基于風電的不確定性對電力系統的影響分析

紀代穎

（中閩(福清)風電有限公司,福建福清，350300）

0 引言

風電從較高的輸出水平降低到較低水平或停運將對電網的運行產生重大影響。風電的間歇性特征決定了風力發電的隨機波動特點。風電并入電網后，不具備傳統熱能發電穩定、可調度的特點。對于電網而言，風電的波動出力更像是對負荷的負面擾動。因此，電網中的常規電源不僅需要為負載波動預留足夠的裕度，但也要考慮為風電場預留一定的儲備，以平衡大量風電注入電網后風力發電量的變化。當風電場生產波動較大時，需要將其他發電廠送至電網，以改變出力水平，以平衡風電出力的變化。特別是在負荷較低的情況下，常規電廠機組已經調整到較低的出力，如果目前風力發電廠的出力顯著增加，如果常規電力能夠進一步減少出力并讓風力發電承擔負荷來決定了電網接受風能的能力。低負荷常規機組的調峰能力是限制省級電網接受風能能力的關鍵條件。大規模開發風力發電有助于解決能源枯竭和環境污染問題。受風能資源隨機變化的影響，風力發電具有不確定性。對于電力系統而言，風力發電始終是一種不可控的能源，隨著并網風電的納入風力發電所帶來的不確定性對于電力系統的安全性和充裕性構成了影響。隨著氣候和環境因素與系統安全性和充裕性之間的相關性日益增強，分析風電特性和研究相應的檢測和預防及應對風電的不確定性，已成為亟待解決的重要問題[1]。

1 風電概述

風力發電是新能源的一種不需要使用燃料，也不會產生輻射或空氣污染，基于風力發電清潔無污染、資源豐富、永不枯竭且技術最為成熟，所以也正在成為全球的一個熱潮[2]。近年來由于煤炭、石油等傳統資源的不斷減少，尋找新能源成為了人們關注的焦點，風能資源以經濟環保、不浪費非再生能源（如煤炭、石油）的特點，迅速成為了全球新能源的代表。加之我國風能資源豐富、可開發性前景好和國家大力扶持，風電發展前途大好，成為我國現用第三大能源。風電主要缺點是受地域、氣候、天氣等因素的影響，相比傳統的火力發電，發電量小、發電不穩定，對電網沖擊較大，所以不確定性較大[3]。風能發電是一種特殊的能源類型，它以自然風為動力。風力資源的隨機性和間歇性決定了風力發電機組的輸出特性。作為一種異步發電機需要從系統中吸收無功功率，產出有功功率，對無功功率的需求隨著有功功率的變化而變化。當風電機組容量較小時，這些輸出特性對電網系統的影響并不明顯，但隨著風機容量在系統中所占比額的增加，風電機組對電網系統的影響將越來越明顯。本文中主要從對頻率偏差的影響、、對電網電壓偏差的影響、對電壓波動的影響、對電網經濟運行的影響、對電力系統自動控制的影響、對電網穩定性的影響、等幾個方面論述并網風電場對電力系統的影響分析。

2 風電不確定性原因分析

由于風電場的裝機容量非常有限，每個小型風電機組的裝機容量通常為2-5MW左右。通常一個風電場由數百個單獨的小型機組構成，這也是它與傳統火力發電廠的不同之處。風力發電不確定性因素包含內部和外部，內部不確定性因素為波動性、間歇性及隨機性等；外部不確定性因素為風電功率輸出和風機故障等。基于風力發電廠的內部和外部不確定性因素將導致風力發電廠并網后增加了電力系統的隨機性，具體如下：

（1）風能不可控。風能以自然風為動力，受平均風速、脈沖風速、風向等氣象條件影響較大。自然風的風能不可控、不利大量儲存。因此，不能根據電網負荷的需求調整風電機組的出力來滿足電網負荷的需求，它只能在有限的范圍內進行調整。

（2）功率輸出不穩定。由于風速的波動性、間歇性和不可預測性，功率輸出不穩定和隨機。一般認為風能只能提供電力，而不能提供有效的發電能力。功率輸出與風機轉速關系曲線圖如1所示。

（3）從電網的角度來看，接入的風電場相當于影響電網可靠運行的隨機干擾源。

（4）自身結構帶來的不確定性，風機軸系變形或者扭曲、松弛以及諧振等都會影響風機的輸出功率。

（5）風電系統除內部不確定性因素外，還會有一些外部不確定性因素如：風電場構建結構的布局排列和固有地形地貌、電網負荷的需求和調峰、設備本身故障、繼電保護誤動作以及人為誤動作等。

綜上分析所述表明：風電的內部不確定性主要體現在風速的波動性、間接性以及高度隨機性，而外部不確定性體現在風電功率輸出和風機故障等。不管是內部的不確定性還是外部不確定性都會直接或者間接的對電力系統產生不同程度的影響和增加隨機性。

3 風電不確定性對電力系統影響分析

3.1 對頻率偏差的影響

頻率偏差的概念：供電系統總負荷或其部分負荷正常改變，導致供電頻率偏離額定頻率的緩慢變動，通常稱為頻率偏差。國標GB/T15945-1995規定我國供電頻率允許偏差系統正常頻率偏差允許值為±0.2Hz；當系統容量較小時，偏差值可以放寬到±0.5Hz；沖擊性負荷引起的系統頻率變動不得超過±0.1Hz[4]。頻率偏差Δfd表述公式為：

式中：f為實際頻率；f為額定頻率（50Hz）。

風電機組會因為各種不確定性原因進行突然停機操作。這種相對頻繁的投入和切出操作，使風電場所接入系統的潮流經常處于一種重新分配的過程，除影響電壓外，也在一定程度上影響系統的頻率。最嚴重的情況是整個風電場突然切出，造成瞬間電源和負荷的失衡，引起系統頻率瞬時降低。頻率降低的程度，與風電場裝機容量占總電源容量的比例及其占總負荷容量的比例，以及風電場切出時的風速有關。

