风能发电技术在珠海应用初探

甘德树

摘 要：文章介绍了国内目前风电发展规模及概况，分析、探索了风电发电调度并网技术在珠海的应用情况。

关键词：风力发电；并网；研究分析

1 外风电发展趋势

风力发电是当今世界可再生能源开发利用中技术最成熟、最具开发规模和商业化发展前景的发电形式，由于其在减轻环境污染、调整能源结构、促进可持续发展等方面的突出作用，展现了良好的发展前景，是中国和世界重要的后续能源之一。

随着技术的进步、可再生能源激励政策的深入以及世界范围内环境保护的压力，风力发电正逐步走向规模化和产业化，风力发电在电网中的比例越来越大，全球每年新增风电容量，2012年为45GW，全球每年累计风电容量，2012年为282GW。趋势是从2008-2009年开始迅速发展，比如工业革命，信息时代革新等，新能源的发展对每个国家来说都是新一轮的挑战。全球每年新增风电容量，2012年为45GW，全球每年累计风电容量，2012年为282GW。趋势是从08-09年开始迅速发展。比如工业革命，信息时代革新等，新能源的发展对每个国家来说都是新一轮的挑战。

风电发展的情况表明，风电产为正朝着海上风电、大型机组发展，而且产业营运成本在逐步降低。

2 风电现状及效益分析

2.1 电发展概况

截至2012年底，广东全省共有风电场32家，风电总装机容量143万千瓦，占统调总装机容量1.4%，其中，2012年新增风电容量52万千瓦，同比增加57%。2012年，全省风电最大出力约100万千瓦，累计发电量23.72亿度，发电小时1971小时。

已并网风电场分布在省内九个地市，大多数位于广东海岸线上，属近海风电场，受海洋气候影响较大。其中，汕头、江门、揭阳、阳江等四个地市风电装机规模相对较大，在20-40万千瓦之间。

目前珠海地区电网有两个风电场，分别是珠海A风电场和珠海B风电场，总裝机容量分别为15.75MW、49.5MW，单机容量均为0.75MW，分别通过10kV、110kV并网。

在建的珠海某海上风电场是南方电网首个海上风电项目，占海域面积约33km2，共布置66台3MW的风机，总装机容量为 198MW，按照电网规划，风电机组通过35kV海底电缆在三角岛汇集、升压后，通过2回110kV海底电缆并入在规划中的220kV吉大站110kV母线。首期3台机组计划投产时间为2015年6月。

2.2 度管理现状（截止至2012年底）

2.2.1 并网管理

为确保风电场并网后电网的安全稳定及电能质量合格，在风电场并网前期，地区供电局各职能部门全程参与风电场的可行性研究、初步设计、接入方案审查及启动验收，并网前各地调均按照电网公司要求与风电场签订并网调度协议，并督促风电厂按照相关技术要求开展各项工作。至2012年底，广东电网风电场均由地调调管，缺乏全网统一规范和指导，工作中管理标准和监督机制不完善，其后果开始逐渐显现，出现了风电场接网方式不合理、机组调试时间无约束等现象。

2.2.2 调峰调频管理

广东并网风电场均通过110千伏及以下电压等级线路上网，正常方式下满足送出需要。由于风电机组运行特性与传统水、火机组差异较大，其出力随机性强，间歇性明显，波动幅度大，且与电网的负荷特征曲线相反，一般表现为冬大夏小、夜多日少等谷高峰低的典型反调峰特性，不利于系统的正常调控。目前风电占全网装机比例较小，电网对风电场自动有功功率控制能力尚未有具体要求，风电机组也不参与系统的实时调峰调频。

2.2.3 无功电压管理

广东电网风电场基本都配置有无功补偿装置，其中少数配置有SVC装置。多数风电场采用恒功率因数控制方式，正常方式下并网点电压满足运行要求。但在部分风电接入集中地区，当风电零发或满发时，其电压幅值相差最大可达5%以上，末端电压接近限定值的情况时有发生。

