风电并网技术现状及分析

王大为二〇一〇年八月目录1、风电并网容量增长迅猛2、大规模风电并网给电网带来压力4、智能电网关注的风电场重点问题1、风电并网容量增长迅猛2005年国家颁布可再生能源法，05到08的4年时间全国风电装机容量由126千瓦增长到1221万千瓦，以每年一翻的速度发展，远远高于世界风电平均发展速度。2009年我国新增装机容量当年新增世界第一，累计世界第二。2009年中国（不含台湾省）新增安装风电机组12129台，容量13803.2MW，年同比增长124%累计安装风电机组21544台，容量25805.3MW，年同比增长114%数据来源：中国风能协会——中国风电发展报告20091、风电并网容量增长迅猛发展风电是改善能源结构和应对气候变化的重大举措，是我国能源战略的重要组成。我国风能资源主要集中在“三北”地区，大多远离负荷中心。我国积极推进大基地大电网的风电开发模式，一批百万千万级、千万千万级风电基地正在规划2、大规模风电并网给电网带来压力2.1、增大调峰、调频难度

案例：华北电网张家口地区风电对电网调峰的影响风电出力与电网负荷表现出较强的反调节特性2、大规模风电并网给电网带来压力电网负荷风电场出力2.4、风机抗扰动能力差，影响电网安全运行一是扩大事故范围。在系统发生小扰动时，风电机组退出运行，使电网承受第二次冲击，导致事故扩大。2008~2009年吉林白城电网风电场相邻10千伏和66千伏配电系统故障时，风电机组均发生大面积脱网，多次造成220千伏母线电压及省间联络线潮流越限，给系统运行带来了较大冲击。二是增加了电网遭受冲击的频次。甘肃捡财塘和河南清源风电场自投产运行以来，受电铁和冶金等大型用户的影响，频繁因三相电压不平衡（未超过国家标准限值）保护动作发生风电机组跳闸停机，使电网频繁遭受冲击。2、大规模风电并网给电网带来压力2.5、增加电网稳定风险风电的间歇性，随机性增加了电网稳定运行的潜在风险。一是风电引发的潮流多变，增加了有稳定限制的送电断面的运行控制难度；二是风电发电成分增加，导致在相同的负荷水平下，系统的惯量下降，影响电网动态稳定；三是风电机组在系统故障后可能无法重新建立机端电压，失去稳定，从而引起地区电网的电压稳定破坏。2、大规模风电并网给电网带来压力2.6、加大收购难度我国正处于风电建设的高峰期，风电所占比例还将进一步增加，目前面临的局限性、时段性矛盾可能转化为全局性，经常性矛盾，成为影响电网安全未定运行的重要因素。2.7、总体趋势2、大规模风电并网给电网带来压力3.1、风电场联网方式和输电规划风电场联网方式包括接入电网的联网点电压、联网点位置、联网风电规模、交流/直流联网等。根据目前国外和国内的研究成果，这与接入电网的规模、旋转备用、储能系统配置等均有关，这是一个可再生能源与电网的规划问题，目前国内主要依靠仿真软件实现。输电规划问题主要指大规模风电的长距离、弱连接的远距离输电、海上风电并网，以及电力市场情况下风电跨区交易问题。3.2、风电场联网对电网的友好支持风电场属于不稳定能源，受风力、风机控制系统影响很大，特别是存在高峰负荷时期风电场可能出力很小，而非高峰负荷时期风电场可能出力很大的问题，例如，西班牙风电最大出力时期可以达到电网需求的108%，因此，未来风电场联网后将严重影响电网的安全，因此，电网必须提供足够的手段保持电网的安全稳定运行，同时，电网也会对大规模风电场的运行性能指标（爬坡速率、下降速率、功率波动、无功支撑能力等）提出要求。3.3、风电场调度随着风电场规模的扩大，当电网发生故障时，需要风电场继续运行并为电网提供无功支持，1型和2型风机为主的风电场需要提供集中或分散的动态无功补偿装置避免该类风机脱离电网停机。3类和4类风机的设计和运行参数设置要满足WECCLVRT标准的要求。国际上最新的WECCLVRT标准已经于2009年4月28日讨论表决通过。3.4、低电压穿越（LVRT）3.5、无功控制调节对于安装传统异步发电机和带有可变转子阻抗的线绕式转子异步发电机的风电场，需要配置与发电功率相当的集中动态无功补偿或分散无功补偿装置（设计要求），国内前期投运的风场大部分是这种模式。对于安装双馈异步发电机和全功率逆变连接/直驱型风机的风电场，由于具备了LVRT性能要求，因此，当电网发生故障时，要求参与电网的无功功率补偿以维持系统电压，根据不同的风电场、风机类型和风机群组合进行无功分配和协调控制是风电场运行中的一个重点和难点问题。3.6、风电场及电网储能3.7、风电场发电计划电网的系统频率和AGC调频与风电场的出力密切相关，因此准确预测每天的风电场出力并进行实时经济调度是风电场监控中心和电网调度中心的一项重要工作。随着风电场规模的增加，欧洲、美国同样面临风电场调度和发电计划编制问题，因此，要与气象预报系统紧密结合，即使大规模的风电场，每天风力发电预测的误差也可达到7-9%（加州ISO）。电网侧如何进行实时风力发电预测并进行实时经济调度也是一个重点问题。西班牙风电发展史上的里程碑是1997年实施的《电力法》。这部法律最重要之处在于设立了一个“双向义务”机制：一方面，国家电网有义务购买所有生产出来的可再生能源，另一方面，这些发电厂有义务通知西班牙国家电网，将会供应多少可再生电力能源。如何提前预见未来一天、一个月、一年的风能大小，并测算出风电场产量，成为“双向义务”机制交给西班牙风电场的义务。如果预测不准，风电场要向电网缴纳罚款。这是西班牙风电制度与别国不同的一点。3.8、海上轻型直流输电并网欧洲的海上风力发电2015年达到2500万kW，2020年达到4300万kW，2030年要达到11700万kW，因此，海上风电场联网也是欧洲一个重要考虑的问题，欧洲计划采用网格式的HVDC联网工程将未来欧洲海上风电并网。我国近海和三峡水上大型风电场联网问题也是电网规划中一个重要的研究内容。3.9、风能占电网规模的比例及影响原则上电网有多大的备用容量就可接入多大规模的风电场（考虑爬坡问题），目前，欧洲电网的风电比例是4%，未来2020年要增加到12%，加州电网的风电要新增410万kW达到可再生能源占比20%的要求。为了提高电网容纳可再生能源的比例并保持电网的安全稳定运行，一方面电网需要增加抽水蓄能电站、快速启动的燃气电站建设，另一方面风电场要装备本地储能设备和增加机组控制能力，满足电网各种运行状态下（正常、故障、暂态、动态）电网安全稳定运行要求，因此，该问题的解决应由电网侧、风电场侧和与风力发电有关的利益方共同解决。3.10、风电电能质量电压偏差、电压变动、谐波、闪变。

