風(fēng)能發(fā)電在電力系統(tǒng)中的特點(diǎn)

劉淺

摘要：風(fēng)能是一種清潔的、有可靠成本效益的發(fā)電資源，具有很高的環(huán)境效益和社會(huì)效益。隨著風(fēng)電技術(shù)發(fā)展，我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量不斷上升，風(fēng)力發(fā)電將逐步成為電力系統(tǒng)重要的電力來(lái)源。但受自然、技術(shù)等因素影響，風(fēng)力發(fā)電引起的電壓波動(dòng)、閃變和諧波等電能質(zhì)量問題阻礙了其發(fā)展。本文結(jié)合風(fēng)電的運(yùn)行特點(diǎn)，風(fēng)電的并網(wǎng)方式，風(fēng)電調(diào)頻調(diào)峰以及風(fēng)電調(diào)度對(duì)風(fēng)電在電力系統(tǒng)的特點(diǎn)作出分析。

0引言

新能源的使用正在逐步為人們所重視，光伏、風(fēng)電等新能源發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)容量也在逐年擴(kuò)增，根據(jù)往年的數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)在2020年左右風(fēng)機(jī)的裝機(jī)容量將達(dá)到2億千瓦。但大規(guī)模風(fēng)電具有隨機(jī)波動(dòng)性以及不可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)性，造成了電力系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行方面的困難，由于風(fēng)電場(chǎng)和電網(wǎng)建設(shè)不同步、風(fēng)電特性和電網(wǎng)調(diào)峰能力不匹配等原因，在一些地區(qū)出現(xiàn)了棄風(fēng)現(xiàn)象，造成了能源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失，導(dǎo)致棄風(fēng)消納問題在中國(guó)的形勢(shì)極為嚴(yán)峻。針對(duì)風(fēng)電運(yùn)行的特點(diǎn)，可以優(yōu)化風(fēng)電調(diào)頻，進(jìn)行風(fēng)電功率預(yù)測(cè)，設(shè)計(jì)風(fēng)電接入電網(wǎng)的序列優(yōu)化調(diào)度，完成風(fēng)電并網(wǎng)后從不同時(shí)間尺度上通過優(yōu)化達(dá)到經(jīng)濟(jì)、可靠、安全運(yùn)行的目標(biāo)。

1風(fēng)電運(yùn)行特點(diǎn)

（1）風(fēng)電出力具有隨機(jī)性、波動(dòng)性，風(fēng)電出力隨機(jī)性及波動(dòng)性明顯。波動(dòng)幅度大并且波動(dòng)頻率也無(wú)規(guī)律性;

（2）風(fēng)電出力有時(shí)與電網(wǎng)負(fù)荷呈現(xiàn)明顯的反調(diào)節(jié)特性一“高風(fēng)速或低負(fù)荷”;

（3）受氣象因素影響，風(fēng)電出力日間可能波動(dòng)很大，以至于在極端情況下，風(fēng)電出力可能在0～100%范圍內(nèi)變化;

（4）風(fēng)電年利用小時(shí)數(shù)偏低，風(fēng)電場(chǎng)年利用小時(shí)數(shù)參差不齊，一般在2000h左右。我國(guó)2018年風(fēng)電年平均利用小時(shí)數(shù)為2095;

（5）風(fēng)電功率調(diào)節(jié)能力差，風(fēng)電功率特性決定風(fēng)機(jī)出力隨風(fēng)力變化而變化，風(fēng)機(jī)在采用不棄風(fēng)的方式下，只能提供系統(tǒng)故障狀況下的有限功率調(diào)節(jié)。機(jī)組本身的運(yùn)行特性和風(fēng)資源的不確定性，使得風(fēng)電機(jī)組不具備常規(guī)火電機(jī)組的功率調(diào)節(jié)能力。

2風(fēng)電并網(wǎng)的方式

風(fēng)電并網(wǎng)主要有兩種方式：分散接入方式、集中接入方式

（1）分散接入主要用于風(fēng)電開發(fā)規(guī)模小，以就地消納為主的情況，這種方式下，風(fēng)電接入電壓等級(jí)低對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行造成的影響也比較小。目前，歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家大多采用分散接入，歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家大力發(fā)展風(fēng)電等可再生能源的主要目的是應(yīng)對(duì)氣候變暖和減少碳排放。這些國(guó)家電網(wǎng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，負(fù)荷需求增長(zhǎng)緩慢。開發(fā)風(fēng)電主要是替代常規(guī)電源，因此除近期集中開發(fā)的大規(guī)模海上風(fēng)電場(chǎng)采用高電壓遠(yuǎn)距離輸送外，風(fēng)電大多分散接入，就地消納，不存在大量風(fēng)電接入后的電網(wǎng)大規(guī)模改造問題。

