風電接入對黑龍江電網(wǎng)的影響及應對措施

張慧琦,王海濤,曹宇鵬,張軼平

(1.黑龍江省電力有限公司電力交易中心,黑龍江哈爾濱 150090;2.黑龍江省電力有限公司電力調(diào)度通信中心,黑龍江哈爾濱 150090;3.哈爾濱電業(yè)局,黑龍江哈爾濱 150010)

風電接入對黑龍江電網(wǎng)的影響及應對措施

張慧琦1,王海濤2,曹宇鵬3,張軼平2

(1.黑龍江省電力有限公司電力交易中心,黑龍江哈爾濱 150090;2.黑龍江省電力有限公司電力調(diào)度通信中心,黑龍江哈爾濱 150090;3.哈爾濱電業(yè)局,黑龍江哈爾濱 150010)

結合黑龍江電網(wǎng)風力發(fā)電現(xiàn)狀,闡述了風電對電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)壓、調(diào)頻和穩(wěn)定的影響,并從運行和管理角度提出了具體應對措施。

黑龍江電網(wǎng);風電;影響;措施

1 黑龍江風電現(xiàn)狀

隨著風電在電網(wǎng)中所占比重不斷增加,在風能資源較豐富的地區(qū),風電在電網(wǎng)中所占比例已經(jīng)達到較高水平,某些地區(qū)電網(wǎng)中風電的裝機容量已接近當?shù)刎摵伤健：邶埥娋W(wǎng)地處東北電網(wǎng)北部,電廠眾多,是東北地區(qū)重要的能源基地,電源結構以火電為主。截止 2009年 9月底全省發(fā)電裝機容量 18 454MW,其中火電 16 527MW,占 89.56%;水電 948MW,占 5.14%;風電 978 MW,占 5.30%。

2 風電對電網(wǎng)運行的影響

風電是一種間歇性、波動性電源,其不確定性和總體上的反調(diào)峰特性,給電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行帶來了新的挑戰(zhàn),主要表現(xiàn)在:電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻和電源安排日益困難;系統(tǒng)電壓難以控制;電網(wǎng)安全穩(wěn)定問題突出;控制措施難以制定等方面。

2.1 對電網(wǎng)調(diào)峰的影響

風速波動會導致風電場輸出功率波動,引起系統(tǒng)有功功率和無功功率的變化。如果把風電功率看作負的負荷,其與負荷的波動疊加在一起可以構成等值負荷波動曲線。當出現(xiàn)風電功率大于負荷需求的情況,多余的風電功率需要通過地區(qū)間聯(lián)絡線外送。如果負荷波動趨勢和風電功率波動趨勢一致,則等值負荷曲線變得平滑,風電就有自然調(diào)峰作用,對電力系統(tǒng)運行有利;反之,負荷波動趨勢和風電功率波動趨勢相反,則等值負荷曲線波動幅度更大,相當于等效負荷峰谷差加大,使電網(wǎng)調(diào)峰問題更加突出,對系統(tǒng)運行不利。

黑龍江電網(wǎng) 2009年最大峰谷差約 3 500 MW,調(diào)峰形勢極為嚴峻,特別是冬季供暖期間,大批調(diào)峰能力較弱的供熱機組必須持續(xù)運行,同時,冬季又是風電低谷大出力、反調(diào)峰高概率、大幅度最為集中的月份,在低谷時段,風電出力普遍與負荷變化規(guī)律相反,使電網(wǎng)面臨嚴重情況,需要合理安排系統(tǒng)備用容量,保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

