大范圍接入風電與電網運行的相互影響作用研究現狀

黃云虹

（三峽大學電氣與新能源學院，湖北宜昌443002）

0 引 言

隨著我國經濟的發展，電力行業突飛猛進，電力系統的容量和覆蓋范圍日趨增大，我國電力系統已步入以大機組、超高壓和跨區域互連為特征的大電網時代。然而，一方面電力增長仍遠遠落后于電力需求的增長；另一方面這種電網結構的弊端也初現端倪。其弊端表現在：（1）對于偏遠地區的負荷不能進行理想的供電；（2）不能靈活跟蹤負荷的變化，發輸電設施的利用率下降；（3）大型互聯電力系統中局部事故容易擴散，導致大面積的停電事故。

風電大范圍接入電網既是解決傳統電網現有問題的途徑，也是國家發改委和國家電網公司的能源政策要求。其中，可再生能源發展“十二五”規劃提出到2015年我國風電總裝機容量達到1億千瓦，年發電量達到1 900億千瓦時的目標［1］。據國家發改委發布的報告顯示：2014年中國風電累計并網裝機容量達到9 637萬千瓦，占全國總裝機量的7%［2］。2015年4月，國家電網公司發布《國家電網公司促進新能源發展白皮書》表明國家電網公司的新能源計劃：每年建設2 700萬千瓦新能源并網工程、光伏發電1 000萬千瓦裝機的并網；2015年開工建設7條新能源配套跨區輸電通道等。由此可見，大范圍風電接入電網不僅是解決當前傳統電網問題的需要，也是對國家發改委和國家電網公司相關政策的積極響應。

1 國內研究發展現狀

1.1 大規模風電并網對輸電網的影響

我國風電開發規模已居于世界首位，但對于大規模風電并網問題的研究還基本處于起步階段［3，6］。2010年開始的國家高技術研究計劃（863計劃），智能電網關鍵技術部署了針對大規模可再生能源并網的研究，主要包括電網規劃、運行調度、柔性直流輸電技術應用以及風電場集群控制等內容。隨后于2011年，國家重點基礎研究計劃（973計劃）部署了有關大規模風電并網基礎科學問題的研究，主要內容包括風電爬坡預測、電源靈活性規劃、基于不確定性的運行調度、系統穩定、故障穿越與保護以及大規模儲能需求與控制等方面。由于風電出力本質的波動性和不確定性，國內研究機構也開展了對系統潮流重新分布、電網結構規劃和調度策略、運行安全和緊急控制手段、穩態運行電壓穩定性等方面的研究［7-9］。

1.2 大范圍風電并網對配電網的影響

在可再生能源發電并入配電網的研究方面，國家重點基礎研究計劃（973計劃）于2009年部署了有關分布式發電供能系統的研究，主要內容包括分布式電源與電網相互作用機理、配電網規劃、配電網控制與保護以及配電網能量管理等方面。同樣，國家高技術研究計劃（863計劃），智能電網關鍵技術研究于2010年部署了針對分布式可再生能源發電并網的研究，主要包括區域電網接入可再生能源、建筑光伏發電并網以及含分布式電源的微電網等內容。由于資源分布的因素，我國可再生能源開發以大規模高集中遠距離方式為主［10-12］，相關研究工作無疑會受到現場運行經驗較少的局限［13-15］。

1.3 分布式電源并網標準

國家電網公司出臺的《分布式電源接入電網技術規定》適用于35 k V以下配電網系統，適應范圍內的電源分兩類：10 k V（6 k V）～35 k V電壓等級并網和380 V電壓等級并網，分別在接入系統原則、電能質量、功率控制和電壓調節、電壓電流與頻率響應、安全、繼電保護與安全自動裝置、通訊與信息、電能計量和并網檢測方面提出不同的技術要求。

1.4 電網公司運營機制

國內也有過關于分布式電源接入后市場的競價機制等相關研究。但缺少從電網公司角度考慮的接入分布式發電的電網公司運營模式的深入研究以及相關管理辦法制定的研究。

2 國外研究發展現狀

2.1 大規模風電并網對輸電網的影響

歐美等國對于大規模風電接入輸電網對供電充裕性以及運行穩定性影響進行了大量的研究，包括相關國家和地區組織如國際能源組織（IEA）、歐共體研究開發框架計劃、歐洲風能協會、美國風能協會、美國能源部、美國電力可靠性協會（NERC）等，相關研究機構如丹麥國家可持續能源實驗室（Riso）、挪威皇家科學院（SINTEF）、美國國家可再生能源實驗室（NREL）等，相關設備制造商如美國通用電氣（GE）、丹麥Vestas、德國西門子（SIEMENS）等。大規模的研究項目諸如歐洲的EWIS、TRADEWIND、TWENTIES、DENA GRID、ALL ISLAND GRID、WILMAR等，美國的EWITS、WWISS、IVGTF等。這些研究對于深入認識風電出力在不同時空尺度的特征，系統性地掌握風電并網后對電網的影響，以及制定相應的應對策略都取得了大量的成果［16-18］。但由于歐美等國的風電以分布式開發并入強電網為主，對于高集中度開發、遠距離輸電情況下的并網問題則研究得較少。

