大规模风电接入电网的相关问题及措施研究

明阳智慧能源集团股份公司 崔 磊

理论上风力发电方式产生的电能与火力发电模式产生的电能间并无本质区别，但受电网自身性能的影响，当大规模风电接入电网时会产生一系列问题，必须寻求妥善解决之道。

1 大规模风电接入电网时常见的问题与原因

1.1 有一定几率对电网运行造成较严重干扰

风力发电具有两种类型，分别为独立运行的离网型及接入电力系统运行的并网型。离网型风力发电主要解决偏远地区的供电问题、无需并网，不在本文讨论范围。用于并网型风力发电的发电厂一般规模较大，最少有数十台风电机组构成，最多可达上千台风电机组，容量介于几兆瓦到几百兆瓦不等。并网型风力发电厂能够得到大电网的补偿和支持，从而能在开发利用风力资源方面更加充分。但大规模风力发电接入电网时，并不是简单地将风力发电产生的电能并入电网即可[1]，须重点考虑风力发电的电能进入电网时产生的冲击电流对整个电网正常运行造成的干扰。

这种干扰不仅会造成闪变现象（指电压闪变，即当电压波动达到一定规模之后会引起照明异常，如恰好被看到，则此种现象会对人类视觉系统产生一种另类视觉感受。换言之，当人类能通过肉眼看到电力线缆中出现电压闪变，意味着电力线缆中出现了较为强烈的电能激荡，危险性极大），还有可能时电力系统内多个设备在运行期间产生谐波（会降低电能质量）。此外，由于电网中本身便存在无功功率等因素，故电网原本处于平稳运行状态的电压会出现较为剧烈的波动变化，会在不同程度上影响电网的正常运转，进而无法为用电户提供稳定、优质的电能。

1.2 会提高电网调峰难度

风力发电接入电网的过程可视为“一种传统电能来源之外的电能向供电网络中汇入”的过程。如此种“额外电能汇入”能在较长时间内保持相对稳定的状态，则电网中的各种设备会逐渐适应，经过一段时间的调整后可使电网重新回到稳定运行的状态。但由于风力发电的原始动能来源是自然界的风能，而风力强度并不是一个稳定参量，随时都会发生变化。因此风力发电本身便是一个不稳定的过程，随时可能产生比较剧烈的波动。

现阶段，由于针对风电频率的稳定控制技术手段尚不完善，故将风电接入电网后必定会影响电网的电能输配质量。原因在于：尽管风电、水电、核电都是清洁能源，均被认为能够逐渐替代传统的火力发电。但一个不可绕过的事实在于，除核电外风电、水电都是对自然清洁能源的直接调用后，将自然界的直接动能作为发电的原始动能。因此在风能、水能不足的区域，即使建设对应的发电厂电能产出量也不高，只能作为传统火力发电的补充而无法作为主要电能来源。特别是风力发电，目前只有在我国西北地区等极个别区域才能作为主要发电方式。此外，现阶段风力发电的一个制约因素在于，风电生产机组设备的启停和运行时间都处于比较集中的状态。受上述因素影响，当风电接入电网时电力调峰能力必定会受到干扰。

1.3 风力资源差异导致风电接入电网资金投入标准不一

从人类发展历史角度看，“发展”与“环保”在很大程度上处于二元对立的状态，即发展有极大可能会对自然环境造成破坏[2]。尽管历史进入了21世纪第三个十年，国际社会至少已就清洁发展在认知方面达成了共识。但就现实来看，以风力发电为代表的自然清洁能源的运用存在的最主要的问题在于：此类能源的人为控制率始终无法达到百分之百，导致无法进行比较准确地预测。此外，目前只有我国西北地区由于场地空旷、风力充足，故适合建设大规模风力发电厂。而在我国其他地区，风能资源的分布情况差异较大。

受上述因素的影响，在不同规模风力发电接入电网的过程中尚无法适用统一的标准。若要确保整个电网在接入风力电能的同时依然能够保证安全、稳定地运行，则必须安装大量备用设备。不仅如此，现阶段若要保证风电接入电网后保证绝对安全，甚至需对整个电网的结构进行改变。这些要求促使风电、电网的现有设备、相关技术必须不断升级，而直接造成的结果便是资金的大量支出。

1.4 电力消纳方面的问题

除西北地区外，我国西南地区近年来也在探索风力发电的可行性。如云南省等地已建立了大规模风力发电厂。数据显示，该地区某市每天的用电负荷最大值出现在傍晚5～6时之间，且出现概率超过75%；用电负荷最低值出现在每天下午3～6时之中，出现概率近乎100%。上述用电负荷数据与现代城市居民的日常用电变化趋势较为吻合。另一组有关风电出力情况的数据分布情况为：云南省某市的风电出力最大值共出现在两个时间段，分别为凌晨0～4时以及夜间8～12时；出现率均达到70%以上；最小值出现在每天上午9～12时，出现概率将近50%。

