風(fēng)力發(fā)電對電網(wǎng)運(yùn)行的影響及對策

摘要：隨著我國風(fēng)電超常規(guī)的迅猛發(fā)展,分析了我國風(fēng)力發(fā)電對電網(wǎng)運(yùn)行的影響，并作出我國風(fēng)力發(fā)電與電網(wǎng)運(yùn)行協(xié)調(diào)發(fā)展的解決措施。這些措施實施后，降低了風(fēng)力發(fā)電對電網(wǎng)安全穩(wěn)定性的影響，確保了風(fēng)力發(fā)電和電網(wǎng)企業(yè)效益的最大化。

近年來，隨著全球化石油能源的日益匱乏，加上日本地震帶來的核電警示，加快包括風(fēng)電在內(nèi)的安全性清潔能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已成為大勢所趨。大規(guī)模的風(fēng)力發(fā)電需實現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行，國外風(fēng)電大國雖然對風(fēng)力發(fā)電和電網(wǎng)運(yùn)行積累了一些經(jīng)驗，但由于我國電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的特殊性，風(fēng)力發(fā)電和電網(wǎng)運(yùn)行如何協(xié)調(diào)發(fā)展已成為風(fēng)電場規(guī)劃設(shè)計和運(yùn)行中不可回避的最重要課題。

一、我國風(fēng)力發(fā)電對電網(wǎng)運(yùn)行的影響

我國風(fēng)力資源的富集地區(qū)，電網(wǎng)均比較薄弱，風(fēng)力發(fā)電對電網(wǎng)運(yùn)行的影響主要體現(xiàn)在電網(wǎng)調(diào)度、電能質(zhì)量和電網(wǎng)安全穩(wěn)定性等方面。

1.1對電網(wǎng)調(diào)度的影響

風(fēng)能資源豐富的地區(qū)人口稀少、負(fù)荷量小、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱等特點(diǎn)，風(fēng)電功率的輸入必然要改變電網(wǎng)的潮流分布，對局部電網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)電壓也將產(chǎn)生較大的影響。風(fēng)能本身是不可控的能源，它是否處于發(fā)電狀態(tài)和所發(fā)電量基本取決于風(fēng)速狀況，而風(fēng)速的不穩(wěn)定性和間歇性決定了風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量具有較大的波動性和間歇性，并網(wǎng)后的風(fēng)電場相當(dāng)于電網(wǎng)的隨機(jī)擾動源，具有反調(diào)節(jié)特性，需要電網(wǎng)側(cè)預(yù)留出更多的備用電源和調(diào)峰容量，由于風(fēng)力發(fā)電的不穩(wěn)定性，增加了風(fēng)力發(fā)電調(diào)度的難度。

1.2對電能質(zhì)量的影響

風(fēng)電機(jī)組輸出功率的波動性，使風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過程中受湍流效應(yīng)、尾流效應(yīng)和塔影效應(yīng)的影響，造成電壓偏差、波動、閃變、諧波和周期性電壓脈動等現(xiàn)象，尤其是電壓波動和閃變對電網(wǎng)電能質(zhì)量影響嚴(yán)重。風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的異步電動機(jī)沒有獨(dú)立的勵磁裝置，并網(wǎng)前本身無電壓，在并網(wǎng)時要伴隨高于額定電流5～6倍的沖擊電流，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓大幅度下跌。

在變速風(fēng)電機(jī)組中大量使用的電力電子變頻設(shè)備會產(chǎn)生諧波和間諧波，諧波和間諧波的出現(xiàn)，會導(dǎo)致電壓波形發(fā)生畸變。

1.3對電網(wǎng)安全穩(wěn)定性的影響

電網(wǎng)在最初設(shè)計和規(guī)劃時，沒考慮到風(fēng)電機(jī)組接入電網(wǎng)末端會改變配電網(wǎng)功率單向流動從而使潮流流向和分布發(fā)生改變的特點(diǎn)，造成風(fēng)電場附近的電網(wǎng)電壓超出安全范圍，甚至導(dǎo)致電壓崩潰。大規(guī)模的風(fēng)力發(fā)電電量注入電網(wǎng)，必將影響電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性。短路電流超過附近變電站母線和開關(guān)等設(shè)備的遮斷容量，影響電網(wǎng)的安全。

二、風(fēng)力發(fā)電與電網(wǎng)運(yùn)行不協(xié)調(diào)的原因

2.1風(fēng)力發(fā)電與電網(wǎng)建設(shè)步伐不統(tǒng)一

風(fēng)力電發(fā)項目前期工作流程相對簡單，核準(zhǔn)進(jìn)度快，建設(shè)周期相對較短，而電網(wǎng)接入系統(tǒng)在項目審查、方案確定及工程建設(shè)方面相對復(fù)雜，220kV電網(wǎng)可由各省(自治區(qū))核準(zhǔn)，330kV以上全部需報國家能源局核準(zhǔn)，而電網(wǎng)的核準(zhǔn)程序復(fù)雜，經(jīng)過每個村莊都要取得鄉(xiāng)、縣、市、省的支撐性文件，歷時較長，致使接入系統(tǒng)工程與風(fēng)電場建設(shè)難以同步完成，建設(shè)工期無法匹配。在我國，1個風(fēng)電場首臺機(jī)組建設(shè)周期通常為6個月，全部風(fēng)電場建成僅需1年，而電網(wǎng)工程建設(shè)周期要長很多，特別是輸電線路建設(shè)需要跨地區(qū)，協(xié)調(diào)工作難度較大。220kV輸電工程的合理工期為1年左右，750kV輸電工程合理工期為2年左右。

