大规模风电并网问题基本框架

袁小明

（华中科技大学 电气与电子工程学院，湖北 武汉 430074）

风力发电作为目前最为经济和成熟的一种可再生能源发电技术，近10年来在世界各主要国家得到了迅速发展.欧美于2007年均提出至2030年风电发电量满足其20%电力需求的战略目标，总装机容量将分别达到1.8，3.05亿kW［1－2］.中国国家发展改革委员会与国际能源署联合做出的首个风电发展综合规划《中国风电发展路线图（2050）》也提出，至2020，2030，2050年中国风电总装机容量分别达到2，4，10亿kW的目标.按照这个规划，至2050年风电发电量将可满足中国17%的电力需求.至2010年底，国际风电总装机容量已达到1.7亿kW，其中中国为4 400万kW，超过美国的4 100万kW，居于首位.

目前，风机设备技术已趋于成熟、风力发电成本已趋于合理.并网问题是风电大规模发展的主要障碍，已引起国内外工业界、学术界，以及政府部门的高度关注.据中国国家电监会《风电安全监管报告（2011年）》称，2010年中国风电平均利用小时数为2 047h，2011年1－6月中国风电平均利用小时数仅为1 252h.同时，2011年1－8月份，中国发生193起风机脱网事故，包括一次损失风电出力50万kW以上的脱网事故12起.欧美国家由于前期风电开发靠近强电网，且风电机组并网性能较好，矛盾相对较缓和.随着远距离风资源的逐步开发，如欧洲海上风电、美国大平原地区风电等，并网问题也已日趋严重［3］.

笔者将扼要讨论大规模风电并网存在的基本问题，并提出解决这些问题的基本思路.

1 风力发电与常规发电基本区别

风电与常规发电相比存在2个方面的基本区别，即

1）在一次资源及静态出力特性方面，常规发电的出力取决于煤、天然气等可控的一次资源，因而是稳定和确定的；风电的出力取决于风资源，因而是波动的且预测结果存在不确定性；

2）在控制方式及动态出力特性方面，常规发电趋于平抑并可穿越电网扰动，因而具有致稳性和抗扰性；部分风力发电机组不响应且难以穿越电网扰动，因而具有弱致稳性和弱抗扰性.

2 大规模风电并网一般问题

1）供电充裕问题.

风电静态出力的波动性和不确定性对电力系统维持充裕供电构成了新的挑战.常规的电力系统也面临由于负荷波动以及机组停运而引起的供电充裕问题.供电充裕性的保障是一个以负荷静态特性为基础、以静态电力实时平衡为目标的，包含负荷预测、电源及电网规划以及电源运行调度的复杂过程.根据负荷静态特性的特征，规划的电源通常包括3种类型：①在线快速响应电源作为调频电源（分钟级）；②快速响应电源如水电、燃气发电等作为负荷跟踪电源（小时级）；③慢速响应电源如火电、核电等作为基荷电源（日级）.波动性和不确定性的风力发电大规模并网后，电力系统净负荷（负荷减去风电）静态特性表现出新的特征，主要在于2个方面：①波动速率和范围增加；②波动速率及范围的不确定性增加.研究表明，风电注入率较低时，这种特征将主要影响系统的负荷跟踪电源需求（增加）；风电注入率较高时，这种特征将进一步影响系统的基荷电源需求（降低），并使得各种类型常规电源的载荷水平趋于降低、起停趋于频繁.因此，大规模风电并网对系统中常规发电静态出力特性的灵活性提出了更高的要求.

2）运行稳定问题.

风电动态出力特性的弱致稳性和弱抗扰性对电力系统的运行稳定也构成了新的挑战.常规电力系统同样面临着在小扰动和大扰动作用下的运行稳定问题，其运行稳定性的保障是一个以负荷动态特性为基础、以动态电力实时平衡为目标的，包含扰动辨识、电源动态特性设计，以及系统安全防御控制的复杂过程.根据负荷动态特性的特征，电源动态特性设计主要包括3个方面：①动态有功出力响应趋于平抑相位扰动；②动态有功出力响应趋于平抑频率扰动；③动态无功出力响应趋于平抑电压扰动.弱致稳性和弱抗扰性的风力发电大规模并网后，系统中电源的总体动态特性表现出新的特征，主要在于3个方面：①动态有功出力响应平抑相位扰动的能力趋于减弱；②动态有功出力响应平抑频率扰动的能力趋于减弱；③动态无功出力响应平抑电压扰动的能力趋于减弱.研究表明，风电注入率较低时，这种特征将主要影响风电本地的电压水平；风电注入率较高时，这种特征将进一步影响系统功角及频率稳定.因此，大规模风电并网对风电动态出力特性的致稳性和抗扰性提出了新的要求［4］.

