浙江风电发展现状及应对策略研究

张 怡

(浙江水利水电学院电气工程系，浙江 杭州市 310018)

0 引言

风力发电作为技术最成熟、最具规模化和商业化发展前景的可再生能源发电技术，近年来呈现出蓬勃快速的发展态势［1－3］.浙江是中国风能资源最为丰富的十二个省市之一，据2005年《浙江省风能资源评估报告》，浙江全省10 m高层风能资源理论储量达8300万kW，风能资源分布整体呈现为近海——沿海——内陆的递减规律，依次可划分为近海风能区、沿海风能带及内陆风能点，具有温州、台州、舟山、杭州湾及宁波象山等五个百万千瓦海上风电基地［4］.

伴随浙江风电的快速发展，并入浙江电网的风电总容量不断增大.根据规划，2020年浙江全省风电装机总容量有望达到150万kW，大约占全省电力装机容量的2%，2030年全省风电装机容量有望达到930万kW，大约占全省电力装机容量的10%.风电的快速增长为用电大省浙江带来新电源的同时，也给电网调度运行带来了新挑战.本文通过归纳浙江省风电发展概况，针对风电接入对浙江电网的影响进行分析研究，并提出调度应对策略.

1 浙江风电厂概况

浙江较早就开展了风能发电方面的研究，自1998年6月浙江省第一座风电场(台州括苍山风电厂)投产以来［5］，经过十来年的发展，浙江现已在舟山地区、台州地区、温州地区、宁波地区、金华地区建成了较为大型的风电厂14座，详细情况见表1(截止2012年12月31日).

2 浙江风电厂风力发电机选型

要分析风电并网对电网的影响，首先就要考虑风力发电机的不同类型，因为不同类型的风电机组，其工作原理、数学模型都各不相同，故而对应的分析方法也存在差异［6］.由表1可见，浙江风力发电机单机容量有0.6 MW、0.75 MW、0.78 MW、0.85 MW、1 MW、1.5 MW、2 MW 等多种类型.这些机组根据调节桨叶来划分，可分为定桨、变桨、主动失速;根据发电机来划分，可分为普通感应电机、双馈感应电机、同步电机(永磁或电励磁);根据传动系统来划分，可分为半直驱式(有齿轮箱)、直驱式(无齿轮箱)等.总体来说，浙江风电场主要选用机型有以下三种，且这三种机型各有特点，下面分节进行简述.

2.1 定速恒频异步风电机

定速恒频异步风电机的主要特点是价格便宜、结构简单，运行可靠，目前在国内风电场中选用最为广泛.该机的主要特点有:(1)风机只能在一个较小的转差范围内运行，其风能利用效率相对较低;(2)发电机采用鼠笼式感应电机，运行时需从电网中吸收无功功率，往往要求在机端装设并联电容器组.近年来，为提高该类机组的风能利用效率，国内广泛采用了双定速恒频异步风电机，此类机组通过改变磁极对数，可运行在两个转速上，即对应有大、小两种风机运行方式，从而能够利用低风速时的风能，提高风能利用率.

2.2 双馈异步风电机

双馈异步风力发电机又称变速恒频风电机，是异步化同步电机的一种.该机的主要特点有:(1)励磁采用交流，转子侧与定子侧通过变流器联系，能够在较大的范围内实现变速运行，风能利用效率较高;(2)具有调节无功功率的能力，机组无需另外附加无功补偿设备，其典型功率因数调节范围为±0.95.

2.3 直驱式交流永磁同步风电机

直驱式交流永磁同步风电机多为多极永磁或电励磁的同步电机，技术上相对先进.该机的主要特点有:(1)经过背靠背式变流器与系统相连;(2)单机容量较大，可以实现无功功率控制;(3)采用无齿轮箱结构，可避免因齿轮箱出现的风机故障，大大提高机组的可靠性和寿命;(4)运行时需要考虑谐波干扰问题.近年来，随着技术的发展和成本的降低，我国部分风电场已开始采用此类风电机.

3 风电厂并网对浙江电网运行的影响

截止2012年底，浙江电网拥有500 kV变电所33座、500千伏输电线路113条;220千伏公用变电所252座、220 kV输电线路747条;110 kV公用变电所1073座，110 kV输电线路1970条.2013年浙江电网统调最高负荷为5463万，在华东电网中仅次于江苏，位居第二位.浙江电网规模不断扩大，网络结构日趋复杂，电网发生故障的概率也在不断增加，目前浙江电网运行存在以下几点与风电相关的问题:

(1)部分重载断面潮流易超限，省内南北电网之间的500 kV输送通道，部分500 kV主变以及局部电网220 kV重载通道等在高峰负荷时存在超限运行情况，随机的风电对断面潮流控制不利.

