大規模風電集中并網對電力系統安全穩定的影響

汪寧渤，馬彥宏，王建東

(甘肅省電力公司風電技術中心，蘭州市，730050)

0 引言

甘肅酒泉是國家批準開工建設的第1個10 GW級風電基地。截止2011年6月，已經完成吊裝的風電機組容量為5500 MW，其中已經并網投產的風電裝機容量為4060 MW。2011年底已經完成吊裝的風電機組將全部并網投產，甘肅酒泉將成為集中并網規模最大的風電基地之一。隨著大規模風電集中并網發電，風電所特有的波動性、隨機性對于電力系統的影響也逐步顯現，尤其是酒泉風電基地的電力電量幾乎全部需要送到1000 km以外的蘭州負荷中心，弱電網、遠距離、大規模送出、波動性的風電帶來了一系列技術問題，大規模風電集中并網對電力系統安全穩定產生了巨大的影響。風電大規模集中并網不僅在正常運行時存在送出及消納等技術問題，而且大幅度增加了電力系統安全穩定的風險。在2011年2月24日酒泉風電基地連續發生了大批機組脫網事故，造成河西電力系統電壓、頻率大幅度波動，對電力系統安全穩定運行造成了嚴重威脅。

1 酒泉風電基地基本情況

1.1 風電場接入系統

酒泉風電基地的一期工程主要集中在玉門、瓜州2個區域內，在酒泉風電基地已經完成吊裝的5500 MW風電機組中有4100 MW風電場通過330 kV電壓等級接入系統匯集;另外1400 MW風電機組先通過110 kV電壓等級接入系統，然后匯集到公網330 kV變電站。酒泉風電基地大部分風電通過2010年建成投產的750 kV武勝—河西—酒泉—敦煌輸變電工程送出到1000 km以外的蘭州負荷中心。

1.2 風電場運行情況

甘肅風電最大出力發生在2011年4月22日，為2667 MW，占當時全網用電負荷的27%，占當日全網最低用電負荷的32%。甘肅風電最大日發電量出現于2011年4月10日，為5519萬kW·h，占當日全網發電量的18.4%，占當日全省用電量的25%［1］。

在風電大出力不能保證全部送出的情況下，甘肅實際運行風電出力在40%以下裝機容量出現的概率為86%，其中0～10%裝機容量區間出現頻率為32%，10% ～20%、20% ～30%和30% ～40%裝機容量出現的概率分別為23%、16%和15%。40%以上裝機容量區出現的概率為14%，其中40% ～50%、50%～60%和60%以上裝機容量區間出現的概率分別為 10%、3%和 1%［2］。

從發電量統計情況看，在存在限電的情況下甘肅風電反調峰特性仍然非常明顯。酒泉風電基地風電發電量在0:00～6:00所占比例為44%，6:00～12:00、12:00～18:00和18:00～24:00所占比例分別為20%、21%、15%［2］。由于限電主要發生在0:00～6:00風電大出力期間，如果不限電，酒泉風電的反調峰問題將更加突出。

2 風電場機組脫網事故

隨著風電集中并網容量的不斷增加，酒泉風電基地風電場進入事故高發期。截至目前，酒泉風電場累計發生各類事故50余次，其中發生風電機組脫網超過100臺、影響范圍較大事故7次，尤其是2011年2月24日、4月17日、4月25日3次事故分別甩風電出力840、1006和1535 MW。

其中2011年2月24日脫網事故具有代表性。當天0:34左右酒泉風電基地橋西風電場35 kV饋線電纜C相套管發生接地擊穿，11 s后發生三相短路，導致電壓跌落到額定電壓的67%，60 ms保護正確動作切除了事故回路。當時，酒泉風電基地風電總發電出力1750 MW，發生電壓跌落后不僅發生事故的風電場風電機組全部脫網，而且導致附近風電機組脫網，酒泉風電基地共有298臺、415 MW 風電機組脫網。由于此時運行的風電場大部分動態無功補償設備不完善，伴隨著大量風電機組脫網以后無法自動調整無功補償容量，電力系統容性無功容量過剩，導致系統電壓快速升高達到額定電壓的110%以上，從而風電機組電壓超過額定工作電壓，結果導致還在運行的300臺、425 MW風電機組脫網。整個事故過程中共導致 598臺、840 MW 風電機組脫網［3］。敦煌750 kV變電所母線電壓短時間在67% ～110%額定電壓范圍內大幅度波動，并造成西北主網頻率最低至49.854 Hz，直接影響到該地區用戶的用電質量。2月24日脫網事故中橋西風電場330 kV升壓站電壓變化曲線［3］如圖1所示。