2.2.4 低电压穿越能力管理

根据《国家能源局关于印发风电机组并网检测管理暂行办法的通知》【国能新能〔2010〕433号】及《国家能源局关于加强风电场并网运行管理的通知》【国能新能〔2011〕182号】等文件要求，风电机组应具备低电压穿越能力，目前尚未组织开展此项工作。

2.2.5 风电信息管理

全省32家风电场中，30家风电场基本运行信息如有功功率、无功功率、电流、电压等已通过升压站接入地调EMS，大部分地调可以正常监控风电厂的功率、送出线路电压、输送线路电流等电气量和设备状态，但由于缺乏全网统一标准要求，各地调风电信息接入情况不一。

2.2.6 风功率预测管理

各风电场尚未建立风功率预测系统，中调和地调主站也未建立风功率预测系统，对风电功率预测基本依靠人工，准确性差，风电出力尚未纳入电力电量平衡预测中。

2.3 珠海风电效益分析

2.3.1 风电项目投资能刺激社会经济和科学的发展，增加就业率

风力发电具有非常好的社会效益。首先从它创造的技术专业岗位上看，据统计新能源办（2013）统计每装机1 MW将直接增加就业5人，间接增加就业是直接增加就业的4倍，大约有20人，装机容量为50 MW的风力发电场可直接增加就业200人，间接增加就业近千人。

2.3.2 风电项目投资减少了对环境的污染，提升了社会生活的质量

风力发电场每生产1kw·h的清洁风电，相当于火力发电消耗380g标准煤所产生的电能，装机容量为50MW，年可利用小时数2600h风电场，每年可生产1.3亿kw·h的电能，可节约标准煤4.94万吨，大约相当于原煤10.17万吨，可减排烟尘650吨，灰渣1.56万吨，二氧化硫793万吨，氮氧化物585吨，二氧化碳14.978万吨。为世界的减排二氧化碳做出贡献的同时可以通过出售排放配额获利。如果每kw·h风力发电可避免的污染成本量为0.18元，则上述50MW风力发电场的经济效益估计每年约2608万元。综上所述，风力发电具有非常好的环境效益。

2.3.3 珠海A风电经济效益

珠海A风力发电厂投资的投资规模虽然不算大，但其投资经济收益非常可观。2010年度至2012年度利润总额分别为6240291.18元、3784812.91元、4774324.09元；上述三年投资总额分别是38176829.73元、35828784.98元、37007914.22元。

根据公式，投资收益率=年平均利润总额/投资总额×100%可求得其收益率最高的年份为2010年，计算投资得到收益率为16.35%；2011年收益率稍微有所下降，跌至10.56%；2012年其收益率开始有所回升，升至12.90%；其三年的收益率的方差为 0.000846；方差值偏小，说明了这几年来该厂的收益率波动不算大，所承受的投资风险较小。

表1 珠海地区小电源并网电价一览表

如表1所示：风力发电的上网电价是最高的。作为供电企业，从上网价格来看收购风能发电的电量花的成本要比其它能源要高。

此外，风电并网设备的日常运营成本也较高，因此随着风力发电并网规模的不断扩大，对供电企业的经济收益将产生一定的消极影响。

3 风电场并网技术应用

3.1 中国风电并网标准

2005年12月12日，我国首个风电场并网的指 导技术文件《风电场接入电力系统技术规定》，考虑到当时的风电规模、机组制造水平，适当降低了对风电的要求，仅提出一些原则性的规定。

2011年12月30日，由中国电科院为主要起草单位编写的国家标准GB/T19963-2011《风电场接入电力系统技术规定》正式颁布，并于2012年6月1日开始正式实施。标准的颁布实施将促进我国风电健康有序地规模化发展，确保大规模风电并网后电力系统的安全稳定与可靠供电。

