风电场接入电网技术研究(东北电力).doc

东北电力技术 风电场接入电网技术研究综述高阳1，欧阳群2，关慧敏3（1沈阳工程学院，辽宁 沈阳 110136； 2辽宁省电力有限公司，辽宁 沈阳 110006；3.沈阳供电公司，辽宁 沈阳 110005；）摘要：随着大量风电场接入电网中，并且风电场的规模不断扩大，风电特性对电网的负面影响愈来愈显著。因此深入研究风电场接入对电网的影响问题，对于保证电力系统稳定以及进一步开发风电显得越来越重要。本文首先综述了风电在我国的发展现状，然后分析了风电场接入电网对电网的影响问题，最后简要概括了风电场接入电网技术国内外的研究现状，并提出了解决风电接入问题的一些途径以及风电接入电网技术的发展趋势。关键词：风力发电；现状；电网接入；影响Summarization of wind farm integration technology study GAO Yang1,OUYANG Qun2, GUAN Huimin3(1. Shenyang Institute of Engineering, Shenyang 110136, China ; 2. State Grid Liaoning Branch, Shenyang 110006, China,; 3. State Grid Shenyang Branch, Shenyang 110005, China,;)Abstract：As plenty of wind farms have been integrating into power grids, and the scale of them become larger constantly, the negative impacts towards to power grids, which caused by wind power become more and more seriously. Therefore it seems very important to make deep research on the topic of wind farm integration for ensuring the stability of power system and the further development of wind power. This paper summarizes the status of wind power developed in China, then analyzes the impacts on power grids caused by wind farm integration, finally generalizes the actuality of wind farm integration technology, and proposes some methods to solve the problem of wind farm integration and advances some improvements for the future. Key words: wind power generation；actuality；integration；impactThis project is supported by the Liaoning Department of Education (No. 2008z165).中图分类号: TM614 文献标识码: A科技项目：辽宁省教育厅资助项目(2008z165)1 我国风电发展现状自1986年建设山东荣成第一个示范风电场至今，经过近23年的努力，我国风电场装机规模不断扩大，至2008年底，全国风电装机已超过1,000万千瓦。其中，2008年新增风电装机466万千瓦，中国风电装机总量已位居世界第五 , 中国已经成为全球发展速度最快的风力发电市场，过去7年年平均增长速度达到56%。根据可再生能源专业委员会2008中国风电发展报告的判断，2010年风电装机很有可能达到2500万千瓦，国家制定的2020年风电装机3000万千瓦的目标，有可能在2011年实现。