因數的恒定控制功能。

5.4風電對電網電壓變化的具體影響及控制措施需要結合福建沿海風況變化特性、各種風機運行特性和控制能力開展專題研究。

[1] 遲永寧,劉燕華,王偉勝,陳默子,戴慧珠.風電接入對電力系統的影響[J].電網技術,2007,31(3):77-81.

[2] 龐愛莉.風力發電場接入后對系統的影響[J].上海電力,2007,(1):33-35.

[3] 計崔.大型風力發電場并網接入運行問題綜述[J].上海電力,2008,(1):59-63.

[3] 李鋒,陸一川.大規模風力發電對電力系統的影響[J].中國電力,2006,39(11):80-84.