酒泉風電基地事故頻發的主要原因是已投運風電機組不具備低電壓穿越功能。如果酒泉風電基地5500 MW機組全部投產以后，風電機組仍然不具備低電壓穿越能力，風電機組仍然采取切機逃逸方式，則當電網故障或受到風電場沖擊出現電壓跌落時，不僅將大幅度增加電網運行控制的難度，甚至可能導致電力系統電壓崩潰的惡性事故。

圖1 橋西風電場330 kV升壓站電壓變化曲線Fig.1 Voltage variation curve of 330 kV substation in Jiuquan Qiaoxi wind farm

3 大規模風電對電力系統的影響

3.1 調峰

截至2010年年底甘肅省最大用電負荷僅有10450 MW，甘肅電網統調裝機容量為22000 MW［2］，具備調峰能力的發電機組容量約為8000 MW，其中火電機組6000 MW、水電機組2000 MW;水電機組豐水期調峰能力弱、枯水期調峰能力較強，火電機組供熱期間調峰能力弱、非供熱期間調峰能力較強，受到水電、火電機組運行方式以及檢修等因素的影響，系統內最大可能的調峰容量約為6000 MW;考慮事故備用、負荷備用等因素需要占用一部分調峰能力，另外電網結構可能限制部分機組的調峰能力，甘肅省所有機組的不同時期的總調峰能力約為4000 MW;考慮到其中約1500 MW的機組調峰能力需要用于用電負荷調峰，能夠承擔風電調峰的發電能力僅約為2500 MW，難以滿足2011年酒泉風電基地5500 MW風電所需調峰能力的要求。另外，酒泉風電具有明顯的反調峰特性，同時考慮風電功率預測預報系統精度存在不確定性，調峰能力不足對電力系統安全穩定運行造成的影響更大。

3.2 電力電量消納

2011年下半年酒泉風電基地集中并網的風電裝機容量將達到5500 MW，預計到2011年甘肅省最大負荷為11000 MW、公司售電量為7500 GW·h。甘肅省用電最大負荷僅為11000 MW，要消納5500 MW風電，從電力平衡的角度考慮根本沒有可能;省公司售電量7500 GW·h中要消納1210 GW·h的風電上網電量，從電量平衡看似乎可能，但考慮到面臨著水電、火電建設項目大批投產，如果1210 GW·h的風電發電量全部在甘肅省內消納，火電機組的利用小時數將下降到4000 h以下［4］。因此，從電力平衡、電量平衡方面考慮，2011年5500 MW 風電需要更大的用電消納市場。

2011年年底甘肅省總裝機容量約為26000 MW，其中風電為5800 MW，占總裝機的22.3%，遠遠超過了國際上公認的電網接入風電能力不超過系統總裝機容量的10%～15%的標準。如果考慮酒泉風電基地風電是從電網末端集中接入的特點，目前酒泉投產的風電在酒泉及河西地區已經無法消納，幾乎全部需要送到蘭州負荷中心消納，甘肅電網集中接入酒泉風電的安全穩定風險進一步增加。

3.3 電網送出能力

根據酒泉“陸上三峽”風電基地的建設需要，新建的河西750 kV電網的西電東送的能力僅為1800 MW左右［5］，根本無法滿足已經完成吊裝的5500 MW風電的送出需要。為此省公司與國內有關研究院所合作研制了750 kV可控高抗等，同時通過750 kV電網與新疆聯網以提高系統穩定水平和輸送能力［5］，另外采取河西電網安全穩定控制措施及河西750 kV與330 kV電網電磁環網運行，將河西750 kV電網西電東送的能力提高到3300 MW左右。考慮到風電機組發電的同時率和就地消納部分負荷，勉強能夠滿足94%以上概率條件下的5500 MW風電送出，仍然有6%左右的時間風電大方式條件需要限發棄風。采取這些技術措施提高了電網送出風電的能力，同時也將電力系統安全裕度幾乎用完，明顯增加電力系統安全穩定的風險。

