大型風電并網的現狀與分析

杜華珠+石巍+袁晨

摘??要：隨著能源結構的改變，越來越多的風力發電機組接入電網。但是，風電出力具有隨機性和波動性，大量的風電接入電網為其發展帶來一系列的挑戰，比如調峰、調頻難度增大，電網運行控制困難，局部電網接入能力不足，電網穩定風險增大等。分析了風電機組接入系統后給電網造成的影響，并針對這些影響，論述了目前風機發電接入電網所需要解決的技術問題，考慮了風電場聯網的方式和輸電規劃、風電場聯網對電網的友好支持、風電場調度、低電壓穿越、無功控制調節、風電場及電網儲能、風電場發電計劃、風能占電網規模的比例和影響、風電電能質量等多方面的技術問題，為解決風力發電機組大規模接入系統提供了參考依據。

關鍵詞：風能;風機發電;并網;裝機容量

中圖分類號：TM614??????????????文獻標識碼：A???????????????DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.01.001

風能是因空氣流做功而產生的一種可利用能量。它作為一種無污染和可再生的新能源，有巨大的發展潛力，特別是對沿海島嶼、交通不便的邊遠山區、地廣人稀的草原牧場，以及遠離電網和近期電網還難以到達的農村、邊疆。作為解決生產和生活所需能源的一種可靠途徑，它的存在有十分重要的意義。

目前，風力發電的快速發展，一方面，緩解了來自能源需求和環境保護的壓力，對優化能源結構，實現二氧化碳減排起到了積極的作用;另一方面，由于風電出力具有隨機性和波動性，大量的風電接入電網會使電網面臨一系列的挑戰，在風電傳輸過程中會對電力系統的穩定運行產生一定的影響，降低電力質量。所以說，這種不良影響會隨著風電滲透率的增大而逐漸擴大。針對這一情況，分析了風電接入系統后對電網帶來的影響，并結合分析結果提出了目前風電并網技術需要解決的問題，為建設風力發電機組大規模接入系統提供了參考和理論依據。

1??風力發電的發展

自1973年第一次石油危機以來，在常規能源告急和全球生態環境惡化的雙重壓力下，風能作為新能源的一部分，已經取得了長足的發展。2004年起，風力發電更成為了所有新式能源中最便宜的能源之一。2001年，風力能源的成本已經降到20世紀六七十年代的1/5，而且隨著大瓦數發電機的使用，下降趨勢還會持續。到2008年，全世界的風能發電約有9.4×108?kW，供應的電力也已超過了全世界用量的1%.

風力發電自20世紀80年代開始，受到了歐美各國重視，至今全球風力發電量以每年30%的驚人速度快速增長。圖1為截至2012年，全球各國風力發電裝機的容量。從圖中可以看出，全球的裝機容量一直保持較快的增長。圖1??全球歷年風電裝機容量圖

2005年，我國頒布了《可再生能源法》。在往后的4年時間里，全國風電裝機容量由126?kW增長到了1.221×107?kW，以每年一番的速度發展，遠遠高于世界風電平均發展速度。2009年，我國當年的新增裝機容量位列世界第一，累計世界第二。截至2012年底，我國風電累計核準容量1.067?0×108?kW，并網6.266×107?kW，在建4.404×107?kW。2012年，上網電量為1.008×1010?kW·h，全國風電累計裝機量占全球市場的23%，位列世界第一。圖2為我國歷年風電裝機容量。圖2??我國歷年風電裝機容量圖（單位：MW）

2??大型風電并網對電網的影響

2.1??增大調峰、調頻難度

風電的隨機性強、間歇性明顯、波動幅度大、波動頻率無規律性，大大增加了調峰、調頻的難度。

風電反調峰特性增加了電網調峰的難度。風電接入后，電網一年間峰谷差變大的時間延長了，同時，由于調峰容量不足，我國絕大部分地區的電網都出現過低負荷時段棄風的情況。

風電的間歇性、隨機性增加了電網調頻的負擔。風電出力波動頻繁，在短時間內可能會出現較多波動，這大大增加了電網調頻的壓力和常規電源調整的頻次。

2.2??電網運行控制有困難

據統計，受風電的影響，蒙西電網錫盟灰騰梁風電基地沿線變電站220?kV母線電壓全年維持在額定電壓的1.1倍;新疆電網達風變110?kV系統電壓長期在113?kV以下。為了支撐110?kV系統的電壓，達風變220?kV母線電壓不得不全年維持在238?kV以上，運行電壓調整十分困難，也對輸變電設備安全造成了威脅。風電場運行過度依賴系統無功補償，限制了電網運行的靈活性。