3.2 對電網電壓偏差的影響

電力偏差概念為供電系統總負荷或者其部分負荷正常改變，導致供電電壓偏離額定電壓的緩慢變動。國標GB12325-1990規定我國供電電壓允許偏差：35Kv及以上供電電壓，正負偏差的絕對值之和不超過額定電壓的10%；10Kv及以下三相供電電壓，正負偏差的絕對值之和不超過額定電壓的7%[5]。

電力偏差ΔUd表述公式為：

式中：U為實際電壓；UN為額定電壓。

風力發電的輸出因風速降低等因素而變化。同時，目前國內大部分風電場都是建在電網末端，導致電力網絡結構相對薄弱。風機的變化和風的擾動會導致電網的電壓差產生沖擊，尤其是在風速穩定性差和故障模式下特別明顯，風能將影響電網的動態電壓。如果電力系統的電壓偏離額定值，則無功補償顯著降低。在此期間，風電場的無功功率需求超過電網，系統電壓差的進一步拉大導致電壓下降或者風機被迫停運。此外，若出現風電場整體輸出功率過大會降低電網的電壓安全性和穩定性，并容易導致故障停電或者系統癱瘓。以幾種風速大小為例，分析風速對風電場升壓站10千伏母線電壓影響量化表1所示：

表1 典型風速大小對風電場升壓站10千伏母線電壓影響量化表

微風風速突然變化，平均風速上升速率為5米／秒 0.21-3.64%小風風速逐漸變化，平均風速上升速率為8米／秒 0.52-10.7%大風風速逐漸變化，最大峰值速率為5米／秒 1.21-19.89%

3.3 對電壓波動的影響

電壓波動的概念：電壓波動為一系列電壓的周期性變化波動。電壓波動值ΔU為兩個極值Umax和Umin之差與額定電壓UN比值的百分比。國標GB/12326-1990規定我國電力系統公共并網點允許的電壓波動：10kV及以下為2.5%；35-110kV為2%；220kV及以上為1.6%[6]。電壓波動值ΔU表述公式為：

在可變風速的影響下，風電機組的功率輸出具有可變性，基于這一特性讓電力系統上局部節點（例如并聯節點）上引起電壓峰值波動，較為明顯的就是在風速變化明顯的微風和陣風情況下。并入電網的風電機組如果輸出功率產生波動必然對電網的電壓產生影響，風電機組輸出功率要主要因素歸結為：風速的驟變、塔影效應、風切變、偏航誤差等。

3.4 對電網經濟運行的影響

由于風電功率的隨機波動和風電功率的變化，為了確保電網用電用戶有保障，則電網必須增加并入電網風電場整體裝機容量保證有一定的備用，也就是并入電網風電機容量越多，則備用容量也就越大。2006年1月1日實施的《可再生能源法》規定，電網公司必須全額購買可再生能源。高于常規電力生產平均上網價格的成本差額計入銷售價格。據統計，風電場電價水平在（0.45-1.1元/kWh）之間，目前國內風電并網電價大致分為：成本利潤價；每次特許的投標價格；全省單一電價。與火電相比，風電上網的價格更高。風力發電生產的隨機性和不確定性會增加電網輔助服務的成本，如負荷跟蹤、頻率控制、備用容量、無功功率和電壓等，從而影響電網公司的業績[6]。

3.5 對電力系統自動控制的影響

由于風電場的性能不確定且無法非常準確地預測，導致電網系統計劃出現不確定性。因此，根據調峰調頻公司要求并入電網的風電場的運行發電機組提出了精細化的要求，一方面要求并入電網的容量要有充裕的備用，另一方面要求具備快速響應電網的調峰調頻能力。如果這兩方面均不符合要求，這將導致電力系統的頻率產生一定程度的波動。此外，火電機組出現故障需要電力系統調整系統頻率或者輸出功率時，并入電網的風電場也要做出一定調整，這對風電機組設備會產生不同影響或者損耗。

3.6 對電網穩定性的影響

風能接入電網系統引起的穩定性問題主要是電壓的穩定性，其原因包括以下四個方面：

（1）無功補償的常用方法是電容器補償，補償量與接入點電壓的平方成正比。當系統電壓降低時，無功補償量也隨之大大減少，而風電站至電網的無功需求增加，進一步惡化電壓質量。若嚴重時，將導致電壓崩潰和風機被迫停機。

（2）在故障和運行后功率角沒有不穩定的情況下，一些風機渦輪機由于其自身的低壓保護而停機，風電場的有功輸出減少，因此系統失去一些無功負載，導致電力質量增加，甚至超出風電場母線的電壓范圍。

（3）如果不及時消除異常，將發生暫態電壓不穩定。

（4）風電的出力富裕會降低電網的安全裕度，容易導致系統電壓崩潰。

總之，風電場并入網對風電網絡穩定性的主要威脅是體現在兩方面：一是風機風速的波動性和隨機性導致風電場的出力隨時發生變化并難以準確預測，導致風能接入系統時存在安全隱患；二是向弱電網絡注入過高的功率會降低系統電壓的穩定性。

4 結束語

風能是一種重要的可再生清潔能源，在新能源電力系統中發揮著重要作用。但波動性、間歇性與隨機性是風力發電的固有的不確定性，這些不確定性給電力系統的安全性、穩定性經濟性等帶來了影響。目前在新能源電力系統中為了讓風電能能夠讓風能得到高效利用，必須全方位對風電的不確定性對電力系統的影響分析降低風險，才能進一步提高風電系統的穩定性，為國家的風電系統做出貢獻。