(2)部分终端变电所供电可靠性不高，而风电往往接在这些相对偏僻的变电所下.

(3)舟山是风电资源大区，但舟山电网由于海岛特性存在网络结构相对薄弱及供电可靠性不足等问题.

发展风电等清洁可再生能源是国家能源政策方向，其规模的扩大是大势所趋，与此同时，大规模的风电并网必然会对电网稳定运行带来影响，对于电网调度运行来说也是一个亟需研究的新课题［7］.

3.1 对电网调峰、调频的影响

风电的反调峰特性增加了电网调峰的难度［8］.据东北、蒙西和吉林电网统计结果显示，风电反调峰概率分别为60%、57%和56%.在浙江电网，日负荷早高峰一般出现在10∶00～11∶00时之间，晚高峰出现在19∶00～21∶00时之间，日负荷最低值则出现在夜间1∶00～5∶00时之间.与此相对应，风电的最大出力往往出现在夜间，另外风电往往由地区调度管辖(地调调度的小电源出力增加体现为该地区对应统调用电负荷下降)，故其产生的反调峰作用将导致统调负荷低谷进一步下降，而白天高峰负荷又由于白天风电出力降低而进一步升高，从而造成统调负荷峰谷差变大，这势必增加电网的调峰难度，见图1.极端情况下，浙江电网由于调峰容量不足，风电及小水电还可能出现低负荷时段弃风、弃水的情况.另外，浙江电网发电机组以火电为主，当风电出力迅速变化时，火电调节速度有可能跟随不上风电的变化，从而造成联络线越限考核罚款.此外，传统的调度发电计划的制定基础是电源的可靠性以及负荷的可预测性，而风电出力的不可控性和随机性势必给调度计划制定的准确性和可执行性带来更大压力［9］.

3.2 对电网潮流的影响

浙江电网夏季尖峰时，部分重载输电通道较易超载运行.目前，浙江大容量的风电场主要集中在东部沿海，从网络结构上来看属于南网的电源点，所以大规模风电并网将有助于改善浙江电网北网送南网潮流越限情况，但在潮流重载压限额运行时，若出现南网风电紧急停机或大面积事故脱网，势必导致南北联络线潮流越限，此外风电运行的不稳定性将导致过限运行的次数明显增多，这将给电网安全稳定运行带来隐患.浙江沿海风能资源较为集中，随着风电开发力度的不断加大，局部电网输送潮流将加大，重载运行线路将增多，热稳定问题也将逐渐突出，可能导致送电高峰时段局部电网输电阻塞［10］.

3.3 对电压稳定性的影响

风电场往往接于网络结构相对薄弱的电网末端运行.接入后若电力电量不能在当地消纳，则将经过升压送至主网造成功率的远距离输送.同时，采用异步风机的风电厂将吸收电网的无功功率，这些都将导致接入点电压的降低，上一级系统的母线电压不得不调高运行从而来维持该级正常电压，这不仅给上级电网电压调整带来约束，还会对上级电网输变电设备安全造成威胁.此外，部分采用同步风力发电机的大型风电场，风电大发时由于同步机所发无功功率当地无法吸纳将会造成局部电网电压过高运行.例如蒙西电网塔拉地区220 kV系统电压最高升至257 kV，这无疑给电网安全运行带来极大的隐患［11］.

3.4 对频率稳定性的影响

风电容量达到一定规模后，风电的间歇性和随机性就会对电网频率产生较为明显的影响.为弥补风电出力的波动，系统内的其它机组就需要有足够快的响应速度，即爬坡能力.浙江地区水电资源相对丰富，水电机组可调容量范围大，升降速度快，能有效跟踪负荷变化，这无疑为浙江风电的发展提供了有力支持.

3.5 对电网安全运行的影响

风电抗扰动能力相比水火电机组来讲相对较差，这会影响电网安全运行，主要体现为以下两点:一是扩大事故，当系统发生扰动时，风电较易退出运行，从而扩大事故并对电网造成二次冲击.例如，2009年吉林白城风电场相邻66kV电网发生故障，导致风电大面积脱网，对系统运行造成较大冲击，导致省际联络线潮流越限;二是大幅增加电网遭受冲击的频次，例如，河南清源风电场因三相电压不平衡(受电铁和冶金等大型用户的影响，但未超国家标准限值)多次保护动作跳机，电网频繁遭受冲击.