2011年，南方电网结合自身企业实际，修订Q/CSG 110008-2011《南方电网风电场接入电网技术规范》，对风电场运行条件、风电场有功功率、风电场无功功率及电压控制、风电场电能质量、电风场二次系统、接入电网检测及模型参数作了明确规定。

3.2 风电场并网技术在珠海的应用分析

目前，珠海地区运行中有两家风电场。其一是通过110kV并网的B风电场，总装机容量为49.5，并网结线方式如；其二是通过10kV并网的A风电场，总装机容量为15.75MW，并网结线方式。B风电场历史最大发电出力为35MW，A风电场最大发电出力为15MW。

两家风电场投运后运行数据表明，正常运行方式下，由于风电场发电出力比较小，风电场在运行频率、有功功率控制、无功功率及电压控制、电能质量等规范均满足Q/CSG 110008-2011《南方电网风电场接入电网技术规范》要求。由于没有特殊方式需求，欠缺特殊运行方式运行经验。

3.3 风电场并网对珠海电网电能质量影响分析

为研究珠海风电场在正常运行情况下对并网点电能质量影响的具体程度，对珠海并网运行的风电场接入点电能质量进行了测试，并从谐波、闪变、暂态电能质量进行分析。

测试采用Fluke1760三相电能质量记录仪，在风电场接入点，对线路电流、并网点电压进行连续多天监测，测试期间风电场风力变化范围较大，风电场风机整体出力的变化范围约从0%至90%的装机容量，测试结果能够反映风电场并网对电能质量。

在测试期间，珠海A风电并网点三相短时闪变、长时闪变的95%概率值均在国标限制以下，但闪变的最大值超过国标值，长时闪变值在测量时间内的闪变合格率均分别为98.77%，98.77%，99.79%。因此，珠海A风电场并网点存在电压闪变影响，对电压敏感用户这种影响不能忽略。

在暂态电能质量监测方面，2013年9月测试期间，珠海A风电场10kV风电乙线并网点共监测到电压暂降104次，电压暂升26次，其中有23次电压暂降事件、18次电压暂升事件在CBEMA电压包容曲线合格范围以外，电压暂升和暂降事件的分布。风电场电流突变是造成并网点电压骤变事件的主要原因。

通过对珠海B风电场内110kV临B甲线出线的电能测量，发现110kV临B甲线风电场侧并网点总谐波畸变率最大相为C相，总畸变率95概率值为0.559%，低于国家标准2%的限值，2至25次谐波电压A、B、C各相谐波电压含有率95概率值均低于国标限值。并网点谐波电压的含有率相对较高的是5次、7次、11次、13次谐波，其中5次谐波电压C相含有率相对最高，其95%概率值为0.358，低于国标1.6%的限值。因此，珠海B风电场并网点谐波电压满足国标的相关规定。

通过对珠海运行中风电并网点的电压大量的测量及分析表明：珠海B风电场容量相对较大、通过110kV高压并网、风电场内部装有动态无功补偿设备，其并网点稳态和暂态电能质量较好。珠海A风电场容量相对较小属于分布式电源范畴，其直接接入10kV配网，并网点稳态电能质量符合国标要求，但暂态电能质量影响明显。

3.4 风电场低电压穿越功能应用初探

由于在建的珠海某海上风电总装机容量较大（198MW），单机容量为3MW，并按并网规范配置了低电压穿越功能，因此研究风电场低电压穿越功能有对运行适应性有一定的意义。

3.4.1 风电场低电压穿越概念

低电压穿越：是指当电网故障或扰动，引起风电场并网点的电压跌落时，在一定的跌落范围和时间内，风电机组能够不间断并网运行，甚至向电网提供一定的无功功率，支持电网恢复的能力。

