风电发展对我国电网运行可能造成的影响

胡传煜

(上海新能源行业协会,上海 200235)

近年来,全球的风力发电已进入一个迅速发展的时期,风电技术已经成为具有商业化发展前景的成熟技术并催生了一门新兴的朝阳产业,风能有可能成为世界未来最重要的替代能源之一。预计2020年全球电力的12%将来自风电,世界风电总装机将达到12.31亿kW。近年来在政府的大力促进和支持下我国的风电产业迅速崛起,装机容量连年翻番,2010年末累计风电装机容量已达4473万kW,已经超过美国成为全球风电装机第一大国。预计在今后的一段时间内,我国还将继续保持领先发展的势头,2015年将达到9000万kW,2020年将达到1.5～2.0亿kW。但是风力资源具有较强的随机性,风电并网运行可能对电网产生一些不利影响。以前我国风电发展规模很小,这种随机性对电网运行的影响不突出,但是随着风电发展规模的日益增大,数十万千瓦、百万千瓦级的风电场和千万千瓦级的世界超级风电基地的不断出现,对电网的影响就可能会较大,实事求是地分析这些影响及探索应对措施对于健康地发展风力发电将是十分有必要的。本文的分析将结合上海地区多年来风力发电的特点和实践进行。

1 风力随机性对并网风电机组出力和电网频率的影响

风力的随机性一直被认为是推广应用风电的主要障碍之一。风电机组因风速的随机性带来的出力变化,将对电网的频率造成影响。正常天气多数时间风较小时,风电机组的出力约为装机容量的三分之一,出力变化的绝对值相对也较小,对电网的影响也有限。但是当风的强度、移动速度及方向变化较大时,就会对风机的出力产生不同的影响。

1)阵性风的影响 阵性风对单台机的出力影响很大,风电机组在几分钟内最大可以发生50%的变化。但对同一风电场的一群风机来说,由于风从一端移动到较远的另一端是需要一定时间,各风机的出力此起彼伏,减小了风电场总出力的变化,风电场总出力曲线得到一定程度的“滤波”,如果电网中风电场的分布范围越广、风机越多,这种“滤波”作用就会越强。国外曾有研究指出,从德国某区域1500台共35万kW的风机总出力统计来看,1 h内的变化率为装机容量的1%左右,时间跨度越长变化率增大,可高达 50%。这个结果表明,历时较短的阵性风对风电场的出力影响较小。根据上海已投运的风电场实际运行经验看,南汇风电场长3.6 km,有11台1.5 MW风机,由于风电场还较小,风电场的出力经常会有30 m in内50%的变化幅度。如果电网中风电场的分布范围有数十公里到几百公里,那么风电总出力的变化幅度应当缩小。上海可利用传输到电网调度中心的风电场实时出力数据,进一步分析探讨其规律。

2)夏季雷雨或强对流天气形成的大风影响这种现象往往是局地性和短时段的,而且风速要足够大,通常需达到25m/s(约十级风)才会使风机停机,因此其影响范围和程度都非常有限,不会对电网调度造成较大影响。在上海,经常发生南汇在下雷阵雨,崇明却是艳阳天,甚至同在崇明岛上,西边暴雨如注,东边风电场却若无其事。

3)大尺度气象现象的大风影响 大尺度气象现象的大风,如台风、寒流等,目前预报还比较可靠和及时,它对风电场出力较大的影响主要发生在大风开始和结束时段,中间时段变化率相对较小。据崇明、南汇风电场的实际运行观察,这种大风从低出力开始增加到满出力,或从满出力开始下降到低出力一般需要数小时,最快约25 min。这种大风的移动速度缓慢,例如北方南下的冷空气从崇明到南汇(风电场直线间距约64 km)通常需约2 h,台风通常移动速度在10～30 km/h左右,因此崇明、南汇风电场所受到的影响会错开2～3 h,因此对电网运行影响会有所抵消。

由此可见,风的随机性带来的大规模风电场出力变化并没有原先担心的那么大,在实际运行中对电网频率的影响也比较有限,只要大电网有足够的容量,这些风电是可以消纳的。国际上通常认为,一般风力发电的容量占电网总容量只要不超过10%,风电场的并网运行对电网影响不大。电网系统越大、风机地理分布范围越广,风的随机性影响也就越平和,电网能够承受的风力发电的容量比例,甚至可以提高到20%以上。

