大型風(fēng)電場運行的特點及并網(wǎng)運行的問題

　　近年來,我國風(fēng)電已經(jīng)邁向快速發(fā)展的步伐。按裝機總?cè)萘坑嬎?我國已經(jīng)超過意大利和英國,成為世界第6大風(fēng)電大國。大規(guī)模的風(fēng)力發(fā)電必須要實現(xiàn)并網(wǎng)運行，然而由于風(fēng)電自身的特點,大規(guī)模風(fēng)電接入會對電網(wǎng)產(chǎn)生負(fù)面影響。由于風(fēng)力資源分布的限制，風(fēng)電場大多建設(shè)在電網(wǎng)的末梢，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對薄弱，風(fēng)電場并網(wǎng)運行必然會影響到電網(wǎng)的電壓質(zhì)量和電壓穩(wěn)定性。由于風(fēng)電本身具有不可控、不可調(diào)的特征，造成風(fēng)電出力的隨機性和間歇性。而電網(wǎng)必須按照發(fā)、供、用同時完成的規(guī)律，連續(xù)、安全、可靠、穩(wěn)定地向客戶提供頻率、電壓合格的優(yōu)質(zhì)電力。風(fēng)電場并網(wǎng)的研究內(nèi)容涉及到電能質(zhì)量、電壓穩(wěn)定性、暫態(tài)功角穩(wěn)定性及頻率穩(wěn)定性等。本文主要介紹大型風(fēng)電場并網(wǎng)對電力系統(tǒng)的影響及對策。 

　　一、大型風(fēng)電場運行的特點 

　　1、風(fēng)能的能量密度小，為了得到相同的發(fā)電容量,風(fēng)力發(fā)電機的風(fēng)輪尺寸比相應(yīng)的水輪機大幾十倍。 
　　2、風(fēng)能的穩(wěn)定性差。風(fēng)能屬于過程性能源,具有隨機性、間歇性、不穩(wěn)定性,風(fēng)速和風(fēng)向經(jīng)常變動,它們對風(fēng)力發(fā)電機的工況影響很大。為得到較穩(wěn)定的輸出電能,風(fēng)力發(fā)電機必須加裝調(diào)速、調(diào)向和剎車等調(diào)節(jié)和控制裝置。 
　　3、風(fēng)能不能儲存。對于單機獨立運行的風(fēng)力發(fā)電機組,要保證不間斷供電,必須配備相應(yīng)的儲能裝置。 
　　4、風(fēng)輪的效率較低。風(fēng)輪的理論最大效率為59.3%,實際效率會更低一些,統(tǒng)計顯示,水平軸風(fēng)輪機最大效率通常在20%~50%,垂直軸風(fēng)輪機最大效率在30%~40%。 
　　5、風(fēng)電場的分布位置經(jīng)常偏遠(yuǎn)。例如,我國的風(fēng)電資源雖然比較豐富,但多數(shù)集中在西北、華北和東北“三北地區(qū)”。 

　　由于風(fēng)能具有以上特點,使得利用風(fēng)能發(fā)電比用水力發(fā)電困難得多。 

　　總之,風(fēng)電的最大缺點是不穩(wěn)定,風(fēng)電系統(tǒng)所發(fā)出的電能若直接并入電網(wǎng)將影響局部電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性。 

　　二、大型風(fēng)力發(fā)電場并網(wǎng)運行引起的問題分析 

　　風(fēng)電場接入電網(wǎng)一般有兩種方式，一種是傳統(tǒng)的并網(wǎng)方式，單個風(fēng)電場容量均比較小，作為一種分布式電源，分散接入地區(qū)配電網(wǎng)絡(luò)，以就地消納為主；另一種是在風(fēng)能資源豐富區(qū)域集中開發(fā)風(fēng)電基地，通過輸電通道集中外送，如歐美國家規(guī)劃中的海上風(fēng)電和我國正在開發(fā)的內(nèi)蒙古、張家口、酒泉和江蘇沿海千萬千瓦級風(fēng)電基地。風(fēng)電機組單機容量和并網(wǎng)運行的風(fēng)電裝機規(guī)模越來越大，對系統(tǒng)的影響也越來越明顯。與小型風(fēng)電場不同，大型風(fēng)電場接入電網(wǎng)后，風(fēng)電場對電網(wǎng)的影響已從簡單的局部電壓波動等問題發(fā)展到對電網(wǎng)調(diào)節(jié)控制(調(diào)頻調(diào)峰、經(jīng)濟調(diào)度)、電能質(zhì)量、電網(wǎng)穩(wěn)定等諸多方面。 