3.4 電力系統電壓控制

3.4.1 風電機組低電壓穿越能力

盡管酒泉風電基地風電機組提出了低電壓穿越能力要求，風機制造企業也作出具備低電壓穿越能力的承諾，但2010年啟動驗收試驗和2011年的風電脫網事故證明酒泉風電場絕大多數風電機組不具備低電壓穿越能力，另外酒泉風電場均沒有做過低電壓穿越特性的測試。由于風電場不具備低電壓穿越能力，2010年啟動驗收試驗和2011年的風電脫網事故過程中，電網電壓短時間跌落時運行的風電機組幾乎全部退出運行，導致河西電網有功功率、無功功率大幅度波動，嚴重威脅了電網的安全穩定運行。

3.4.2 電壓控制

酒泉位于甘肅電網最西端，屬于典型的弱電網結構，本身電壓控制的難度就比較大，張掖電廠、酒鋼電廠對河西電網電壓支撐作用較為明顯。隨著酒泉風電基地裝機容量不斷增加，為了滿足風電送出的需要不得不降低張掖電廠、酒鋼電廠的發電出力，相應地對系統的電壓控制能力降低;風電的波動性、隨機性，伴隨著有功出力的大幅度變化電網電壓也將大幅度變化，使得河西電網電壓控制難度明顯增加;2011年2月24日以來酒泉風電脫網事故過程中河西電網電壓大幅度波動是風電對于電力系統電壓影響的典型案例，不僅嚴重影響了系統電壓控制，而且直接威脅到電力系統安全。

3.5 系統有功控制

3.5.1 風電機組的有功功率控制

目前酒泉風電基地僅能實現風電機組狀態和有功功率的監測，不能實現風電場及機組的有功功率控制。盡管已經提出了風電機組有功功率控制的技術要求，但能否滿足有功控制能力的要求存在較大的不確定性。

3.5.2 對電力系統有功功率的影響

為了滿足國家電網公司風電場接入電網技術規定的風電場最大有功功率變化率要求，要求風電場必須具備有功功率控制功能。甘肅省電力公司已經研究開發了有功控制系統，以750 kV送出線路潮流作為聯絡線控制目標，按照“總斷面—區域斷面—風場斷面”的控制策略，向相關風電場下達有功控制指令，實現并網風電場有功控制。但由于風電機組不具備有功控制能力，目前不得不采取切除風電機組或匯集線路的技術措施，使得風電有功控制手段不可靠，這也是影響電力系統安全穩定運行的重要因素。

3.6 系統無功協調控制

3.6.1 風電機組的無功控制

酒泉風電基地主要采用雙饋型和永磁直驅型風電機組，目前絕大多數風電場的風電機組功率因數設定為1，并且風電機組不具備在線調整功率因數的能力，因此無法充分利用風電機組的無功容量。盡管提出酒泉風電基地的機組必須采用恒壓控制方式，從而釋放機組的無功容量的要求，但預計酒泉風電機組難以滿足無功控制的要求。

3.6.2 電力系統的無功需求及存在的問題

風速變化必然引起風電場有功大幅度變化，風電場的無功需求及輸電線路的無功損耗也將大幅度變化。由于風電機組不具備無功出力自動調整能力，電力系統的無功、電壓必然大幅度變化。由于風電有功出力預測預報精度不高，電壓波動幅度及時刻也難以準確預測，因此，固定無功補償裝置已不能滿足風電場的運行要求，必須采用靜止無功補償器(static var compensator，SVC)或靜止無功發生器(static var generator，SVG)調節風電場的無功［6-7］。酒泉風電基地盡管安裝了SVC、SVG設備，但近期酒泉風電基地脫網事故反映出的問題說明，SVC、SVG設備的可靠性和主要性能直接影響電力系統安全穩定，另外分散在風電場的SVC、SVG設備沒有實現集中控制，增加了電力系統調度處理事故的難度。