3.6 对电网运行稳定性的影响

风电并网对浙江电网运行稳定性的影响主要体现为以下三点:(1)风电导致的潮流多变，增加了输电断面潮流的运行控制难度，影响电网暂态稳定;(2)风电发电容量增加，由于机组特性将导致在相同的负荷水平下，系统惯量下降影响电网动态稳定;(3)风电在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.

3.7 对保护装置的影响

风电对保护装置的影响较大，主要体现为以下三点:(1)异步发电机在发生近距离三相短路时将不能提供持续的故障电流，在发生不对称故障时提供的短路电流也非常有限，保护装置必须根据这有限的故障电流来检测故障，以确保准确性和快速性;(2)异步发电机提供的故障电流可能会影响现有配网保护装置的正确运行;(3)为减少风电机组的频繁投切对接触器的损害，当风速在起动风速附近变化时，风电机组将短时以电动机运行.因此风电场附近的继电保护配置和整定应充分考虑到风机电动机运行方式.

3.8 对全网运行经济性的影响

风电具有较强的随机性，目前风电出力的预报水平还达不到电力系统实际运行的要求，所以在安排运行计划时要给风电留有较大的裕度.浙江电网实际运行经验是为了保证风电并网后系统运行的可靠性，在原有运行方式的基础上，额外安排一定容量的旋转备用跟随风电的随机波动，从而实时维持电网发用电平衡.所以，风电并网对全网经济运行具有双重影响:一方面通过分担传统机组的部分出力，降低了系统燃料成本;另一方面却由于备用容量的增加加大了系统可靠性成本.

4 浙江电网风电调度策略研究

促进电网可持续协调发展，加强调度运行管理，服务可再生能源发展是电网企业适应国家能源结构变化的必然选择.根据这一原则和目标，下面从管理与技术两个层面对浙江电网风电调度策略提出如下建议.

4.1 管理层面

4.1.1 树立法制观念，依法调度

在社会主义市场经济环境下，电网企业要学会运用法律及经济手段来做好电网调度管理工作.2005年，《中华人民共和国可再生能源法》的颁布执行无疑为风电等可再生能源的调度管理指明了方向.浙江省电力公司根据法规相关要求，及时制定了《浙江省电力公司风电等新能源并网运行安全管理办法》.该办法在调度管理层面要求采取切实可行的措施来实现电网的优化调度，及时研究电力市场规律，遵守市场规则.方法要求浙江省调在政府的支持和领导下，与相关部门携手制定可再生能源电站的相关调度管理办法，确保做到调度管理有法可循、有据可依.

4.1.2 加强并网管理，确保风电有序并网

电力生产的特点以及电网运行的规律决定了电力系统必须实行“统一调度、分级管理”.对于运行相对不稳定的风电，尤其要加强并网管理，目前浙江省电力公司要求风电企业并网必须按规定签订并网调度协议，在协议中明确网厂对应的各项职责、权利和义务.此外，根据风机容量，理顺风机的调度管辖关系，明确省调、地调、县调的对应管辖范围，保证风电安全有序并入各级电网.

4.1.3 多管齐下，加强风电运行管理

浙江电网关于风电运行管理的原则是多管齐下，确保风电管理实现规范化和日常化.具体措施主要有:(1)组织完成浙江电网投运风电场性能和指标的普查工作，全面掌握风电并网的基本情况;(2)督促、指导地县调开展所辖风电站调度运行管理、功率预测、无功控制、低电压穿越能力等方面的管理;(3)开展风电站涉网运行分析，制定发现问题和隐患整改措施;(4)指导地县调开展风电站涉网事故原因分析以及相应反事故措施的制定;(5)建立风电运行分析制度和指标体系，深化运行分析，及时总结运行经验.

