国外有关风电并网技术规定

国外有关风电并网技术规定1丹麦丹麦是目前世界上风电装机比例最高的国家。截止到2004年底，丹麦电力装机总量为13600MW，电源结构如图3-1所示，其中风电装机为3113MW，占22.8%。图3-1丹麦电力装机构成丹麦是世界上风电技术最发达的国家，Vestas公司在风电机组制造行业居全世界第一，丹麦Riso国家实验室和EMD公司分别开发了用于风能资源分析和风电场规划设计的商业化程序WAsP和WindPro，这两个程序在世界范围内得到广泛的应用。在制定风电场接入电力系统技术规定和导则方面，丹麦也是世界上最早的国家。在1998年，丹麦电力研究院DEFU(ResearchInstituteofDanishElectricUtilities)提出了风电机组接入中低压电网的技术规定(ConnectionofWindTurbinestoLowandMediumVoltageNetworks.DEFU111,1998)，用它取代先前的技术规定DEFU77和DEFU100。该技术规定适用于接入110kV以下电网的风电机组，主要涉及到风电场并网后对电能质量和供电可靠性的影响，给出了风电机组技术参数的推荐值和电压/频率保护的设置范围，但不包括风电场可能带来的稳定性问题。针对风电场接入输电系统的情况，Eltra输电公司于2000年颁布了新的技术要求(SpecificationsforConnectingWindFarmstotheTransmissionNetworks,SecondEdition)，适用于风电场接入110kV以上电压等级的电网。在该技术规定中，输电系统运行商(TSO)提出了风电运营商必须满足的技术要求，以确保电力系统在短时间和长时间内的安全性、可靠性和电能质量。主要条款简述如下：(1)功率控制要求风电场能够将输出功率控制在一定的限值之内，在任何时间超过出力限值的幅度不超过风电场最大功率的5%。该出力限值可以改变。每台风电机组可独立地进行快速控制，在2s之内将出力减少到低于最大功率的20%。在高风速情况下，不能使所有的风电机组同时停机。(2)运行频率范围要求风电场有可能在下表所示频率偏离下运行，而不需要减少风电场的出力。表3-1风电机组运行频率范围低频频率低于47.0Hz，0.3s后必须开断。频率低于47.5Hz，允许10.0s后开断。频率在47.5和48.0Hz之间至少运行5min。频率在48.0和49.0Hz之间至少运行25min。低频在49.0Hz以上没有限制。超频频率高于53.0Hz时，0.3s后必须开断。频率在50.3和51.0Hz之间至少运行1min。超频在50.3Hz以下没有限制。(3)无功补偿一般情况下，风电场与电力系统在并网点处没有无功交换，即功率因数为1.0。如果采用分组投切式无功功率装置，应该保证在稳态时发出/吸收的无功功率不超过最大有功功率的10%。如果根据接入系统研究结果，需要风电场安装大型无功补偿装置，则系统运行人员要能够根据具体协议使用可能的控制方法来进行无功功率控制，包括远程控制、时间控制或者电压控制。(4)电能质量基于下列概念来评价风电场对电压质量的影响：快速的电压变化或者电压跳变；电压波动和闪变；电话干扰；谐波；对电讯的干扰。(5)稳定性要求在所有运行情况下，风电场应该能够承受下列故障序列而不解列(连接风电场的辐射状线路发生故障除外)。任意线路或者变压器发生三相故障，最终解列，不进行重合闸操作。任意线路上发生两相故障，重合闸不成功。(6)保护规定了风电场的电压和频率保护动作时间，其中有些整定值还没有明确给出，尚需要进一步研究。(7)通讯每个风电场均有通讯，为电力系统运行获得必要的信号。除了有功出力和无功交换之外，还可能需要其它的信号，比如风电场的状态和风速。(8)校验和测试在任何时候，系统运行人员能够查询有关风电场遵守该技术要求的文档。其中规定：对电压质量指标进行校验电力系统发生故障时电力系统和风电场的相互作用通过仿真来检验，因此风电场有责任为这些仿真提供必要的模型，如果风电场由几个不同类型的风机组成，应提供每种类型风机的模型。