3.7 電網頻率

2010年酒泉地區風電場典型日出力爬坡率最大約為總裝機容量的10%，發電同時率平均為0.8左右［1］。2011年5500 MW 風電機組全部投產后，受到分散性及互補性的影響，風電出力爬坡率和同時率均將下降，風電場出力最大變化不會超過300 MW/min［8］。在正常狀態下以水電為主、火電為輔的調節方式應該能夠滿足風電一次調頻要求。但河西750 kV電網是典型的遠距離、大容量、弱聯系同步輸電系統，當在河西750 kV主通道雙回發生故障時，西部電網與新疆電網頻率將上升，為了保持電網頻率穩定必須切除一定容量的風電機組。受到風電場控制能力不足的制約，在極端事故狀態下可能存在電力系統頻率穩定控制的風險。

4 應對措施與建議

(1)酒泉大規模風電集中接入系統在調頻調峰、送出能力、電壓、有功功率、無功功率和頻率等方面的控制難度大幅度加大，電力系統安全穩定運行的風險明顯增加。

(2)酒泉風電機組的低電壓穿越、有功控制、無功控制等性能對于電力系統安全穩定運行影響巨大，必須加強風電機組選型及功能配置的管理，使得大規模集中并網的風電機組主要性能技術指標向常規電源靠近。

(3)加快風電場集群控制系統研究與開發，提高酒泉風電基地風電場運行控制的能力和水平;完善風電機組、無功補償裝置等關鍵設備的運行控制手段，提高風電場正常控制、緊急安全穩定控制能力，全面提高風電場的運行控制水平。

(4)建立與大規模風電基地集中接入電網相適應的技術規范、管理規定;加強風電基地風電場建設、并網、啟動驗收和運行全過程管理，加快風電安全監督保證體系建設，確保大規模風電對電力系統安全穩定的影響風險可控、在控和能控。

(5)加強風電場出力預測技術研究，加快酒泉風電基地預測預報系統建設［9-10］;明確電網、風電場在風電預測預報方面責任，建立并不斷完善風電預測預報系統，逐步提高風電預測預報的精度。

5 結語

伴隨著我國規劃的7個10 GW級風電基地連續開工建設，大規模風電集中開發、遠距離送出的發展模式面臨一系列技術問題，近期酒泉風電基地連續脫網事故說明需要高度關注大規模風電集中并網對于電力系統安全穩定的影響。

大規模風電集中并網首先需要加強電源、電網和用電市場統籌規劃，緩解大規模風電調頻調峰、送出能力和消納矛盾，保證電力系統安全穩定運行的基礎條件;其次需要適當提高大規模風電基地建設技術標準，使得風電場具備有功控制、無功電壓控制和低電壓穿越能力，緩解大規模風電集中并網對于電力系統安全穩定的影響，促進大規模風電基地持續、穩定、健康發展。

［1］甘肅省電力公司.甘肅電網風電運行情況報告［R］.蘭州:甘肅省電力公司調度通信中心，2010.

［2］甘肅省電力公司.2010年甘肅電網新能源運行分析報告［R］.蘭州:甘肅省電力公司調度通信中心，2010.

［3］甘肅省電力公司.“2.24”橋西升壓站事故調查分析報告［R］.蘭州:甘肅省電力公司調度通信中心，2011.

［4］汪寧渤，馬彥宏，夏懿.甘肅酒泉10 GW風電基地面臨的巨大挑戰［J］.電力建設，2010，31(1):101-104.

［5］甘肅省電力公司，中國電力科學研究院.甘肅電網接納風電能力研究報告［R］.蘭州:甘肅省電力公司，2009.

［6］申洪.安西—酒泉—金昌—永登750 kV輸電系統動態無功補償研究［R］.北京:中國電力科學研究院，2009.

［7］申洪.哈密—安西750 kV輸電系統無功補償研究［R］.北京:中國電力科學研究院，2009.

［8］肖創英，汪寧渤，丁坤，等.甘肅酒泉風電功率調節方式研究［J］.中國電機工程學報，2010，30(10):1-6.

［9］Nielsen T S，Joensen A F，Madsen H，et al.A new reference for wind power forecasting［J］.Wind Energy，1999(1):29-34.

［10］馬彥宏，汪寧渤，劉福潮，等.甘肅酒泉風電基地風電預測預報系統［J］.電力系統自動化，2009，33(16):88-90.