（2）集中接入主要用于風(fēng)電開發(fā)規(guī)模大，以異地消納為主的情況。風(fēng)電接入電壓等級(jí)高，主要為遠(yuǎn)距離輸送，對(duì)系統(tǒng)的影響比較大。目前，我國(guó)風(fēng)電已由發(fā)展初期的小規(guī)模、分散接入逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇笠?guī)模、集中接入，我國(guó)風(fēng)能資源主要分布于“三北”及東南沿海地區(qū)，大多遠(yuǎn)離負(fù)荷中心。根據(jù)我國(guó)風(fēng)電資源的分布情況，按照“建設(shè)大地基、融入大電網(wǎng)”的規(guī)劃布局，考慮初步在內(nèi)蒙古、甘肅、河北、吉林、等省區(qū)建設(shè)若干百萬(wàn)千瓦和千萬(wàn)千瓦的風(fēng)電基地。這些風(fēng)電基地大都遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，需要依托更高電壓等級(jí)，大規(guī)模遠(yuǎn)距離輸送。

3風(fēng)電機(jī)組的調(diào)頻與調(diào)峰

（1）風(fēng)電機(jī)組的調(diào)頻能力：風(fēng)電機(jī)組輸出的有功功率主要隨風(fēng)能變化而調(diào)整。一般情況下，風(fēng)電機(jī)組均不參與系統(tǒng)的調(diào)頻過程。德國(guó)只要求風(fēng)電機(jī)組在高頻時(shí)候可以減出力;英國(guó)也要求參與調(diào)頻，但一般不用;丹麥要求在大規(guī)模、集中接入，遠(yuǎn)距離輸送的大型風(fēng)電場(chǎng)留有一定的裕度，不近參與調(diào)頻而且參與調(diào)峰。目前，我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)沒有對(duì)于風(fēng)電機(jī)組參與系統(tǒng)調(diào)頻提出要求，現(xiàn)有運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組均不參與系統(tǒng)調(diào)頻過程。

風(fēng)電機(jī)組調(diào)頻能力對(duì)電網(wǎng)的影響：由于風(fēng)電機(jī)組不能有效參與電網(wǎng)頻率的調(diào)整，電網(wǎng)頻率的調(diào)整必須有傳統(tǒng)電廠分擔(dān)。在大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)的情況下，隨著風(fēng)電裝機(jī)容量在電網(wǎng)中比重增加，參與電網(wǎng)調(diào)頻電源容量的比例顯著下降，需要同步配套相應(yīng)容量的調(diào)頻電源。

（2）風(fēng)電對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰的影響：由于風(fēng)電具有隨機(jī)性、間歇性、反調(diào)節(jié)性及波動(dòng)大的特點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)調(diào)峰的影響主要表現(xiàn)在：大規(guī)模風(fēng)電接入導(dǎo)致電網(wǎng)等效負(fù)荷峰谷差變大，客觀上需要增大調(diào)峰容量。風(fēng)電的反調(diào)節(jié)特性進(jìn)一步加大了對(duì)系統(tǒng)調(diào)峰容量的需求。分析德國(guó)的電源結(jié)構(gòu)可以得出，燃油、燃?xì)狻⑺姷瓤焖僬{(diào)節(jié)電源占有比較大的比例，具有較強(qiáng)的調(diào)峰能力，為風(fēng)電的開發(fā)利用提供了較好的基礎(chǔ)條件。目前，我國(guó)的快速調(diào)節(jié)機(jī)組所占比例比較低，大規(guī)模風(fēng)電集中接入將增加電網(wǎng)調(diào)峰壓力，必須配套建設(shè)相應(yīng)容量的調(diào)峰電源。

4風(fēng)電功率的預(yù)測(cè)

風(fēng)電功率預(yù)測(cè)的目的：從電力系統(tǒng)運(yùn)行角度看，風(fēng)電功率預(yù)測(cè)就是對(duì)風(fēng)電出力隨機(jī)波動(dòng)性的一種建模。

風(fēng)電功率預(yù)測(cè)的方法：風(fēng)電功率預(yù)測(cè)是指采用數(shù)值天氣預(yù)報(bào)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率進(jìn)行預(yù)測(cè)。數(shù)值天氣預(yù)報(bào)是利用大氣動(dòng)力學(xué)以及熱力學(xué)的基本原理，結(jié)合天氣實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，采用數(shù)值計(jì)算方法做出天氣預(yù)報(bào)的一門科學(xué)。

電網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)應(yīng)用風(fēng)電功率預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)結(jié)果，綜合考慮系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè)，結(jié)合電網(wǎng)和電廠運(yùn)行工況，最大限度的保障風(fēng)電全額消納——系統(tǒng)調(diào)度問題。風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)具備在線有功功率調(diào)節(jié)能力，能夠自動(dòng)執(zhí)行調(diào)度機(jī)構(gòu)下達(dá)的發(fā)電計(jì)劃，保證發(fā)電功率在發(fā)電計(jì)劃允許偏差范圍內(nèi)——風(fēng)電場(chǎng)調(diào)度問題。

5結(jié)語(yǔ)

風(fēng)電并網(wǎng)后，由于風(fēng)速的隨機(jī)性降低了發(fā)電機(jī)組的可控性，且目前風(fēng)電場(chǎng)出力預(yù)測(cè)精度很難滿足電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的需要，因此大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)時(shí)，電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)調(diào)度計(jì)劃需要做出相應(yīng)的調(diào)整，并且應(yīng)當(dāng)輔以合理有效的發(fā)展政策，這樣不僅能夠促進(jìn)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展，而且能夠緩解現(xiàn)有的能源危機(jī)和環(huán)境污染問題。