2.2 對電網(wǎng)電壓的影響

對風電來講,電壓穩(wěn)定非常重要,但由于風電絕大多數(shù)接入薄弱的末端電網(wǎng),受系統(tǒng)負荷變化影響,電壓調(diào)整原本就十分困難,加之風電出力的無計劃大幅度變化,其無功功率需求量又與風電機組的類型及風電功率的大小有關,導致系統(tǒng)電壓也大幅度變化。其中,感應型異步風機在發(fā)出有功的同時需要從系統(tǒng)吸收大量無功,如這類風機并網(wǎng)點的電網(wǎng)不夠堅強,且風電場自身無功補償容量不足或補償速度不滿足要求,就可能造成系統(tǒng)電壓嚴重下降,甚至電壓崩潰;雙饋式風機和直驅(qū)式風機特性有所改善,但也需要風電場配置適當容量和調(diào)節(jié)速度的無功補償裝置。

風電場可用分組投切的電容器或電抗器來調(diào)節(jié)無功功率,抑制電壓變動,提高電壓穩(wěn)定性。在風電比較集中的地區(qū),可以在風電場設置快速無功調(diào)節(jié)裝置,如 SVC或 STATCOM,控制網(wǎng)絡阻抗角和功率因數(shù)角的差值,達到減少閃變,提高電能質(zhì)量的目的。

2.3 對電網(wǎng)頻率的影響

由于自然界風速的不斷變化,風力發(fā)電機的出力也隨時變化,具有較大的隨機性,不穩(wěn)定的功率輸出會給電網(wǎng)運行帶來許多問題。大量風電功率的波動增加了系統(tǒng)調(diào)頻的難度,而系統(tǒng)頻率的變化又會影響風電機組的運行狀態(tài)。風電出力的不穩(wěn)定性,使得運行火電機組被迫大幅度參與系統(tǒng)調(diào)頻工作,而火電機組調(diào)節(jié)速度較慢,難以完全適應風電的大幅度快速變化。隨著風電的快速增長,風電突變幅度將繼續(xù)增大,會對電網(wǎng)頻率質(zhì)量造成較大影響。

各國風電接入系統(tǒng)導則都要求風電機組能夠在一定頻率范圍內(nèi)正常運行;頻率超過一定范圍后限制出力運行或延遲一定時間后退出運行,以維護系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定。當系統(tǒng)頻率過高時,可以通過控制系統(tǒng)使部分風電機組停機或通過槳距角控制減少風電場的輸出功率。可在正常情況下限制風電場出力,在系統(tǒng)頻率降低時調(diào)高風電場的出力,讓風電功率參與系統(tǒng)的二次調(diào)頻。

2.4 對電網(wǎng)穩(wěn)定的影響

隨著我國風電技術的發(fā)展,風電能源在電網(wǎng)中所占的比重越來越大,由此帶來的電網(wǎng)安全穩(wěn)定問題也日益突出。由于大量風電不能就地消化,要和地區(qū)火電一同經(jīng)送出通道進行外送,送出通道需采用安全穩(wěn)定控制措施。由于風電的大量存在和出力的不確定性,大大增加了安全穩(wěn)定控制措施的復雜程度,降低了事故情況下系統(tǒng)單運成功的概率。

嚴格來講定速風電機組和雙饋變速風電機組本身不存在暫態(tài)穩(wěn)定性問題,但是對于有大量風電的系統(tǒng),因為大量小慣量的風電機組代替了常規(guī)機組,系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性也發(fā)生了一些變化。文獻[1]、[2]對風電機組的模型進行了研究,表明定速風電機組對系統(tǒng)功率振蕩有一定阻尼作用,而變速風電機組因為變流器的作用,風電機組轉速與電網(wǎng)頻率解耦,阻尼作用被減弱了。此外,系統(tǒng)出現(xiàn)故障時,風電機組可能因為電壓越限或轉速越限導致保護動作而跳閘,系統(tǒng)可能遭受失去大量風電功率的第二次沖擊。

3 風電運行管理的措施

為了有效應對風電的快速發(fā)展,必須從多方面采取有效措施。如加強風電預測;對風電機組進行合理控制調(diào)節(jié);配套建設相應的調(diào)峰、調(diào)頻電源;制定風電入網(wǎng)規(guī)范等,以利于風電產(chǎn)業(yè)長期健康穩(wěn)定發(fā)展。