据报道2010年4月8日,我国蒙西电网风电当日电量占比已达到了18.7%,功率占比可能更高。在国外,2009年德国风能满足了7%的电力需求,西班牙已成功实现占15%,丹麦2007年就已达到25%,美国计划2030年风电提供20%美国电力的目标。根据国家电网公司统计,2010年全国风电机组平均利用小时数为2097 h,特别是蒙东、蒙西、吉林、黑龙江,风电发电量占全社会用电量的比例分别已达到21.1%,8.7%,5.6%和4.6%,这些地区的风能利用已经达到较高水平。

随着风电规模发展越来越大和技术进步,在那些风电占比较大地区已开始采用风电场有功控制系统,这种系统可以根据电网调度的要求限制风电场总功率,按设定的优先顺序或一定比例限制风机的运行功率,作为电网遇紧急事故、高周率时调度调峰或控制输电线潮流的调度手段,当然是为了最大可能地利用稍纵即逝难以存储的风能,除非不得已应尽可能避免采用这种措施。

风电对电网调峰的影响应当放在同一周率的整个电网(如华东电网)上来考虑。在未来十年内,上海的风电规模占华东电网总容量的比例还很小,因此对调峰影响还很有限,即使华东电网内将来风电发展到千万千瓦,庞大的华东电网也还是能够承受的。但目前华东电网内与各省网间的调度出力考核还没有考虑风电的特殊性,对省网调度还有不利于风电发展的障碍,将来风电发展规模大了,应予整体考虑进行适应性修改。

为了控制风电机组出力变化对电网频率的影响,理想的做法是事先掌握风电机组的出力变化,这就要求能够预先知道风速、风向、空气密度的变化情况。目前气象科技对大尺度气象现象(如台风、寒流等)已经具有一定的预报能力,一般能做到至少提前4 h较精确的预报。但是小尺度气象现象还不能精确预测,利用目前的气象技术不太可能提前24 h精确预报某一个风电场的出力。当然,目前上海电网中的风电总规模还很小时(如只有十几万千瓦左右),风电场出力预报意义还不大,但是当风电总规模发展到较大时(如到50万kW以上),并网运行的风电场出力预报就对电网调节就会发挥作用。将来气象部门通过气象卫星遥感实时数据和地面气象站有关实测数据,在超级计算机上进行高精度(目前已可达1 km2)的数值气象预报,可提供各风电场未来24 h的逐时预报风速、风向、空气密度等数据,电网(如上海电网或华东电网)的调度中心可利用该风况数据和各风电场上传来的运行风机的状态及预存的功率曲线数据,由计算机迅速计算出各风电场未来24 h的逐时预报出力和全网风电总预报出力,并可根据需要实时滚动计算修正。这些数据实时显示在调度员和有关风电场控制室的显示屏上,电网调度员可在第一时间据此进行调频调度;风电场可用实际数据核对和验证该预报的准确性,并向上反馈,以利积累经验和修正预报软件。风电场出力预报,使风力资源的随机性对电网影响的影响减少到最小,作为一种前沿技术将在今后风力发电的发展中得到广泛应用。

2 风电机组的功率因数对电网电压的影响

早期的定桨距和变桨距风机配套的是普通异步电机,因此尽管配置了电容器补偿无功装置,但风电机组在启动时还需从电网吸收一定无功,对电网可能会产生一定的影响。现代变速风机采用双馈发电机技术或直驱风机技术(目前上海已建风机均为该类型),功率因数可在-0.95～+0.95的范围内调节,通过调节既可以吸收电网无功也可向电网发出无功。不过,目前风机的功率因数通常被风机控制程序固定设定为1,既不吸收电网无功也不发出无功,虽然对电网电压不会产生不利影响,但是其调节无功的潜力不能发挥作用。随着风电场规模的扩大,风力发电这种调节无功的能力将作为一种资源被电网充分利用,风电场的无功控制系统也已成为风电发展的前沿技术。好几年以前美国GE公司已经率先研发了风电场的无功控制系统,这种控制系统可以根据电网电压的情况自动控制风电场内每台风机的功率因数,使电网电压更稳定,还可以减少电网的线损。我国的国家电网也已要求大型风电场的设计和建设能够安装无功控制系统。