2.3??局部電網接入能力不足

風電場大多處于電網末梢，大規模接入后，風電大發期大量上網，電網輸送潮流加大，重載運行線路增多，熱穩定問題逐漸突出。

2.4??風機抗擾動能力差

當系統發生小擾動時，風電機組退出運行，使電網承受第二次沖擊，導致事故擴大，增加了電網遭受沖擊的頻次。

2.5??增加電網穩定風險

風電的間歇性、隨機性增加了電網穩定運行的潛在風險，具體包括以下三點：①風電引發的潮流多變，增加了有穩定限制的送電斷面的運行控制難度;②風電發電成分增加，導致在相同的負荷水平下，系統的慣量下降，影響電網動態的穩定;③在系統發生故障后，風電機組可能無法重新建立機端電壓，失去了穩定性，從而破壞了地區電網電壓的穩定性。

3??風電并網技術問題

面對風電接入電網所帶來的種種不利影響，要降低這些影響帶來的后果，實現風電的大規模并網，要有效解決這一系列亟待解決的技術問題。

3.1??風電場聯網方式和輸電規劃

電場聯網方式包括接入電網的聯網點電壓、聯網點位置、聯網風電規模、交流/直流聯網等。根據目前國外和國內的研究成果，這與接入電網的規模、旋轉備用、儲能系統配置等有一定的聯系。這是一個可再生能源與電網規劃的問題，目前，這一方面主要是依靠仿真軟件實現。風電場聯網方式如圖3所示。

圖3??風電場聯網方式

輸電規劃問題主要是指大規模風電的長距離、弱連接的遠距離輸電、海上風電并網和電力市場的風電跨區交易問題。

3.2??風電場聯網對電網的友好支持

風電場屬于不穩定能源，受風力、風機控制系統的影響很大，特別是在高峰負荷時期，風電場可能出力很小，而非高峰負荷時期，風電場可能出力很大。因此，必須提供足夠的手段保障電網的安全、穩定運行，否則，風電場聯網后將嚴重影響電網的安全。同時，電網也會對大規模風電場的運行性能指標，比如爬坡速率、下降速率、功率波動和無功支撐能力等提出要求。

3.3??風電場調度

由于風電場一般分布在偏遠地區，呈現多個風電場集中分布的特點，每個風電場都類似于一個小型的發電廠，可以將其模擬成一臺臺的等值機，這些等值機對電網的影響因機組本身性能的差別而不同。為了實現這些分散風電場的接入，歐洲提出了建立區域風電場調度中心的要求，而我國目前只是對單個的風電場建立運行監控。隨著風電場布點的增多和發電容量的提高，類似火力發電的監控中心，我國很有可能會建立獨立的風電運行監控中心。風電場運行監控中心與電網調度中心的協調和職責劃分也是未來需要明確的主要問題。

3.4??低電壓穿越（LVRT）

當風力發電機并網點電壓跌落時，風機能夠保持低電壓穿越并網，甚至可以向電網提供一定的無功功率，以支持電網恢復，直到電網恢復正常。“穿越”這個低電壓的時間就是風機的低電壓穿越。低壓穿越原理如圖4所示。

隨著風電場規模的擴大，當電網發生故障時，以1型和2型風機為主的風電場需要提供集中或分散的動態無功補償裝置，避免此類風機脫離電網而停機;3類和4類風機的設計和運行參數設置要滿足WECC?LVRT標準的要求。國際上最新的

WECC?LVRT標準已經于2009-04-28討論表決通過了。

圖4??低壓穿越原理圖

在此基礎上，各國的低壓穿越標準也有所不同，我國對風電場低電壓穿越的要求是：①當風電場內的風電機組在并網點電壓跌至20%額定電壓時，能夠保持并網運行625?ms的低電壓穿越能力;②當風電場并網點電壓在跌落后3?s內能夠恢復到額定電壓的90%時，風電場內的風電機組保持并網運行，接近AWEA（American?Wind?Energy?Association）的標準。各國低壓穿越標準如圖5所示。