为了检验风电场对故障的响应，电力系统要安装记录装置，它在发生故障时触发。该记录装置也可以用来检验风电场的模型。它应记录故障前10s到故障后60s的情况。该记录装置应该包括必要数量的通道。在连接点对整个风电场进行测量的信号至少包括：电压、有功功率、无功功率、频率和电流。2004年5月，在DEFU111基础上，丹麦两家输电公司Eltra(丹麦西部)和Elkraft(丹麦东部)联合提出了风电场接入配电网络的技术要求(WindTurbineGeneratorsConnectedtoNetworkswithVoltageLevelsbelow100kV)，其中增加了风电机组动态调节性能的要求，目的是保证供电可靠性和供电质量。该技术规定从2004年7月1日起实行。2德国德国是世界上风电装机容量最多的国家，在过去的几年中，德国风电装机容量一直保持世界风电装机总量的1/3左右。目前，德国电力装机总量约为125GW，其中风电装机比例与天然气发电接近，下图表示2004年德国电力装机的构成情况。图3-2德国电力装机构成德国能源理事会(GermanEnergyAgency,DENA)正在研究和制定德国风电发展中长期规划，全面论证到2020年德国风电装机达到48GW(其中陆地风电装机容量约为28GW，海上风电装机容量约为20GW)的可行性，包括风能资源状况、电网配套建设及投资、风电机组制造能力与水平、所需的技术支持及相关经济性分析等等。最终研究结果提交德国议会，作为下一阶段制定风电发展有关政策和法律的重要依据。1998年，德国电力协会(GermanElectricityAssociation,VDEW)对接入中压电网的发电机组作出了规定(GenerationintheMediumVoltageNetwork－GuidelinesfortheConnectionandOperationofGenerationUnitsintheMediumVoltageNetwork,1998)，适用于接入110kV电网的风电场。其中，提出了需要对每种类型风电机组的电能质量特性进行测量与评价，但对于风电场并网运行可能带来的系统稳定性问题，未作出任何要求。德国E.ON电网公司是德国拥有风电装机容量最多的电网公司，在过去的几年里，该公司对风电场接入电网的相关问题进行了大量的研究工作，提出并不断更新了高压与超高压电网的技术规定(GridCodeforHighandExtraHighVoltage，2003)，其同样适用于接入高压(HV：60kV，110kV)和超高压(EHV：220kV，380kV)电网的风电场。技术规定与丹麦Eltra提出的技术规定类似，对风电场提出的技术要求的目的是确保电力系统在短时间和长时间内的安全性、可靠性和电能质量。3美国美国电力装机总量为948GW，电源的构成情况如图3-3所示。其中，“其它”项中包括风电装机6600MW，在电力装机中所占的比例不到1%，主要分布在加利福尼亚州、德克萨斯州和其它西部地区。根据美国可再生能源实验室(NREL)的研究结果，美国风电可开发规模为300GW，相应的年发电量为700TWh，约占美国1990年用电量的27%。图3-3美国电力装机构成2004年5月，美国联邦能源监管委员会(FederalEnergyRegulatoryCommission，FERC)和美国风能学会(AmericanWindEnergyAssociation，AWEA)共同研究提出了风电场接入电网的技术标准(AWEAGridCode)，并已被北美电力可靠性委员会所接受，但部分条款仍在协商当中。该技术标准的适用范围是根据风电场的装机规模而不是接入电网的电压等级，其适用于装机容量为20MW及以上的风电场，核心内容为：低电压穿越(LowVoltageRideThrough，LVRT)通信能力功率因数：-0.95(超前)～＋0.95(滞后)用于设计研究的风电机组和系统模型该技术标准还指出，风电机组的模型需要不断进行更新和改进，输电系统运行部门应该参与这个过程。