3.11、并网标准适应性根据目前各国风电并网的标准要求，没有一个完全一致的并网标准，因此，各个电网需要根据一个通用的LVRT导则，根据本身电网接入条件确定可再生能源联网的具体细则，这需要根据大量的各种规模的风电场接入仿真研究工作来确定，因此，必须借助仿真系统来实现。4、智能电网关注的风电场重点问题风电场无功容量；风电场并网点调节方式(功率因数调节或电压调节)；系统故障时风电场保持并网的能力；跟踪有功功率变化率和减出力；4.1、风电场并网需考虑的因素4、智能电网关注的风电场重点问题风机的穿越故障能力；风电场爬坡能力；风电场为系统稳定提供无功功率支持的能力；风电场响应系统频率变化自动调节出力的能力；与电网保护配置及整定相互配合的能力；风电场(大型)黑启动能力；风电场数据通信能力；风电场业主为电网提供可供电网分析计算用的详细风电场模型及参数

4.2、风电场在并网运行过程中需具备的能力4.3、低电压穿越能力LVRT4、智能电网关注的风电场重点问题4.4、风电场爬坡能力

风电场爬坡能力是风机能够按照电网调度员的命令增加或减少发电出力,要求风电场出力变化速度低于一定限值,在极限风速条件下同一风场风机不能同时退出运行,以保证常规机组有足够反应时间拾取负荷。4、智能电网关注的风电场重点问题4.5、对电网扰动响应性能

1、稳态运行情况2、响应电网扰动能力

暂态响应

动态响应

3、扰动恢复后系统稳态行为

A、暂态不能切除的是：风力发电机组B、不能计划外切除：

风力发电机组负荷

风电场其他设备

C、对电网具有辅助支撑作用：风力发电机组

故障前暂态动态故障后稳态电压/无功Var自动调节1.05pu—0.95pu1、电压穿越2、自适应Var响应1、电压穿越2、自适应Var响应(1.1pu-0.9pu)Var自动调节(1.1pu-0.9pu)频率跟随计划曲线调节不能非计划切机不能非计划切机跟随计划曲线出力4、智能电网关注的风电场重点问题风电场能够响应系统频率变化自动调节功率输出,这就要求风电场实际出力水平下调一定百分点,以便于有一定有功备用参加一次调频。为防止突发扰动,要求加强电网可调用储备容量。德国要求一级储备容量响应时间最高30秒;二级临时储备容量响应时间5分钟;分钟临时储备容量响应时间从15分钟。4.6、储能

4、智能电网关注的风电场重点问题保护配置及整定原则，要求保护在合理范围内，确保风电场在线