圖5??各國低電壓穿越標準

3.5??風機技術對無功控制調節的影響

風機技術的發展也為無功控制調節帶來了新問題。安裝傳統異步發電機和帶有可變轉子阻抗的線繞式轉子異步發電機的風電場，需要配置與發電功率相當的集中動態無功補償或分散無功補償裝置。對于安裝雙饋異步發電機和全功率逆變連接/直驅型風機的風電場，由于其具備了LVRT性能的要求，所以，當電網發生故障時，要求參與電網的無功功率補償可以維持系統電壓。根據不同的風電場、風機類型和風機群組合進行無功分配和協調控制，是風電場運行中的重點和難點。

3.6??風電場及電網儲能

要想平衡發電和用電之間的偏差，就要平衡功率。對平衡功率的需求是隨著風電場容量的增加而同步增長的。根據不同國家制定的規則，風電場業主、電網企業將負責提供平衡功率，一旦輸電系統調度員與業主、電網企業簽約，它將成為整個電網的一部分，由所有消費者承擔。

加州ISO建議由第三方提供儲能設備，政府也為此制訂了相應的優惠政策。因為一般的儲能設備除了飛輪儲能（80%～90%）外，多數最多只能達到75%的能源轉換效率。因此，如果要讓風電場業主或電網業主增加儲能設備，必須要制訂相應的補償和優惠政策。

3.7??發電計劃占電網規模的比例和影響

電網的系統頻率和AGC調頻與風電場的出力密切相關，因此，準確預測每天的風電場出力并實時進行經濟調度，是風電場監控中心和電網調度中心的重要工作之一。隨著風電場規模的擴大，歐洲、美國等國同樣面臨風電場調度和發電計劃編制的問題。因此，要與氣象預報系統緊密聯系，即使是大規模的風電場，每天風力發電預測的誤差也可達到7%～9%.?電網側如

何進行實時風力發電預測和實時經濟調度也是一個重點問題。

原則上講，電網有多大的備用容量就可以接入多大規模的風電場。為了提高電網容納可再生能源的比例，并保持電網的安全、穩定運行，一方面，電網需要增加抽水蓄能電站，快速啟動燃氣電站的建設;另一方面，風電場要裝備本地儲能設備，增加機組的控制能力，滿足在各種運行狀態下對電網安全、穩定運行的要求。因此，此問題應由電網側、風電場側和與風力發電有關的利益方共同解決。

3.8??風電電能質量

風力發電接入系統的電能質量也要達到系統的要求，具體考核內容包括電壓偏差、電壓變動、諧波和閃變等。

3.9??并網標準適應性

目前，各國并沒有一個完全一致的并網標準，因此，各個電網需要根據通用導則和本身的電網接入條件，確定可再生能源聯網的具體細則。這需要通過大量的、各種規模的風電場接入仿真研究工作來確定，所以，必須要借助仿真系統來實現。

3.10??海上輕型直流輸電并網

隨著風機技術和風力發電技術的發展，海上風力發電技術也在發展迅速。歐洲的海上風力發電裝機容量在2015年將達到2.5×107?kW，預計2020年將達到4.3×107?kW，2030年要達到1.17×108?kW。而我國近海和三峽水上大型風電場也將大量投產。

由此可見，海上風電場聯網是一個值得重點考慮的問題。歐洲計劃采用網格式的HVDC聯網工程將未來歐洲海上風電并網，而我國的海上風電聯網問題也是電網規劃中一項重要研究內容。

4??結束語

隨著風力發電機組大量接入系統，為電網建設帶來了一系列的挑戰。文中具體分析了風電機組接入系統后為電網帶來的影響，主要包括風電接入系統增大了電網調峰、調頻的難度;大規模風電場接入電網，電網運行控制遇到了很大的困難;局部電網接入能力不足;風機抗擾動能力差，影響電網的運行安全;增加了電網穩定運行的風險。

為了降低這些問題的影響力，還有一系列技術問題亟待解決，主要包括風電場聯網的方式和輸電規劃、風電場聯網對電網的友好支持、風電場調度、低電壓穿越、無功控制調節、風電場及電網儲能、風電場發電計劃、風能占電網規模的比例及影響和風電電能質量等多方面的技術問題。

隨著大規模風電接入電網，電網的運行控制受到了嚴重的影響。在大力發展風力發電的同時，應加強相關技術的研究，建設統一的智能電網，并且應努力建立或完善相關政策法規和標準體系，保障風電與電網的和諧發展，保證電網的安全、穩定運行。

參考文獻

[1]王承煦，張源.風力發電[M].北京：中國電力出版社，2005.