3 电网故障引起的风机切机对电网安全的影响

风机的自身保护系统通常很敏感,一旦电网发生故障电网的周率变化超过±1 Hz时,或者风电机组的瞬间电压低到额定电压的90%,或者高到额定电压的107%时,风电场的风电机组将在0.1 s内全部解列,电网将突然失去这部分电源出力。当电网恢复正常后,风机重新启动还需要过一段时间,如检测电网电压连续5min正常、风机变桨蓄电池测试正常等,甚至需要人到风机现场复位后才能重新启动,有时这可能要花费数小时才能完全恢复。当风电场规模较大并且电网电源出力紧张时,风机切机和重新启动将可能给电网带来一定影响,并且延缓电网恢复的进程,特别是在电网无备用出力时,甚至可能需要负荷相应减载(即拉电)。事实上,风电对电网影响中最严重的影响就是这类情形。2011年2月24日,甘肃酒泉风电基地发生了一起“一般性电网电压波动”事故,深夜0:34,中电投酒泉桥西风电场35 kV馈线开关柜下侧的电缆头发生C相套管接地击穿。套管接地11 s后,事故演化为三相短路故障,敦煌变330 kV母线电压瞬间跌至272 kV,酒泉瓜州地区其他10座风电场298台风机迅疾脱网。风电出力突然下降引起系统电压升高,敦煌变330 kV母线电压瞬间最高值达到380 kV,因电压过高,瓜州另6座风电场的300台风机也因此脱网。事故最后造成598台风电机组(共84万kW)相继脱网,导致电网电压大幅波动,并波及甘肃电网,威胁到了整个西北电网安全运行。

并网风机若采用了低电压穿越技术,一旦电网发生瞬间故障,风机瞬间电压即使低到20%,这些风机在0.625 s内还可以不解列,一旦3s内故障消除、电网的电压恢复正常后,风机也立即恢复正常运行,这样不仅减少了风机停机的电量损失,电网减少拉电的可能,而且对保持电网运行的稳定和电网瞬间故障后迅速恢复起到很好作用;若电网故障为永久性故障,电网速断保护正确动作,迅速切除故障点,则与故障点直接相接的风机会停机,而故障点以外的风电机组仍能继续正常运行。采用低电压穿越技术有助于并网运行的大风电场和电网运行的安全,已经在美国等一些发达国家的风电场中成功应用。我国以前风电场较小,大部分风机制造厂商和业主对此认识不够,大部分风电场都不具有该技术。如果甘肃酒泉风电基地的风机都能采用低电压穿越技术,并且电网速动保护配置合理,就能正确动作切除故障点,避免故障点以外的其他风电场风机的解列,事故对电网影响也不会这样大。现国家电网也已对并网运行的大型风电场的设计和运行提出了低电压穿越设备改造的要求。

4 风力发电机谐波对电网的影响

现代风电机组在换流变频环节中都采用了大功率电力电子元件,人们往往会担心这些元件的运行中可能会产生各种危害电网的高次谐波干扰。欧美电网对高次谐波的限制要求应该是较高的,风机变频装置在设计中已考虑了减少这种影响的措施,要求达到电网容许的标准。我国生产的风机上大多选用进口的国外著名品牌或国外技术在我国生产的变频器,目前国内外在运的风电场实际中尚未观测到对电网有明显高次谐波危害的例证,也未见有对此深度研究的报告。事实上与此相似但是功率更大、电压更高的直流输电技术已较成功地运行在电网中,更多应用变频技术的设备也遍布在各行各业的用户中,近几年风机产业的变频技术本身也在不断更新进步,因此变频引起的高次谐波,对电网的影响是有限的。当然,为了推行我国的并网风电机组对高次谐波要求的标准,在各种工况下对现有各风电机组主流机型进行一次仔细的谐波测试分析(包括风机全停时的背景谐波测试),还是有必要的。

5 风电可以减少电网线损

其实,风电对电网的影响也有有益的方面。例如,风电对我国东部电网也有好处,风电并网运行可以减少电网线损。在我国东部地区风电场通常处于电网末端的沿海地区,这些地区经济相对较发达,而且离用电负荷也较近,风电场所发的电能实际上很快被上网点周围地区的当地用电负荷就近消纳了,从而为电网分担了部分地区负荷,减少了原先从远端火电厂送电到负荷地区的线路损失,如果按减少电网的线损5%计算每年的节能效果也非常显著。

6 结语

综上所述,风电的并网运行对电网的不利影响应当说还是有限的,并且在技术上是能够解决的,风电出力预报系统、低电压穿越技术、风电场有功和无功控制系统以及新变频系统等都可以避免或者减少风电接入对电网正常运行的干扰,这些技术有些正在研发和试验中,有些已经在应用。我国经济增长面临能源和环境的制约瓶颈,但是我国有丰富的风能资源,风电将是我国电力发展重要的一支生力军,目前已经以令世人惊羡的速度迅速发展。当然,风力发电的大规模推广离不开电网的支持,我国目前正在发展智能电网和坚强电网,智能电网和坚强电网的建设可以大大化解风力发电上网的难题,使我国的风力发电资源的潜力得到充分的挖掘,风力发电成为我国节能减排和可持续发展的一个重要手段。