4.2 技术层面

4.2.1 建立风电场功率预测预报机制

国家能源局颁布的《风电场功率预测预报管理暂行办法》要求，风电场功率预测系统提供的日预测曲线最大误差不超过25%，实时预测误差不超过15%，全天预测结果的均方根误差应小于20%.该《办法》不仅有助于维护电网安全，还有利于提高风电的利用小时数，对风电场和电网都具有规范作用.可以预见，伴随浙江风电发展提速，未来将陆续投产更多更大的风电场.目前浙江从已投运的风电场入手，收集、积累、分析风电基础运行资料和各风电场的气象数据，以提高预报精度为目标建立了风电出力预报系统，从而实现较好地对风电出力进行调度.各级电网调度机构根据风电场传送的功率预测结果，综合考虑系统运行要求，按照优先调度风电的原则，编制风电场发电计划，及时向风电场通报并予以执行.

4.2.2 合理选取风机设备的类型

由本文节2分析可知，不同类型的风电机组，并网后对电网的影响各不相同.国内早期建造的风电场基本选取恒速恒频风力发电机作为主力机型，该类机具有结构简单、运行可靠、成本低等优点，但其并网运行需要吸收电网的无功功率，对电网的电压产生不利影响.近几年，伴随电力电子器件性价比的不断提高，变速恒频双馈风力发电机逐渐成为新建风电站的主力机型，该类机组具有并网冲击相对较小、可通过励磁调整发电功率、可向电网输送无功、风能利用率高等优点，有利于建设大型风电场和降低给电网稳定运行带来的压力.直驱式永磁同步风电机组具有谐波影响小、低电压穿越能力强、无功调节范围较宽、维护量小、可靠性高等特点，可在电网事故后快速恢复正常运行，是未来风电机组的发展方向.

4.2.3 电网升级改造为吸纳风电创造有利条件

建设坚强智能电网将为吸纳更多风电创造有利条件，电网企业应在积极争取国家可再生能源发展配套支持政策的基础上，加快电网基础建设和技术改造.近年来，浙江电网在提高电网安全稳定水平、提高电网输送能力、提高设备健康水平等方面做了大量工作.主要措施有:(1)积极推广技术先进的紧凑型输电技术和同杆多回输电技术;(2)积极应用交流柔性输电技术;(3)积极稳妥实施电网分层分区;(4)积极采用输电线路实时动态增容技术等，这些工作的推进为风电大规模并网提供了有利条件.

4.2.4 科学合理研究规划风电接入容量

一个地区的负荷水平、电源结构、系统稳定性、电能质量控制指标、备用容量等技术因素都将制约这一地区电网的风电装机容量.只有综合考虑以上各种因素后的计算结果，才能合理确定风电允许的装机容量.欧美等发达国家在其风电发展初期也曾出现输出受阻、超稳定等问题，可见在电网规划和建设中应综合考虑风电电源点的分布以及对电网的影响，合理规划，适时建设才不会出现大容量风电接入造成电网“卡脖子”的问题.

4.2.5 合理选择风电场的无功补偿设备

静止无功补偿器(SVC)、静止同步补偿器(STATCOM)等动态无功补偿设备相比传统并联电容器组来说，可以快速平滑地调节无功补偿功率的大小，动态平衡风电机组无功需求的变化，减小风机功率波动对电网电压的影响，从而达到改善系统电能质量和提高系统稳定性的目的.这类技术的选用，将一定程度上解决风电机组对电网电压控制造成的影响.

4.2.6 研究风电与抽蓄等灵活调峰手段的联合运行

浙江电网内有较多的抽水蓄能电站，抽蓄电站具有启停灵活、加减负荷速度快等特点，无论发电或抽水两种运行方式均能进行调相或进相运行.这些特点决定了抽蓄电站能较好解决风电出力间歇随机、电压波动较大的问题.当风电出力较大，系统负荷较低时，可利用多余的电能抽水蓄能;当风电出力较小，系统负荷较高时，抽蓄电站发电，从而实现系统的调峰.

5 结语

清洁可再生能源的开发利用已经成为全球可持续发展关注的热点，而“节能减排”也已成为电力行业发展必须遵循的要求，《中华人民共和国可再生能源法》更为可再生能源发电优先调度提供了法律依据.浙江具有开发风力发电的潜力和优势，发展可再生的清洁风力发电可以调整全省能源结构，但风力发电具有不稳定性和间歇性的特点，给电网运行带来了较大的影响.本文针对浙江电网风电接入的实际情况，分析了风电并网对电网运行产生的主要影响，从管理和技术两个层面提出了强化风电并网管理的措施.可以预见，建设一个备用充足、响应快速、调度灵活、结构坚强的电网将有利于浙江省风电资源的开发.

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