[2]張麗英，葉廷路，辛耀中，等.大規模風電接入電網的相關問題及措施[J].中國電機工程學報，2010，30（25）：3-11.

[3]易躍春.風力發電現狀、發展前景及市場分析[J].國際電力，2004，8（5）：18-22.

[4]李俊峰，蔡豐波，唐文倩，等.風光無限：中國風電發展報告2011[M].北京：中國環境科學出版社，2011.

[5]寇興魁.酒泉風電脫網事故原因及應對措施[J].上海電力學院學報，2011，27（4）：323-326，358.

[6]何世恩，董新洲.大規模風電機組脫網原因分析及對策[J].電力系統保護與控制，2012，40（1）：131-137，144.

[7]劉楊華，吳政球，涂有慶，等.分布式發電及其并網技術綜述[J].電網技術，2008，32（15）：71-76.

[8]?Anca?D?Hansen，Clemes?Jauch，Poul?S?Rensen.Dynamic?wind?turbine?models?in?power?system?simulation?tool?Dig?SILENT[D].Roskilde：Ris?National?Laboratory，December?2003.

[9]黃偉，孫郝輝，吳子平，等.含分布式發電系統的微網技術研究綜述[J].電網技術，2009，33（9）：14-18，34.

[10]關宏亮，趙海翔，王偉勝，等.風電機組低電壓穿越功能及其應用[J].電工技術學報，2007，22（10）：173-177.

[11]胡家兵，賀益康.雙饋風力發電系統的低壓穿越運行與控制[J].電力系統自動化，2008，32（2）：49-52.

[12]A.D.Hansen，Gabriele?Michalke.Fault?ride-through?capability?of?DFIG?wind?turbines[J].Renewable?Energy，2007（32）：1594-1610.

[13]胡書舉，李建林，許洪華.變速恒頻風電系統應對電網故障的保護電路分析[J].變流技術與電力牽引，2008（1）：?46-50，55.

[14]Muyeen?S?M，Rion?Takahashi，Toshiaki?Murata.A?variable?speed?wind?turbine?control?strategy?to?meet?wind?farm?grid?code?requirements[J].IEEE?Transactions?on?Power?Systems，2010，25（1）：331-340.

[15]Mohseni?M，slam?S，Masoum?MAS.Fault?ride-through?capability?enhancement?of?doubly-fed?induction?wind?generators[J].IET?Renewable?Power?Generation，2011，5（5）：368-376.

[16]薛若萍.美國智能電網及政策策略建議[J].電力需求側管理，2010，12（2）：77-80.

[17]Chen?Z，Spooner?E.Grid?power?quality?with?variable?speed?wind?turbines[J].IEEE?Transactions?on?Energy?Conversion，2001，16（2）：148-154.

[18]李曉燕，余志.海上風力發電進展[J].太陽能學報，2004，25（1）：78-84.

[19]肖運啟，賈淑娟.我國海上風電發展現狀與技術分析[J].華東電力，2010，38（2）：277-280.

〔編輯：白潔〕

Large-scale?Wind?Power?Status?Quo?and?Analysis

Du?Huazhu，?Shi?Wei，?Yuan?Chen

Abstract：?With?the?change?in?the?energy?mix，?more?and?more?wind?turbines?connected?to?the?grid.?However，?the?wind?power?output?randomness?and?volatility，?a?lot?of?wind?power?connected?to?the?grid?for?its?development?has?brought?a?series?of?challenges，?such?as?peak?shaving，?FM?difficulty?increases，?the?power?grid?control?difficulties，?lack?of?access?to?the?local?power?grid?capacity，?grid?stability?increased?risk?and?so?on.?After?analysis?of?the?impact?of?wind?turbines?to?the?grid?due?to?access?system?and?for?these?effects，?discuss?the?current?technical?issues?fan?power?connected?to?the?grid?to?be?solved，?considering?the?way?the?wind?farm?and?transmission?network?planning，?wind?farm?grid?interconnection?friendly?support，?wind?farm?scheduling，?low?voltage?ride?through，?reactive?power?control?and?regulation，?wind?farms?and?grid?energy?storage，?wind?farm?power?generation?plan，?wind?power?accounted?for?the?proportion?of?the?scale?and?impact?of?wind?power?quality?and?other?aspects?of?technical?problems?to?solve?large-scale?wind?turbine?access?system?provides?a?reference.

Key?words：?wind;?fan?power;?grid;?capacity