關(guān)于風(fēng)電并網(wǎng)的功率補(bǔ)償問題探討

張 明

（山西省電力公司太原供電分公司，山西 太原 030012）

關(guān)于風(fēng)電并網(wǎng)的功率補(bǔ)償問題探討

張 明

（山西省電力公司太原供電分公司，山西 太原 030012）

由于目前風(fēng)電并網(wǎng)比較困難，風(fēng)電的發(fā)展受到極大的制約，其主要原因是風(fēng)電的供電質(zhì)量波動(dòng)性非常大，其電壓和頻率很難滿足電力系統(tǒng)的可靠性要求。基于氫能可以設(shè)計(jì)一種功率補(bǔ)償系統(tǒng)，而通過功率補(bǔ)償系統(tǒng)調(diào)節(jié)后，可以大大提高風(fēng)電的穩(wěn)定性，從而使風(fēng)電的電能質(zhì)量達(dá)到并網(wǎng)要求，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)電并網(wǎng)發(fā)電。

風(fēng)電；氫能；功率補(bǔ)償；并網(wǎng)發(fā)電；穩(wěn)定性

截至2010年底，我國全年風(fēng)力發(fā)電新增裝機(jī)達(dá)1 600萬kW，累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到4 182.7萬kW，首次超過美國，躍居世界第一。可是并網(wǎng)難的問題一直困擾著風(fēng)電事業(yè)的長期發(fā)展，并對風(fēng)電的經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響，所以文章就風(fēng)電電網(wǎng)系統(tǒng)的不穩(wěn)定性進(jìn)行分析，擬采用一種基于氫循環(huán)系統(tǒng)的功率補(bǔ)償方案，使風(fēng)電電網(wǎng)的供電質(zhì)量大大提高，以至于實(shí)現(xiàn)風(fēng)電的并網(wǎng)，解決風(fēng)電的入網(wǎng)難問題。

1 風(fēng)電的穩(wěn)定性分析

風(fēng)電是一種很好的綠色能源。可是因?yàn)轱L(fēng)能的不確定性，導(dǎo)致風(fēng)電的電壓、頻率極其的不穩(wěn)定，雖然已經(jīng)在系統(tǒng)中應(yīng)用了“交—直—交”（即把交流電變成直流，再變成交流的解決方案）系統(tǒng)來對電壓和頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，但是對發(fā)電機(jī)的輸出功率的大小是無法進(jìn)行調(diào)節(jié)的，因?yàn)轱L(fēng)場的風(fēng)力資源是不穩(wěn)定的，其時(shí)有時(shí)無且時(shí)大時(shí)小，所以不可能對發(fā)電機(jī)的發(fā)出功率進(jìn)行有效的控制，從而導(dǎo)致風(fēng)電的電網(wǎng)系統(tǒng)無法給用戶提供穩(wěn)定可靠的電源，而用戶負(fù)荷變動(dòng)時(shí)的調(diào)節(jié)能力就更沒有了，這極大地限制了風(fēng)電的發(fā)展及應(yīng)用。而在“交—直—交”系統(tǒng)中的蓄電池對功率的調(diào)節(jié)有一定的緩沖作用，但因其電池容量非常的有限，還有充電電流及放電深度的限制影響，使得它的調(diào)節(jié)作用十分有限。

而電網(wǎng)要求具有很高的供電可靠性及供電質(zhì)量要求，就目前的風(fēng)電特性是難以滿足電網(wǎng)要求的，這就是風(fēng)電入網(wǎng)難的問題所在。

2 功率補(bǔ)償系統(tǒng)

那么，怎樣解決電網(wǎng)的這一難題呢？

根據(jù)能量守恒定律知道，當(dāng)電網(wǎng)參數(shù)一定時(shí)，只要發(fā)電機(jī)的輸出功率和系統(tǒng)負(fù)荷功率相等，那么電網(wǎng)的電壓和頻率就是一定的，即只要保證WG=W負(fù)荷+WX恒成立（其中WG為發(fā)電機(jī)輸出功率；W負(fù)荷為系統(tǒng)負(fù)荷功率；WX為補(bǔ)償系統(tǒng)發(fā)出的功率，由氫能循環(huán)系統(tǒng)提供），就能保證電網(wǎng)的電壓和頻率的穩(wěn)定。所以，工作人員可以給風(fēng)電電網(wǎng)提供一個(gè)功率補(bǔ)償，來使電網(wǎng)的電能質(zhì)量達(dá)到要求。補(bǔ)償系統(tǒng)組成原理見圖1。