3.1 風電預測

從能源角度,風電作為清潔能源,一般都處于自然滿發(fā)狀態(tài);而從電網(wǎng)調(diào)度角度,風電在高峰時頂不上去、低谷時減不下來,是某種意義上的垃圾電源。風電的隨機性和不可控性也給發(fā)電計劃的制定和實施帶來一定困難。傳統(tǒng)的發(fā)電計劃基于電源的可靠性以及負荷的可預測性,但如果系統(tǒng)內(nèi)含有風電場,風電場出力有極大的隨機性,發(fā)電計劃的制定變得困難起來。如果把風電場看作負的負荷,很難準確測定;如果把風電場看作電源,可靠性沒有保證。

受限于國內(nèi)風電發(fā)展的總體技術水平,目前黑龍江電網(wǎng)投運的所有風電場,均未建立風電電力預測系統(tǒng)。但如果風電場參與調(diào)度計劃,則必須預測未來 24 h的發(fā)電曲線,以便電網(wǎng)調(diào)度部門合理安排發(fā)電計劃,優(yōu)化常規(guī)機組運行方式,提高電網(wǎng)接納風電的能力。國家有關部門應盡早制定并出臺風電企業(yè)電力預測考核辦法,督促各風電企業(yè)盡快建立實用的風電功率預測系統(tǒng),實現(xiàn)對全網(wǎng)風電功率的預測。電網(wǎng)公司也可建設有關風電預測系統(tǒng),用于對全網(wǎng)風電出力預測校核等職能,而風電出力的預測應該是風電場應盡的職責。

3.2 提高風電機組調(diào)控手段

風電要參與系統(tǒng)功率平衡,需要做的工作,一是風電場輸出功率預測,二是風電場輸出功率控制。電網(wǎng)調(diào)度部門迫切需要一種能在緊急時刻調(diào)整風電出力,確保系統(tǒng)頻率、斷面潮流維持在安全范圍之內(nèi)的手段。對風電場輸出功率進行控制,有利于減小系統(tǒng)備用容量,增強系統(tǒng)的可靠性和安全性。已投入運行的風電場應盡快改造和完善風場監(jiān)控系統(tǒng),實現(xiàn)能夠接收執(zhí)行遠方調(diào)度控制命令、自動控制上網(wǎng)電力等功能。

目前,黑龍江電網(wǎng)已通過廣域同步測量系統(tǒng)(Wide Area Measurement System,WAMS)實現(xiàn)了對風電場的監(jiān)視和控制。在夜間低谷時段,WAMS系統(tǒng)根據(jù)火電機組出力調(diào)整狀況、省間聯(lián)絡線外送偏差、風電機組運行負載率等因素,自動對部分風電機群下達停機指令,低谷時段過后,會自動將機群投入運行。此外,在風電場送出系統(tǒng)中還加裝了穩(wěn)定控制裝置,當風電場外送系統(tǒng)相關線路或主變過載時,穩(wěn)控裝置可切除部分風電機群。

3.3 建設抽水蓄能電站

抽水蓄能電站是一種特殊形式的水電站,既能削峰又可填谷,能很好地適應電力系統(tǒng)負荷的變化。其快速轉變的靈活性可彌補風力發(fā)電的隨機性和不均勻性,不僅可以打破電網(wǎng)規(guī)模對風電容量的限制,為大力發(fā)展風電創(chuàng)造條件;也可為電網(wǎng)提供更多的調(diào)峰填谷容量和調(diào)頻、調(diào)相、緊急事故備用電源,在保障系統(tǒng)安全與提高供電質(zhì)量的同時,有效降低系統(tǒng)旋轉備用容量和吸收低谷負荷而達到降低系統(tǒng)能耗的作用。對于風電資源豐富的地區(qū),無論是外送還是就地消化,抽水蓄能發(fā)電和風力發(fā)電互補運行,應該是一個發(fā)展趨勢。目前,黑龍江電網(wǎng)正在興建遠期裝機容量為 1 200 MW的抽水蓄能電站,這將為今后風電的發(fā)展奠定良好的基礎。