美国风能学会的技术标准AWEAGridCode所涉及的范围比较有限，一些电力公司已经或将会结合各自电网的具体特点，在此基础上制定出自己的风电场接入电力系统技术规定和导则等。比如在纽约州，根据纽约州能源研究与开发局(TheNewYorkStateEnergyResearchandDevelopmentAuthority，NYSERDA)和纽约独立调度机构(NewYorkIndepentSystemOperator，NYISO)共同研究的结果，NYISO要求所有新建风电场(注：装机容量在规定值以下的风电场除外)具有下列特性：调节并网点的电压；可控功率因数变化范围：-0.95(超前)～＋0.95(滞后)；低电压穿越；监测、计量和事件记录；降低出力能力(powercurtailmentcapability)。另外，考虑到风电机组制造和控制技术的不断进步，NYISO还推荐了下列技术要求：功率变化率控制(controloframprates)；调速器功能，即参与频率控制；备用功能，即在系统失去其他电源时能够增加出力；即使在不发电时也能进行电压调节。4加拿大加拿大电力装机约为104GW，具体构成如下图所示。根据2004年底的统计数据，加拿大风电装机容量为444MW。加拿大电力装机以水电为主，非常有利于风电的并网运行。目前，加拿大在建/批准的风电项目规模总计超过2GW。图3-4加拿大电力装机构成尽管加拿大风电装机规模还比较小，但许多省的电力部门已经或者正在制定风电场接入电力系统的技术规定。目前，阿尔伯特(Alberta)、安大略(Ontario)和魁北克(Quebec)等省都已经制定了风电场并网技术规定。现在，受加拿大风能学会(CanadianWindEnergyAssociation，CanWEA)的委托，GarradHassan加拿大分公司正在制定一个基本的风电场接入电力系统技术规定，称之为CanWEABaseCode。基本内容包括：表3-2加拿大风能学会提出的风电场并网技术要求要求类型内容无功控制可变功率因数在-0.95至0.90之间。实际实施中允许根据省份和场址的不同而变化。建议讨论0.95与0.90，两者中取一个。有功控制说明但不作要求目前不作要求。说明的内容在以后可能会作为要求。频率响应说明但不作要求不作要求。建议进行讨论，为将来某些省份需要制定频率响应条款做准备。电压控制可变实施中允许根据省份和场址的不同而变化。建议根据Alberta的要求，对详细的性能要求进行讨论。低电压穿越强制但可变采用魁北克的标准，但允许根据省份和场址的不同而变化。详细的内容还将进行讨论，包括不对称故障时的低电压穿越。频率承受能力强制59.4Hz到60.6Hz之间连续运行。应进一步给出低频段和高频段的要求，以及采用魁北克技术要求的程度。电压承受能力强制电压偏差为-10%到10％时连续运行。应进一步给出低电压和高电压时的要求，可能包括在电压偏差范围为±15％时要求运行300s（魁北克省），以及考虑低电压穿越和低电压的关系。负序不作要求归入低电压穿越和电能质量要求中。数据规定强制提供标准的数据。强烈建议采用美国风能学会(AWEA)的方法，成立建模小组和允许开发商自行研究。建议制定相应的符合性测试要求。运行监控强制从实时数据中选出一组标准数据，允许根据省份和场址的情况而变化。为系统运行人员控制指令和其他命令开通通信通道。电力系统稳定性说明但不作要求不作要求。讨论它的作用和将来要求的内容。惯量的规定不作要求不作要求。讨论它的作用和将来要求的内容。5爱尔兰2004年底，爱尔兰电力装机容量约为5410MW，其中风电装机容量为260MW，所占4.8%。爱尔兰电力装机构成的显著特点是燃气发电所占的比例高，超过1/3。由于燃气发电机组的启停速度快、费用相对火电要低，因此有利于风电发展。另外，爱尔兰水电(含抽水蓄能)的装机比例接近10%，这也可用于弥补风电场输出功率的间歇性和波动性。