圖1 功率補(bǔ)償示意圖

圖2 氫能循環(huán)系統(tǒng)原理

在電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行中，WG和W負(fù)荷都是隨機(jī)變化的，這就要求WX也具有動(dòng)態(tài)的功率特性，并且是隨電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)同步調(diào)節(jié)的。當(dāng)風(fēng)力資源豐富時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出的WG大于電網(wǎng)的基本負(fù)荷，或W負(fù)荷日負(fù)荷曲線處于低谷時(shí)，這時(shí)WX為正，具有負(fù)荷特性，此時(shí)消耗功率（并不是純電阻性質(zhì)的功率消耗，而是把電能轉(zhuǎn)化成其他形式的能量進(jìn)行儲存）是W負(fù)荷的一部分；當(dāng)WG較小時(shí)，或W負(fù)荷大于WG時(shí)，WX為負(fù)，具有發(fā)電機(jī)特性，此時(shí)向電網(wǎng)提供功率，可算做WG的一部分。這樣，就能使得等式WG=W負(fù)荷+WX恒成立，使電網(wǎng)參數(shù)得到穩(wěn)定，從而為風(fēng)電并網(wǎng)提供條件。

3 氫能循環(huán)系統(tǒng)概述

見圖2，該循環(huán)系統(tǒng)主要是由電解池和氫燃料電池原理組成的。電解池的作用是充當(dāng)電網(wǎng)的負(fù)荷元件，當(dāng)WX為正時(shí)其投入工作，用于平衡電源測的功率；氫燃料電池是電源元件，可以在電源功率不足或退出運(yùn)行時(shí)充當(dāng)電網(wǎng)電源，即在WX為負(fù)時(shí)投入工作。這樣，工作人員就可以把不穩(wěn)定的風(fēng)電資源先轉(zhuǎn)化成氫氣，再根據(jù)系統(tǒng)需要，把氫能轉(zhuǎn)化成電能，從而完成對電力系統(tǒng)的功率補(bǔ)償。

那么，怎么判斷要投入工作的是電解池還是燃料電池呢？這部分的工作可以靠現(xiàn)在的數(shù)字智能控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。

氫循環(huán)系統(tǒng)的技術(shù)原理及特性：系統(tǒng)中的主要部件是電解池和燃料電池。利用富余的電能把水電解成氫氣，在電能不足時(shí)又用燃料電池將氫氣變成水，從而實(shí)現(xiàn)水和氫氣之間的循環(huán)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)的功率補(bǔ)償。

電解池所用的電解液采用硫酸鈉溶液。硫酸鈉是強(qiáng)電解質(zhì)鹽，其無毒且?guī)缀鯖]有腐蝕性，對設(shè)備和環(huán)境都非常好，且價(jià)格便宜。這樣，電解過程中在炭電極上就只生成氫氣和氧氣，不會造成環(huán)境污染。

燃料電池這種重要的新型發(fā)電方式可以大大降低空氣污染及解決電力供應(yīng)、電網(wǎng)調(diào)峰問題，2 MW、4.5 MW、11 MW成套燃料電池發(fā)電設(shè)備已進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)，各等級的燃料電池發(fā)電廠相繼在一些發(fā)達(dá)國家建成。我國北京富原公司已能接受燃料電池訂貨，這為循環(huán)系統(tǒng)的推廣應(yīng)用提供了有利條件。

不過，電解得到了氫氣，利用方式也就能夠多樣化，可以直接將氫氣用于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，或按一定比例混入天然氣管道輸送到城市利用，解決電網(wǎng)輸送難的問題。這樣氫循環(huán)系統(tǒng)的應(yīng)用在技術(shù)上的限制就會小很多，可在很大程度上降低成本，有利于技術(shù)的設(shè)計(jì)及推廣。

4 系統(tǒng)運(yùn)行及經(jīng)濟(jì)性評價(jià)