按照目前的发展速度，再经过几年的发展，中国风电装机容量将位居世界第一。我国的风能资源十分丰富，根据国家发改委和中国气象局进行的第三次全国风能资源普查，中国陆上10米高度风能资源技术可开发量为2.97亿千瓦。加上近岸海域可利用风能资源，共计约10亿千瓦。国家发改委目前正在酝酿的目标计划是，要按照融入大电网、建设大基地的要求，力争用十多年的时间，在甘肃、内蒙古、河北、江苏等地形成几个上千万千瓦的风电基地，实现2020年供电装机规模1亿千瓦。国家对于风力发电给予了大力地扶持。首先，明确风电不参与电力市场竞争。政府承诺固定电量内的固定电价电网公司全部收购。风电与常规电源上网电价的差价在省电网内分摊。其次，风电场与附近电网之间的输电线路及配套设施由电网企业投资建设，进场道路及项目准备工作由当地政府部门组织协调。同时，在2008年，财政部又出台了财政部关于调整大功率风力发电机组及其关键零部件、原材料进口税收政策的通知，通知中表示所退税款主要用于企业新产品的研制生产以及自主创新能力建设。在国家的政策扶持下，目前风电设备的国产化率已经远超过70%。2012年中国风电装机制造能力将达到1000-1500万千瓦，有可能成为世界主要的风电装备制造基地。此外，在2008年下半年经济萧条的局面下，在新增1,000亿元的中央投资中，已确定有8亿元将用于中国核电和风电装备技术改造的补助。但是在我国风力发电快速发展过程中，也存在着很多问题。现在发电企业都想把风电的规模做大，所以发展的步伐很快。但是风电场建成后并不一定能直接并网发电，因为电网公司需要考虑大规模风电接入电网输电方案、输送模式、输电规模、风电与火电、水电打捆外送的配比等方面问题，同时还包括各方面的风险评估。否则，一旦并入主网，发生安全事故，将会影响到主网运行。因此很多风电场建成后并未投入运行。同时，目前我国大型风电场接入电网在技术上也存在一些障碍。主要包括：一是风电场接入地区电网的输电能力有限；二是风力发电功率的波动对电压有较大影响；三是大规模的风力发电功率波动对电网调度运行带来不利影响；四是目前风电场尚无法实现灵活的无功、有功功率控制，对保证电网及风电场的安全稳定运行带来不利影响；五是目前大部分国内风电机组，尚不具有无功电压控制、有功功率控制及低电压穿越能力。所以，现在各大电网公司也在积极组织对于风电场接入电网对电网的影响调研和风电场接入电网的技术研究。2 风电场接入对电网影响2.1 风电场接入对电能质量的影响根据国标规定，电力系统的电能质量指标主要有电压偏差、频率偏差、电压波动和电压闪变等指标以及谐波问题。电压偏差过大不仅对系统的稳定造成威胁，而且影响系统的经济运行。当输送功率一定时，输电线路和变压器的电流与运行电压成反比，而输电线路和变压器的有功损耗和电流的平方成正比。因此，系统电压偏低将使电网的有功损耗、无功功率损耗以及电压损失大大增加；系统电压偏高，高压电网的电晕损耗加大，所有这些都使供电成本增加。风速的变化、湍流以及风力机尾流效应造成的紊流会引起风力发电功率的波动和风电机组的频繁启停。风力机的转矩中包含一个周期分量，频率为叶片经过塔身的频率。转矩的周期变化导致异步电机输出功率的变化，功率的变化将会使电网频率在一定范围波动，影响电网中频率敏感负荷的正常工作。风电功率的波动势必会引起电压的变化，主要表现为：电压波动，电压闪变、电压跌落以及周期性电压脉动等。另外，风电机组中的电力电子控制装置如果设计不当，将会向电网注入谐波电流，引起电压波形发生不可接受的畸变，并可能引发由谐振带来的潜在问题。当接入电网的风电场为异步电机时，风电场端电压降低时,异步电机吸收的无功功率会增加，同时并联电容器补偿的无功功率反而减少，因此可能会导致局部电力系统的电压出现电压波动和电压闪变。同时投切电容器过程中所产生的涌流及过电压会损坏电容器。目前接入电网的风电场一般采用双馈式异步发电机或同步发电机，它的功率因数一般设定在0.950.98之间，但功率因数由生产厂家设定，风机本身不具有对电压的调节能力。一旦电网情况发生变化，以前设定的功率因数会对电网电压造成负面影响，尤其当风电场装机容量较大时，会造成电网电压调节的困难。同时对于装机容量较大的风电场，实际运行过程中风电场出力较大时会使并网点的功率因数减小（见图1），导致电压大幅降低，严重影响电压质量，甚至会使发电机组由于低电压保护动作使风机从风场解列。