2.2 大范圍風電并網對配電網的影響

對于可再生能源發電并入配電網的情況，歐美等國的研究工作開展得更早，包括相關研究機構和制造商如德國太陽能研究所（ISET）、荷蘭能源研究所（ECN）、美國國家可再生能源實驗室（NREL）、美國通用電氣（GE）等都持續開展了大量的研究工作。大規模的研究項目諸如歐共體研究開發框架計劃的DISPOWER、美國能源部的 REGIS、加州能源局的CERTS等［19］。正是基于這些研究工作，目前對于可再生能源發電并入配電網的情況下所帶來的特殊問題的認識及應對措施已趨于成熟［20-22］。但由于主動孤島運行的實際應用尚少見，對這種運行情況的研究還不夠全面。

2.3 分布式電源并網標準

美國電氣與電子工程師協會IEEE 1547及其系列規范涉及所有有關分布式電源互連的主要問題，主要包括：分布式電源電能質量、系統可靠性、系統保護、通訊、安全標準和計量標準等。其系列標準主要內容是：與電力系統互連一致性測試程序、應用、系統互連信息監測交流和控制、分布式孤島系統的設計、操作和集成、大于10 MVA分布式電源與輸電電網互連技術準則等。

2.4 電網公司運營機制

國外如美國、歐洲、日本等國家針對分布式電源接入有相關的管理辦法，由于各國國情如對能源的需求程度、電力市場環境等的不一樣，對分布式電源接入的激勵機制和激勵程度不一。一些研究機構對接入分布式電源后完全自由化的電力市場的系統運營模式、接入分布式電源后電網公司的運營模式以及增加盈利的措施進行了探討，由于我國的電力行業環境和其他國家的差別，其成果是否適用有待研究。

3 關鍵技術及難點

（1）風電接入輸電網的關鍵技術主要包括風電出力預測、電網備用容量規劃、電網運行調度等三個方面對供電充裕性的影響，以及電網故障特征辨識、風電動態響應特性與電網運行穩定性、電網安全防御等三個方面對運行穩定的影響。供電充裕性方面的研究難點在于風電出力爬坡及其不確定性的預測、應對爬坡的常規電源調節靈活度規劃、以及應對不確定性的電網運行調度策略三個方面。運行穩定性方面的研究難點在于高注入率情況下電網擾動的快速辨識、復雜擾動情況下電網穩定性分析控制、電網安全防御控制三個方面。

（2）可再生能源發電并入配電網的一般關鍵技術主要包括配電網的電壓水平控制、電能質量控制、繼電保護算法，以及孤島運行四個方面。研究難點主要包括可再生能源發電與無功補償及電壓調節裝置的協調控制、可再生能源發電設備之間及其與各種非線性負載間的動態相互作用及控制、低成本繼電保護配置、以及主動孤島運行及恢復控制等方面。通過對大規模風電接入配電網后在系統電壓、電能質量、繼電保護和網損等方面的研究，協調優化含風電的配電網經濟運行。研究的主要難點在于接入配電網的風電最大安裝容量和安裝位置的確定、為維持電壓和頻率穩定的風電有功和無功的控制以及電能質量檢測治理技術。

（3）探討包括交流110 k V以上的輸電網的更廣泛電壓等級并網的分布式電源并網規范與標準，在不同并網點以及即插即用的電源運行方式下，對分布式電源的不同技術要求、技術規范和標準應充分保證分布式電源的靈活性和電網的可靠性。主要難點包括已有的標準是否適合深圳地區電力網絡，輸電網與配電網不同并網點和運行方式的技術規范等。

（4）結合實際情況，研究綜合考慮相關法規、政策、經濟性等多方因素約束下的電網公司對分布式電源的管理辦法，以及在新環境下電網公司的業務拓展方式，達到兼顧多方利益，保障電網的可靠安全運行，促進電網公司積極主動參與分布電源的接入并盈利的目標。

4 結 論

大力發展可再生能源發電是我國低碳發展戰略的重要組成部分。本文對大范圍接入分布式風力發電對區域輸電網以及配電網在穩定性、電能質量以及故障保護等方面的影響進行研究。從國內和國外兩個方面對大范圍風電并網對電網運行的影響進行了調研和總結。從大規模風電并網對輸電網的影響、大范圍風電并網對配電網的影響、分布式電源并網標準以及電網公司運營機制這四個具體方面進行了說明。最后，針對這四個方面，總結和討論了大范圍接入分布式風力發電的關鍵技術和難點，為工程應用提供一定的參考。

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