3.4 制定風電入網(wǎng)規(guī)范和規(guī)定

風電場應執(zhí)行風電入網(wǎng)技術規(guī)范和風電調(diào)度運行管理規(guī)定,以保證風電場與電網(wǎng)的協(xié)調(diào)發(fā)展及電網(wǎng)對風電場的控制能力,規(guī)范風電場日常運行。風機生產(chǎn)廠家、風力發(fā)電公司、電網(wǎng)公司等都應嚴格執(zhí)行,對不符合入網(wǎng)技術條件的風機堅決不允許接入系統(tǒng),以形成良好的入網(wǎng)管理機制。

3.5 風電與電網(wǎng)應協(xié)調(diào)、有序發(fā)展

在一定技術水平下,各地區(qū)電網(wǎng)接納風電的能力除受整體調(diào)峰能力影響外,主要受各地區(qū)電網(wǎng)結構決定的安全穩(wěn)定水平制約。風電發(fā)展規(guī)劃要結合電網(wǎng)或局部地區(qū)風電接納能力進行滾動調(diào)整,確保風電與電網(wǎng)協(xié)調(diào)、有序發(fā)展。

3.6 發(fā)揮跨區(qū)聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢,緩解調(diào)峰壓力

2009年底,黑龍江風電總裝機容量達到電網(wǎng)運行容量的 10%左右,調(diào)峰問題十分突出,應根據(jù)實際情況調(diào)整跨區(qū)送電峰谷差值,充分發(fā)揮跨區(qū)聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢;同時鼓勵火電廠挖掘調(diào)峰、調(diào)頻潛力,負荷側移峰填谷等,以緩解區(qū)域電網(wǎng)調(diào)峰壓力。

4 結束語

風力發(fā)電是一種清潔可再生能源,具有不污染環(huán)境、沒有燃料運輸、廢料處理等優(yōu)勢,且建設周期短,運行管理方便,有廣闊的發(fā)展前景。但同時也應看到,由于風能存在隨機性和不均勻性,風電場的大量投運,對電網(wǎng)安全運行存在諸多不利影響,這也制約了風電的進一步發(fā)展。文中提到的一些應對風電運行和管理措施,需要在實踐中逐步規(guī)范和完善;電網(wǎng)在全年不同時期能夠容納的最大風電運行容量,也取決于新方案、新技術的采用。隨著電能存儲技術、風機控制、制造技術、風電預測水平的提高以及電網(wǎng)結構的改善,風力發(fā)電必將成為未來能源供應的重要組成部分。

[1] 李東東,陳陳.風力發(fā)電機組動態(tài)模型研究[J].中國電機工程學報,2005,25(3):115-119.

[2] 李晶,宋家驊,王偉勝.大型變速恒頻風力發(fā)電機組建模與仿真[J].中國電機工程學報,2004,24(6):100-105.

Influences and counterm easures of the integration of wind power grid on the Heilongjiang Grid

ZHAGN Huiqi1,WANG Haitao2,CAO Yupeng3,ZHANG Yiping2
(1.Power Exchange Center of Heilongjiang Electric Power Company,Harbin 150090,China;2.Power Managementand Communication Center of Heilongjiang Electric Power Company,Harbin 150090,China;3.Harbin Power Bureau,Harbin 150010,China)

Combing the currentsituation ofwind power generation in the Heilongjiang grid,this paper expounds the influences of wind power's load regulation,voltage regulation,frequency modulation and stability on the grid and puts forward specific countermeasures from operational and managerial perspective.

Heilongjiang grid;wind power;influence;measure

TM614

B

1002-1663(2010)01-0042-03

2009-11-12

張慧琦(1978-),女,2000年畢業(yè)于東北電力學院電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè),工程師。

(責任編輯 路 松)