3 供电充裕与运行稳定问题相互关系

由上所述，供电充裕问题与由一次资源所决定的风电静态出力特性有关，时间尺度为分钟级或以上；而运行稳定问题与由设备控制方式所决定的风电动态出力特性有关，时间尺度为秒级或以下.供电充裕问题表现为静态出力调节问题，调节目标为静态功率的实时平衡；运行稳定问题表现为动态出力的控制问题，控制目标为动态功率的实时平衡.风电静态出力调节特性决定了系统的潮流及运行工作点，进而影响了电源的动态特性及系统的运行稳定性；而风电动态出力控制特性决定了系统的稳定域，进而形成了对系统潮流及运行工作点的约束，如图1所示.

图1 供电充裕问题与运行稳定问题的相互关系Figure 1 Relationships between power supply adequate and operation stability

由此可见，风电设备控制方式是影响运行稳定问题的直接的第1位因素，而风电出力的波动是影响运行稳定问题的间接的第2位因素.同时，风电出力的波动是影响供电充裕问题的直接的第1位因素，而风电设备控制方式是影响供电充裕问题的间接的第2位因素.即使风电出力没有波动，系统仍面临运行稳定问题的新的挑战.从另一角度看，即使风电采用同步发电机并网，系统仍面临供电充裕问题的新的挑战，这一点是显而易见的.

4 解决大规模风电并网问题基本思路

解决风电并网问题的核心途径主要在于2个方面：

1）规划增加系统中常规发电静态出力特性的灵活性，以应对由风电波动性和不确定性引起的系统供电充裕性问题，这也是电网对风电适应性的关键；

2）优化风电电源对电网扰动的动态出力响应特性，以应对由风电弱致稳性和弱抗扰性引起的系统运行稳定问题，这是风电对电网友好性的关键.

为应对供电充裕性问题，还应考虑：①风电出力波动及其不确定性预测及控制；②出力波动及其不确定性对运行调度方式的影响；③跨区域协调对风电波动性和不确定性的影响；④负荷（如电动汽车）及其他可调度资源的应用［6－7］.

同时，为应对运行稳定性问题，还应考虑：①电网故障的快速预测和辨识；②风电弱致稳性和弱抗扰性对系统安全防御控制的影响；③风电机组间动态特性耦合的影响；④常规发电动态特性优化及其他辅助致稳资源的应用［8］.

5 结语

风电静态出力特性的波动性和不确定性对电力系统维持充裕供电构成新的挑战，同时，风电动态出力特性的弱致稳性和弱抗扰性对电力系统运行稳定也构成新的挑战.波动性和不确定性影响系统运行工作点并进而影响运行稳定性，同时，弱致稳性和弱抗扰性影响系统稳定域并进而对系统潮流形成约束，两者都将限制风电在电网中的注入水平.解决供电充裕问题的核心途径在于提高常规电源静态出力特性的灵活性，并需考虑跨区域资源的互补.解决运行稳定问题的核心途径在于优化风机或风电场本身的动态出力特性.

［1］U.S.Department of Energy（2008）.20%wind energy by 2030：Increasing wind energy's contribution to U.S.electricity supply［R］.Washington，DC，USA：National Renewable Energy Laboratory，2008.

［2］Arthouros Zervos，Christian Kjaer.Pure power：Wind energy scenarios up to 2030［R］.Brussel，Le Royaume de Belgique：European Wind Energy Association，2008.

［3］Ryan Wiser，Mark Bolinger.2010wind technologies market report［R］.San Francisco，CA，USA：Lawrence Berkeley National Laboratory，2011.

［4］袁小明.长线路弱电网情况下大型风电场的联网技术［J］.电工技术学报，2007，2（7）：29－36.YUAN Xiao－ming.Integrating large wind farms into weak power grids with long transmission lines［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2007，22（7）：29－36.