2011年2月24日，西北电网甘肃酒泉风电基地因某风电场某元件故障，330千伏母线电压瞬间跌至272千伏，导致10座风电场的274台风电机组因不具备低电压穿越能力在系统电压跌落时脱网，并引发連锁反应，最终脱网风机达598台，损失出力840.43MW，占到事故前酒泉地区风电出力的54.4%。脱网事故导致甘肃电网大幅波动，甚至造成西北主网频率最低跌至49.854Hz。

同年4月17日，甘肃瓜州同类事故造成702台风机脱网，损失出力1006MW，造成西北主网频率跌至 49.815Hz。

3.4.2 珠海风电场并网机组低电压穿越探讨

图1为珠海某海上风电场接入电网电气接线图，风电机组通过35kV海底电缆在三角岛汇集、升压后，通过2回110kV海底电缆并入在规划中的珠海某220kV变电站110kV母线。风电场并网投运后，假设该220kV变电站其中任一出线区内、区外故障，该220kV变电站110kV母线电压骤降。现分析该海上风电机组能否保持不脱网持续运行。

情形1：在某220kV变电站110kV母线的其他出线发生故障时，主保护（光纤差动保护或零序、距离Ⅰ段保护）正确动作，其切除故障时间在100ms以内。通过BPA軟件计算，风电场机组电压下降至额定电压的38%左右。此时，比对低电压穿越功能曲线，机组配置的该电压水平的低电压穿越时间约为900ms，而主保护切除故障的时间在100ms以内，远小于900ms，因此，此时低电压穿越功能将发挥积极作用，确保其机组不脱网继续运行。

图1 珠海某海上风电场接入电网电气接线图

情形2：假设某220kV变电站110kV的某出线受电端的110kV主变10kV侧设备故障，该110kV主变高压侧开关拒动，由该110kV出线的后备保护（如距离Ⅲ段）动作切除故障，其切除故障时间约1.8s。通过计算，风电场机组电压下降至额定电压的81%左右。此时，比对低电压穿越功能曲线，机组配置的该电压水平（81%）的低电压穿越时间约为1.75s，稍小于切除故障的时间1.8s。因此，此时风电场的机组很可能脱网。不过主变主保护拒动的几率较小，因此这种情况导致的机组脱网几率也较小。

情形3：假设某220kV变电站110kV的某出线受电端的110kV变电站110kV母线故障，该线路的距离Ⅱ段（或零序Ⅱ段）保护动作切除故障，其切除故障时间约0.3s（结线方式为链接方式的110kV线路为0.6s）。通过计算，风电场机组电压下降至额定电压的33%左右。此时，比对低电压穿越功能曲线，机组配置的该电压水平（33%）的低电压穿越时间约为0.9s，大于保护切除故障时间约为0.3s（结线方式为链接方式的110kV线路为0.6s）。因此，此时风电场的机组保持连续运行不脱网。

根据《珠海市新能源产业发展规划》，今后几年，珠海市将大力发展风能发电，尤其是海上风能发电，珠海风电产业规模将迅猛发展。随着风能所占所有电源的比例不断增大，低电压穿越功能配置对电网安全的支配作用将越来越突出。

4 结束语

风能资源作为珠海市的清洁可再生能源，在过去的几年里得到合理的开发和利用，经实践证明，取得了良好的社会效益和经济效益；珠海优越的地理位置及合适气候特点，决定了珠海具有丰富的风能资源，在国家可持续发展战略社会背景下，地方政府大力发展风电已无可避免。

另一方面，基于风能随机性、间歇性、波动性的特点，大规模风电场并网时容易产生电压波动和闪变、并网点电压偏差等问题，同时风电机组中使用了大功率的变流器元件会产生谐波引入电网。因此，大规模的风电接入在发电功率预测、低电压穿越的适应性、电能质量等方面对电网安全运行影响将越来越大，广泛开展对风电并网低电压技术、电能质量影响的研究，进一步明确并网技术规范，对保障风电接入后电网的安全，保证优质电能供应显得十分重要，也是电力企业每一位技术人员及管理者的光荣使命。

参考文献

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