2.2風(fēng)力發(fā)電調(diào)峰容量不足

從電力電量平衡的角度考慮，電網(wǎng)無法完全消納風(fēng)電資源，良好的電源結(jié)構(gòu)和充足的備用是實現(xiàn)風(fēng)電充分利用的基礎(chǔ)，風(fēng)電具有隨機(jī)性、間歇性和波動速度快的特點(diǎn)，需要一定規(guī)模的靈活調(diào)節(jié)電源與之相匹配。以內(nèi)蒙古地區(qū)為例，電網(wǎng)電源結(jié)構(gòu)單一，火電機(jī)組比重占全區(qū)發(fā)電裝機(jī)的84%，供熱機(jī)組占火電機(jī)組的40%，占電網(wǎng)最高發(fā)電負(fù)荷的64%。進(jìn)入冬季供熱期后，燃煤機(jī)組調(diào)峰深度為50%左右，燃?xì)夂统樗钅軝C(jī)組調(diào)峰深度可達(dá)100%，供熱機(jī)組完全不參與調(diào)峰。電網(wǎng)雖然進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)度，但為了滿足供熱需求，留給風(fēng)電的負(fù)荷裕度非常小，電網(wǎng)無法滿足風(fēng)電全額上網(wǎng)的要求，電量平衡困難。

三、發(fā)電企業(yè)需采取的措施

3.1降低對電網(wǎng)調(diào)度的影響

針對電網(wǎng)系統(tǒng)潮流分布的變數(shù)和電網(wǎng)的調(diào)壓、調(diào)頻問題，可通過風(fēng)電電能的預(yù)測來緩解。近年來，預(yù)測風(fēng)電場電力輸出的相關(guān)技術(shù)有很大發(fā)展，利用風(fēng)電場可靠歷史數(shù)據(jù)和附近氣象站的預(yù)報數(shù)據(jù)，可預(yù)測風(fēng)電場的出力變化。

3.2降低對電能質(zhì)量影響

風(fēng)電場需加裝必要的無功補(bǔ)償裝置或采用具有無功控制的雙饋變速風(fēng)電機(jī)組，也可采用雙向晶閘管控制的軟啟動裝置。當(dāng)風(fēng)力機(jī)把發(fā)電機(jī)帶到同步速附近時，發(fā)電機(jī)輸出端斷路器閉合，使發(fā)電機(jī)經(jīng)過一組雙向晶閘管與電網(wǎng)連接，通過電流反饋對雙向晶閘管導(dǎo)通角進(jìn)行控制，當(dāng)并網(wǎng)結(jié)束，雙向晶閘管短接，獲得比較平滑的并網(wǎng)過程，以降低風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響。通過人工干預(yù)，使同一區(qū)域風(fēng)電機(jī)組不同時啟動，可減小啟、停風(fēng)力發(fā)電機(jī)對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響。

3.3降低對電網(wǎng)安全穩(wěn)定性的影響

利用分組投切電容器組方法對系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償。但它不能實現(xiàn)連續(xù)的電壓調(diào)節(jié)，且電容器投切次數(shù)也有一定的限制，因此，它不能控制因風(fēng)速變化太快而產(chǎn)生的電壓波動。靜止無功補(bǔ)償器SVR(StaticVarCompensa-tor)安裝在風(fēng)電場的出口，根據(jù)風(fēng)電場接入點(diǎn)的電壓偏差量來控制SVC補(bǔ)償?shù)臒o功功率，穩(wěn)定風(fēng)電場的節(jié)點(diǎn)電壓，降低風(fēng)電功率波動對電網(wǎng)電壓的影響，改善電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在風(fēng)電場出口采用基于GTO逆變器的雙橋結(jié)構(gòu)換流裝置，超導(dǎo)儲能裝置利用其有功、無功綜合調(diào)節(jié)的能力，降低風(fēng)電場輸出功率波動，同時實現(xiàn)對電壓和頻率同步控制，穩(wěn)定風(fēng)電場電壓。

四、電網(wǎng)企業(yè)需采取的措施

4.1降低對電網(wǎng)調(diào)度的影響

加強(qiáng)電網(wǎng)接納能力的研究，提高電網(wǎng)對風(fēng)力發(fā)電電量的接納能力。從整體上確定電網(wǎng)能夠接納的最大風(fēng)電裝機(jī)容量，為風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃提供參考，盡快建立風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)評價機(jī)構(gòu)，為風(fēng)電的合理接入提供技術(shù)支撐。完善風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的電網(wǎng)調(diào)度管理措施，根據(jù)風(fēng)電場的風(fēng)電功率預(yù)測，優(yōu)化安排其他風(fēng)電機(jī)組發(fā)電出力。

4.2降低對電能質(zhì)量影響

改善電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。并網(wǎng)發(fā)電機(jī)組公共連接點(diǎn)短路比越大，引起的電壓波動和閃變越小，合適的電網(wǎng)線路X/R可使有功功率引起的電壓波動被無功功率引起的電壓波動補(bǔ)償?shù)簦W變值也有所減輕，所以，電網(wǎng)線路可通過調(diào)節(jié)合適的X/R來降低風(fēng)力發(fā)電對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響。提高電網(wǎng)的電壓等級，變高壓輸電為超高壓輸電，建設(shè)新的輸電線路并安裝相應(yīng)的自動控制裝置以此來降低風(fēng)力發(fā)電傳輸和分配對電能質(zhì)量的影響。