　　1、對電網(wǎng)調(diào)節(jié)控制的影響 

　　電網(wǎng)傳統(tǒng)的調(diào)度（發(fā)電）計劃的編制及實施，完全基于電源的可靠性、負(fù)荷的可預(yù)測性。當(dāng)系統(tǒng)風(fēng)電容量達(dá)到一定的規(guī)模后，風(fēng)電的隨機性和不可預(yù)測性會給傳統(tǒng)的調(diào)度（發(fā)電）劃的安排和實施帶來問題。 

　　我國東南沿海地區(qū)風(fēng)力資源豐富，隨大規(guī)模風(fēng)電場接入其所屬電網(wǎng)，首先將帶來電網(wǎng)的調(diào)節(jié)控制問題。風(fēng)電場的輸出功率曲線很重要，與風(fēng)的大小、方向都相關(guān)。各地區(qū)風(fēng)電場的輸出功率曲線會有差異，但對電網(wǎng)調(diào)節(jié)有利的特性情況較少見到，如輸出功率曲線與電網(wǎng)負(fù)荷特曲線性相近；而較多的情況是對電網(wǎng)不利的特性，如：①午夜時段輸出功率較高，而此時電網(wǎng)處在低谷時段。午后時段輸出功率很低，而此時電網(wǎng)處在高峰時段。②最高、最低出輸出功率差一般較大，可能在50％以上。③基本無調(diào)節(jié)能力，且其功率呈頻繁波動狀態(tài)。這樣，其輸出功率特性對電網(wǎng)負(fù)荷曲線在非高峰時段成為“反調(diào)節(jié)”性質(zhì)，即增加了電網(wǎng)的峰谷差，加大了對電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻能力的要求，從而增加了電網(wǎng)調(diào)節(jié)控制的難度。 

　　電網(wǎng)狀況也不樂觀。①沿海各大區(qū)域電網(wǎng)(如華東、南方等)均屬千萬kW級或億kW級，按理接納目前規(guī)模的風(fēng)電應(yīng)無問題，但實際電網(wǎng)雖名為“統(tǒng)一調(diào)度”、而從調(diào)節(jié)控制角度而言更多的是“互聯(lián)”性質(zhì)，即屬分塊(地區(qū))控制性質(zhì)：系統(tǒng)的調(diào)峰及頻率調(diào)節(jié)控制按統(tǒng)一規(guī)則將任務(wù)分配到塊(地區(qū))、考核到塊(地區(qū))；考核一般又與經(jīng)濟利益掛鉤。這樣，具有地區(qū)性質(zhì)的風(fēng)電場的接入將由該塊(地區(qū))電網(wǎng)承接、消化。②地區(qū)電網(wǎng)的承接能力決定于該電網(wǎng)的具體情況，對以火電比重較大的電網(wǎng)如上海、山東等，調(diào)節(jié)能力差，承接能力就較小。對大受端的上海電網(wǎng)而言，因多種原因今后接受區(qū)外來電的比重將越來越大，如25％及以上；一般區(qū)外來電的調(diào)節(jié)性能又較差；更增加了電網(wǎng)調(diào)節(jié)控制的難度。③大城市國際化的步伐加快使地區(qū)負(fù)荷特性向負(fù)荷率更低、峰谷差更擴大發(fā)展。作為“反調(diào)節(jié)”的風(fēng)電場更增加了對電網(wǎng)的調(diào)節(jié)控制的壓力。 

　　風(fēng)電場高峰輸出功率替代了電網(wǎng)常規(guī)能源機組，但因其“反調(diào)節(jié)”性質(zhì)而使非高峰時段特別是低谷時段增加了對電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力的要求。于是，電網(wǎng)原有調(diào)峰能力的余額，即調(diào)峰能力扣除負(fù)荷峰谷差后的裕量部分(特別在夏季)、其非高峰時段的電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力余額，成為約束，決定了電網(wǎng)允許接入的最大“綜合風(fēng)電場容量”。 

　　2、風(fēng)電接入對電網(wǎng)電壓的影響 

　　由于風(fēng)速為隨機變化的量，使得風(fēng)電場的輸出功率具有波動性，風(fēng)電機組的頻繁啟停、切換，產(chǎn)生電壓的波動、閃變，從而將影響局部電網(wǎng)的電能質(zhì)量；風(fēng)電場大量采用電子器件，給電網(wǎng)帶來諧波，如并聯(lián)電容與電抗元件發(fā)生諧振會放大諧波效應(yīng)。必須重視和計算分析風(fēng)電場造成局部電網(wǎng)的電壓波動、閃變和諧波污染問題。目前，由于風(fēng)電場的規(guī)模較小，如上海、南澳電網(wǎng)等，大都在3％及以下，還不能構(gòu)成重大影響。但隨規(guī)模的擴大，如在10％及以上時，通