图3-5爱尔兰电力装机构成2002年2月，爱尔兰电力供应局(IrishElectricitySupplyBoard，ESB)下属的国家电网公司(NationalGrid，NG)制定了一个有关风电场接入电网的技术要求(WindFarmPowerStationGridCodeProvisions)，其基本内容如下：(1)故障穿越(faultridethrough)当电网的任意一相或三相发生电压跌落时，风电场根据电压水平在一定时间内必须仍旧保持与电网的连接，如图3-6所示。需要说明的是：电压值是指风电场与电网连接变压器的高压侧。图3-6风电场故障穿越能力除了保持与电网的连接之外，风电场还要提供以下功能：在电压跌落期间，风电场需要提供与残留电压成比例的有功功率，同时向电网提供不超过风电机组极限的最大无功电流。所提供无功电流的最大值应持续至少600ms或者直到电压恢复到输电网的正常运行范围之内。当电压恢复到其正常运行范围1s之内，风电场需要提供的有功功率至少应是其最大可用有功功率的90%。(2)频率要求在不同频率偏差范围内，对风电场运行的要求如下：49.5Hz～50.5Hz：持续正常运行状态；47.5Hz～52.0Hz：应保持与电网的连接并持续60min；47.0Hz～47.5Hz：每次频率低于47.5Hz，应保持与电网的连接并持续20s；当频率变化率达到或者超过0.5Hz/s时，应保持与电网的连接；当频率超过50.2Hz时，不允许再有新的风电机组投入运行。(3)有功功率降低出力风电场中的每台风电机组都应该具有在较低输出水平下运行的能力。风电场应该有能力在线接收由输电网运行人员所给定的有功功率的运行点，并依照指示执行。由于系统安全性的原因，输电网运行人员也可能必须强行切除风电场。功率-频率响应曲线风电场的频率响应系统应具有如下图所示的功能。图3-7功率-频率响应曲线图3-7中，点A、B、C、D以及E由频率、有功功率以及降低有功输出后的运行点等设置确定。依据电力系统状况以及风电场位置，每个风电场的设定值可以变化。另外，频率响应系统应当尽可能实时反应频率的变化，每台在线风电机组的响应速度至少为每秒变化额定容量的1%(MW/s)。功率渐变率风电场应当有能力控制其有功输出的渐变率。该渐变率由输电网运行人员设定，表示为每分钟有功变化的最大值。有两种最大渐变率设定。第一种渐变率设定为1min内有功输出渐变的平均值；第二种渐变率设定为1min有功输出渐变率在10min内的平均值。以上渐变率可应用于风电场运行的全过程，包括启动、正常运行以及停机。输电网运行人员认可风速下降或者频率响应可能会导致的最大下降渐变率设定越限。两个最大渐变率的设定值可以在每分钟1和30MW之间独立改变，风电场应当能够设置每分钟有功变化斜率的1min和10min平均值。(4)电压要求运行电压范围本条款规定了输电系统正常运行和输电网发生扰动时，对于不同电压等级的系统，风电场应当连续运行的对应电压范围。同时规定，如果输电系统静态电压发生大至10%的阶跃变化时，如果输电网电压仍在所指定的范围内，风电场应与输电网相连。自动电压调节风电场应当拥有一套与常规自动电压调节器特性相类似的可以连续变化和连续动作的电压调节系统，并且风电场应当按照相应的标准所要求的那样运行，实现对变压器高压侧电压的调节。对于电压调节系统的响应速度，该标准规定：当参考点（并网点）的电压发生阶跃变化时，风电场应当在1s内完成静态无功功率响应的90%。(5)无功容量当并网点电压在所规定的范围内变化时，风电场应能运行在下图所示功率因数范围内的任意点。这里，风电场的功率因数是指在并网变压器低压侧所测得的值。A1，B1和C1点分别等价于超前功率因数为0.950，0.835和0.835；A2，B2和C2点分别等价于滞后功率因数为0.950，0.835和0.835。图3-8风电场功率因数范围(6)信号、通信与控制根据当前已有的相关标准，输电网运行人员必须详细说明风电场必需的通信连接、通信规约以及所需的模拟或者数字信号。信号的精度等级应当与当时欧洲主流标准相一致。