风电场出力较小时会使并网点的电压大幅提高，同样严重影响电压质量。图1 风电场出力与功率因数关系Fig.1 relation between wind power generation and power factor2.2风电场接入对电网稳定的影响风电是优质能源，但不是优质电力。风力发电具有间歇性、利用小时数低等缺点，对电网稳定运行有一定影响。随着风电场接入电网容量的不断增大，对电网稳定的影响也越来越显著。输电线路的输电功率受功率稳定极限的限制，而线路的静态稳定功率极限近似与线路的电压平方成正比。系统运行电压偏低，输电线路的功率极限大幅度降低，可能产生系统频率不稳定现象，甚至导致电力系统频率崩溃，造成系统解列。如果电力系统缺乏无功电源，可能产生系统电压不稳定现象，导致电压崩溃。频率稳定和电压稳定的破坏都会造成严重的灾难，给电力系统和各行各业的生产以及人民生活带来重大的损失。系统运行电压过高又可能使系统中各种电器设备的绝缘受损，使带铁芯的设备饱和，产生谐波，并可能引发铁磁谐振，同样威胁电力系统的安全和稳定运行。双馈式异步发电机及同步发电机自身发出无功功率是通过降低有功功率的输出来实现的。这在一定程度上减少了风力发电机的出力，降低了经济效益，而且每台风机独自控制，不能有效的降低无功潮流的流动和保证系统电压的稳定。同时，随着风电快速地发展，风电市场的巨大需求导致风电机组制造业蜂拥而起，而我国对于风电机组检测和认证制度尚不完善，这导致相当一部分国内风电制造商生产的风电机组，在没有经过检测和认证前提下投放市场，存在一定的质量风险。这些都成为风电场接入电网后对电网稳定的巨大的威胁。目前，已经发生了多个风电场不能正常接入电网运行的案例。2.3风电场接入对电网调度的影响传统的发电计划制定是建立在满足负荷平衡、满足电网的安全性约束的基础上，从而对各种发电机组的有功和无功出力进行调度。当对风力发电机组进行调度时，由于风力发电具有很大的不确定性，风电场的出力与负荷变化规律很可能相反。这样，风电场接入电网发电，会使等效负荷峰谷差增大。也会造成火电机组出力水平低, 无法平衡风电大幅度波动。同时使联络线上功率波动范围受限。在低负荷、大风时段，风电波动会引起联络线上的功率越限。因此在安排发电计划时就需要对系统的调峰和调频问题进行分析，此时系统的旋转备用不仅需要满足调峰和调频的要求，而且还要满足风电机组出力波动对负荷平衡的影响。过去，由于风电场的容量很小，对电网的影响不大，但现在随着百万千瓦和千万千瓦风电基地的建设，风电场接入对调度的影响已经成为电网企业急需要解决的一个问题。因此，逐步对风电出力进行预测，制定合理调度计划，优化系统运行已经成为目前电网调度需要研究的课题。同时，为减少风电机组接入电网对电网运行的不利影响，在节能调度管理中，应多调用优质风电，鼓励采用先进风电机组。2.4风电场接入对电网规划的影响风能是一种低密度能源，分布面积较广，我国风电资源非常丰富，主要分布在三北（华北、西北、东北）地区和东南沿海，风能储存比较丰富的地区绝大部分处于电网末梢，不是所谓的负荷中心，电网相对薄弱。而且过去风电开发主要是在原有电网基础上规划，一般情况都是几万千瓦的装机容量，不会对电网造成很大影响。但目前风电场建设规模不断增大，有的是千万千瓦的大型风电基地，风电场接入电网的问题日益凸显，就需要专门针对大型风电场建设进行电网规划。风电场的建设不仅涉及到风力发电机组的布置、装机容量以及机组类型问题，还要涉及到风电传输和电网规划等问题。常规的电网和发电厂规划，是在满足供需平衡的基础上，以投资和运行成本最小为目标函数的。但是，当引入风电场以后，由于风电具有不确定性和随机性等特点，不仅电网投资和运行成本的内容发生了变化（增加了一些与不确定性相关的机会成本），而且供需平衡关系也发生变化。大型风电场电网规划不存在技术难题，但投入产出的平衡问题是关键。风电的利用小时数比较低，一般好的机组能达到每年2500小时左右，所以风电的电网投资效益相对于火电而言就要差一些。而且，风电具有间隙性特点，风力发电与负荷一样具有不确定性，同时产生了诸如风电的最优装机比例、超出范围（10）的危害等问题。