氫循環(huán)功率補(bǔ)償系統(tǒng)原理見圖2。系統(tǒng)要對風(fēng)力電網(wǎng)進(jìn)行功率補(bǔ)償，那么系統(tǒng)特性受到哪些方面的制約呢？

在電網(wǎng)的運(yùn)行中，要求數(shù)字智能控制系統(tǒng)具有很高的響應(yīng)速度，同時(shí)電解池和燃料電池的調(diào)節(jié)比率和響應(yīng)速度也是至關(guān)重要的。然而，因?yàn)殡娊獬睾腿剂想姵氐慕M成原理和工作特性可以知道，它們在應(yīng)響速度和功率容量上都是可以勝任的，可以通過多個(gè)單元并聯(lián)運(yùn)行的方式得到想要的任何功率數(shù)值，同時(shí)工作可靠性也很高。

其實(shí)就氫能循環(huán)系統(tǒng)的功能而言，用蓄電池也是可以實(shí)現(xiàn)的，可是蓄電池用于該系統(tǒng)的最大缺點(diǎn)是充電容量有限，要靠蓄電池來組裝一個(gè)兆瓦級別的補(bǔ)償系統(tǒng)，其投資成本是現(xiàn)階段難以接受的，并且蓄電池維護(hù)工作也是很繁重的，而且各個(gè)電池組的工作壽命、動(dòng)態(tài)工作特性也是很難滿足大容量運(yùn)行要求的。

氫能循環(huán)系統(tǒng)還可以和抽水蓄能電站作比較。抽水蓄能電站的主要作用就是為電力系統(tǒng)提供功率補(bǔ)償，但是它的建造費(fèi)用高，對環(huán)境的影響大，并且效率相對較低，而且受到我國南北水資源分布不均的影響，特別是將來核電等新能源電站的大量建設(shè)以后，在北方等少水地區(qū)用抽水蓄能電站來作為電力系統(tǒng)的功率補(bǔ)償就顯得不太現(xiàn)實(shí)了。并且為了盡量減少輸電線路的傳輸功率，以減小網(wǎng)損，采用就近補(bǔ)償原則也是受到限制的。

那么，采用氫循環(huán)的功率補(bǔ)償系統(tǒng)具有哪些優(yōu)勢呢？①占地面積小，節(jié)約寶貴的土地資源；②建設(shè)安裝地點(diǎn)選擇靈活,可以根據(jù)電力系統(tǒng)的需要靈活設(shè)計(jì)安裝；③對環(huán)境可以做到零污染零排放、無噪聲；④系統(tǒng)組成模塊化、積木化程度高，運(yùn)行可靠、效率高；⑤調(diào)節(jié)容量大，擴(kuò)建、改造方便，能跟上電力系統(tǒng)的發(fā)展需要；⑥兼容性好，可以利用多種可燃物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)多種清潔能源混合發(fā)電。

5 發(fā)展前景

縱觀當(dāng)今世界的能源格局，全世界都在積極發(fā)展諸如風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能等形式的清潔能源，但是這些新能源都有著“不穩(wěn)定”這一致命缺點(diǎn)。而目前我國的風(fēng)電事業(yè)正深受并網(wǎng)難的困擾，一旦這一問題得以解決，將會給我們帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也給其他的清潔能源的并網(wǎng)提供可能性，另外在氫能研究與應(yīng)用領(lǐng)域也會使我國走在世界前列，為將來的國家發(fā)展增添動(dòng)力，特別是為在氫動(dòng)力這一領(lǐng)域的突破提供可能性，使汽車（3 kg氫氣能量可以使一般轎車行駛500 km）、飛機(jī)用上氫能，讓人們的生活更綠色、更環(huán)保，同時(shí)也更高效。

Study the Problem about the Power Com pensation of Grid Integation of W ind Power

Zhang Ming

Wind power development has been greatly restricted due to the current wind power grid is more difficult，the main reason is the quality of power supply fluctuations in wind power is very large，the voltage and frequency is difficult to meet the requirements of power system reliability.Hydrogen can be designed based on a power compensation system，and through the adjustment of power compensation system，can greatly improve the stability of wind power，in order to make wind power quality reach grid requirements，achieving wind power grid generation.

Wind power；Hydrogen；Power compensation；combined to the grid；stability

TM 614

A

1000-8136(2011)08-0034-02