从输电网运行人员发送到风电场的信号至少包括：控制命令、降低有功输出、功率－频率响应曲线模式和电压调节，等等。从风电场发送给输电网运行人员的信号包括：风电场可用数据，风电场降低功率运行的数据，频率响应系统的设置，风电场气象信息，等等。另外，该标准对有功输出预测提供了要求，具体为：最大装机容量超过30MW的风电场应当提供有功输出预测。在每天上午10点应预测后48小时内每间隔30min的有功，通过与输电网运行人员数据系统要求相符的电子接口传输。6英国英国电力装机总量约为78.54GW，构成如图3-9所示，其中风力发电装机1038MW，约占1.3%。从英国的电力装机构成看，燃气发电容量超过1/3，这使得电力系统具有灵活快速的反应能力，有助于风电场的并网运行。英国风能资源十分丰富，据测算，陆地风能资源的年发电量在17-82TWh之间，而近海风能资源的年发电量在232TWh(距离海岸线5km以上，水深在10-50m)。图3-9英国电力装机构成1990年，英国电力协会(ElectricityAssociation，ER)发布了工程推荐标准ERG59/1(RecommendationsfortheConnectionofEmbededGeneratiingPlanttotheRegionalElectricityCompaniesDistributionSystem)，其适用于装机容量在5MW以下、并网电压等级在20kV及以下的分布式电源，包括风电场。1995年，支持G59/1的工程技术报告ETR113发布，该报告提供了满足G59/1要求的方法。对于装机容量在5MW以上的分布式电源，英国电力协会又于1996年发布了工程推荐标准ERG75(RecommendationsfortheConnectionofEmbededGeneratiingPlanttothePublicElectricitySupplies’DistributionSystemsabove20kVorwithOuputsover5MW)。2002年12月，苏格兰输配电公司(ScottishPowerTransmissionandDistribution)和苏格兰水电公司(ScottishHydroElectric)联合提出了大型风电场接入电力系统的技术指导文件(GuidanceNotefortheConnectionofWindFarms)，其适用于装机容量在5MW及以上的所有风电场。主要内容包括：(1)风电场控制电网控制中心将会向风电场下达控制指令，包括限制风电场最大输出功率、确定风电场是否参与频率控制以及控制风电场的电压水平或无功输出等。如果风电场不能正确执行电网控制中心的指令(特别是风电场最大输出功率)，将可能导致电网控制中心暂时将风电场从系统断开。另外，除了电气故障以外，不可以同时切除超过风电场装机容量25%的风电机组。高风速将会导致输出功率逐步减少，而不是突然失去所有风电机组。除了由于风速降低引起风电场的功率降低和要求风电场提供频率控制之外，风电场的功率变化率不能超过下表给出的的推荐值。表3-3风电场最大功率变化率电站装机容量（MW）最大功率变化率（MW/h）10min最大变化值（MW）1min最大变化值（MW）<156010315-1504倍装机容量装机容量／1.5装机容量／5>据电网条件和风电场的具体情况，经过研究或者风电场运行部门与电网运行部门协商，可以修改风电场最大功率变化率的限值。(2)风电场运行频率在不同电网频率条件下，对风电场的运行要求见下表。表3-4风电场运行频率频率范围要求低于47Hz风电场应在1s以内跳开47Hz－47.5Hz每次频率低于47.5Hz时要求至少能运行20s47.5Hz－50.4Hz要求连续的运行50.4Hz－52Hz频率高于50.4Hz，频率偏差每增加0.1Hz，风电场输出功率最少应减少2%(S&DC39.1)当频率高于50.4Hz时，没有其他的风机启动高于52Hz风电场应在1s以内跳开(3)风电场频率控制标准提出装机容量大于30MW新建风电场都必须具备频率控制功能，并对频率控制系统的技术参数