因此，需要作好考虑风电场接入情况下的电网规划，同时电网建设要与风电场建设同步发展，要配套建设大电网，因为如果大型风电场接入大电网的话，则其对电网的影响就不会很大。同时要实现远距离输送电能，在更大范围内优化资源配置。这样不仅有利于电网的发展和建设，而且对发展地区经济、提高人民的生活水平意义重大。目前，国家发改委已经和国家电网公司一起着手这方面的研究。3 国内外电网接入技术研究现状及发展方向 随着风电场规模逐步扩大，我国各大电网公司和国家发改委都在组织风电场接入电网技术的研究。同时采取特许权招标方式选择风电项目业主，带动风电机组制造本地化，降低风电场建设成本。对于风电接入电网的经济性评价问题，国外做过一些研究工作，但是不完全适合我国电力系统的具体情况。为此，需要进行大量的研究工作，提出一个科学客观的评价体系，作为衡量电网企业因风电而导致的运营成本增加的重要依据。虽然我国风力发电技术起步较晚，但在风电机组制造技术和风电场电网接入技术上发展很快。首先，兆瓦级的大型风电机组国产化，并且质量不断提高。同时在研制高电压等级的大型风电机组，这也将成为未来风电技术的发展趋势之一。其次，为改善电能质量和系统稳定，将传统的并联电容器和SVC补偿系统改进为综合无功补偿控制系统。把各台风力发电机组和风电场并网点的电压、无功功率或功率因数综合控制，采用先进的无功控制算法，使补偿方式和补偿容量更合理，改善风电场电压，减少无功流向，稳定系统、降低网络损耗。目前，世界上也在不断完善动态无功补偿技术。在世界各国的风力发电场有很高知名度的Elspec产品可以达到5-20ms投切所需要的全部电容器组，既有直接安装在风力发电机里进行本地补偿，具有稳定电网电压作用。又有安装在风力发电场与公网并网处进行集中补偿，在风力发电机启动、运行过程中防止电压波动，在公用电网发生故障的时候投入全部补偿，可以紧急处置、稳定公网电压。电压控制运算是和全世界的风力发电设备制造商和使用公司一起制定的，和现在世界上所有的风电场控制系统都能通信。第三，克服风电的随机性，将风电转换为常规的可调度电源。其中的关键技术是如何准确地进行风力发电量的预测和大容量电力储能装置的研制。欧洲在对风能的预测进行了大量研究，目前国外短时风力发电功率预测准确度已经能够达到平均绝对误差（MAE）为总装机容量的1015%。丹麦、德国、西班牙等风电技术发达的国家，已经研发出多个用于风电场发电量预测的系统，并且实际运用于多个风电场。比较著名的有德国ISET开发的WPMS系统，采用神经网络方法，其预测均方根误差(RMSE)为装机容量的7%19%，已成为商用最成熟的预测系统。我国目前还没有专门的预报系统问世。预测方法多集中在时间序列法(ARMA)、神经网络法(ANN)，多是在预测风速的基础上研究发电功率的预测。而且多采用平均绝对百分比误差MAPE，预测精度25%40%，都集中在提前几小时的短期预测。目前急需提高风电功率预测的精度，尤其对于那些海上大型风电场来说，由于装机容量都集中在一个小区域内，更需要准确的预测功率。近年来，国内外学者在这方面做了大量研究，提出了很多改进办法，使预测精度不断提高，主要是把多个数字天气预报（NWP）模型组合起来结合功率的短期预测来提高精度。要想实现风电可调度，另一途径是采用大容量电力储能装置。目前储能技术是利用全钒氧化还原液流电池（Vanadium Redox Battery，VRB）即VRB技术。具有储能多、寿命长、成本低、效率高、电解液循环使用而且无污染等优点。而发展24小时兆瓦级可调度电力储能装置也是未来风电技术的发展趋势之一。4 总结本文分析了风电场接入电网对电网的影响，介绍了国内外的风电接入技术研究。从中可以看出，要从根本上改善风力发电的电网接入问题，就要提高风电机组的可信容量系数，降低电力系统所需的备用容量。可以通过优化风电机组的性能，研制风电功率预测系统，发展大容量储能装置，改善风电功率控制和补偿设备等几方面进行。同时，近几年我国风电发展非常迅速，尤其是风电场的规模越来越大，电网建设已经成为制约风力发电发展的“瓶颈”。因此必须将风电作为主要电源之一纳入电网规划中，把风电与火电、水电、核电等电源一起规划，才能使电网的经济性、安全性、可靠性等方面达到整体最优，从而使电网企业的经济与社会效益最大。此外，为