从上述数据中可发现，云南省某市大规模风力发电接入电网的时间很少选在用电高峰期，这是因为受风力发电随机性、波动性等特性的影响之外，风力发电还具有反调峰特性。当大规模风电接入电网时，会对包含电力消纳（即电网对电能的消化和吸纳。当电能从发电厂发送上网后，须经由配电网络尽快输送至用户端，供用户及时使用消耗。如用不掉，则由于没有能够储存电能的方式只能浪费。从这个角度来看，电力消纳是指将电网中没有被及时消耗，处于“富余”状态的电能调度到有需求的电网负荷区段的过程）、调峰、暂态稳定在内的工作造成一系列影响。

风力发电可能造成此类影响的原因如上文所述，根源发生在风力发电的特性方面——一段时间内的风力强度是一个不可控因素，风力带动发电机组运转的速率在不受人为控制的情况下，风力发电量自然也不是一个确定的值。因此风力发电接入电网的电能量不稳定，电力消纳、调峰调频等调度自然会受到影响。

2 解决大规模风电接入电网问题的有效措施

2.1 系统性加强大规模风电接入电网时的规划建设水平

若要解决大规模风电接入电网时可能产生的问题，首要策略在于系统性地加强大规模风电接入电网时的规划建设水平[3]。

第一，我国电力企业，特别是西北、西南地区的大规模风力发电企业应聚焦国内外风力发电领域，在世界各国出现新技术后的第一时间应迅速指派专项人员前往调研，之后通过技术引进等方式，将一些与我国大规模风力发电接入电网相关的技术引入国内，逐渐完成优质风力发电并网体系的建设；第二，仅依靠企业自行完成技术升级远远不够，原因在于：风力发电接入电网整个过程受地方电力部门的整体管辖。在这个过程中，各级政府、不同电力企业、不同能源规划使用（除风力发电、火力发电外，还包含水利水电、核电等，这些不同的电能接入电网时都需考虑接入后的电网稳定问题）。

因此，只有系统性地加强大规模风电接入电网时的规划建设水平，加强对风能资源开发利用的规划管理，使风电场的建设及运转时需更加科学，才能确保电网、电源、区段用电负荷始终处于可控状态之内。此外，为了进一步夯实基础，在一些基础条件较为完善的地区，可在风力发电接入形式方面进行升级。如云南省电力调度控制中心蔡华祥等技术人员，在分析云南国富风力发电集团大规模风电接入电网的文章中提出了“打捆外送接入法”，是指将大规模风力发电经由高电压等级线路实现“集中并网”。此种方式已被证实能大幅度提高大规模风力发电接入电网时的安全性，并有效降低风力发电外送过程中受到的阻碍，具有较强的可行性。

2.2 对能源结构进行全面优化，进一步提升调峰调频电源的整体性能

在一些地区电能来源较为单一，可能只有火力发电这种传统模式。但在另一些地区可能同时存在风力发电、水力发电、太阳能发电、火力发电、核电在内等多种发电形式。诸多能源结构汇聚的情况下，如调度存在问题则必定造成能源的浪费。因此只有对能源结构进行全面优化，才能提高资源利用率。蔡华祥等在文章中介绍，云南国富风力发电集团在调峰调频电源方面进行了集中优化，即科学合理地完成了调峰调频电源容量的升级。此举在一定程度上对大规模风力发电接入电网时可能产生的调峰调频问题进行了预先设想，极大地增加了并网时的缓冲空间。此外，在优化能源结构方面，需多种能源间也存在一定的互补性，需要收集相关数据，做好规划工作，同样可有效解决大规模风力发电接入电网时遇到的问题。

2.3 政府有关部门应逐步完善政策法规，建立统一的大规模风电接入电网标准

包含大规模风力发电在内，诸多清洁能源发电接入电网在我国尽管已不是一个新概念，但随着多种清洁能源发电量的不断增加，一些政策法规已经显现出陈旧性，必须予以更新。此种政策层面的改进对整个电力系统的可持续发展均由较为明显的促进作用。以大规模风电接入电网为例，具体执行的标准受各地区自然情况的影响，固然存在一定的差异，但在原则方面可趋于统一。

具体而言：政策中应要求各地区风力发电厂注意收集历年来与风力发电有关的各项因素对应的参数。如一个地区以年、季度、月为单位的风力强度变化情况。尽管所谓“风无相，云无常”，但风力强度的变化趋势并非完全无迹可寻。在掌握基础参数后纳入大数据分析系统，对一个区域内不同时限内的风力强度变化区间进行加权计算，根据最终得出的风力强度变化范围，对一个风力发电厂对应时限内的发电量进行预估，可有效降低风力发电接入电网时出现问题的几率。

2.4 不断强化技术创新，针对各类具体问题给出明确指导意见

技术层面的革新永远是重中之重。可行性方法包含：第一，风力发电厂、电力管理部门应尽快完成风电场综合运行评价指标体系的制定，目的在于对一定区域内风力变化情况、风力发电自然特性、区段电网负荷匹配程度、能够接入电网的其他能源互相之间的协调性、并网过程的整体安全性等进行全面收集、随时了解，最终实现使大规模风力发电接入电网这一过程的安全性不断提升，发生任何突发情况时均可通过调度最终转危为安；第二，做好对风电场运转情况的实时监测工作。如在风电外送输电容量优化技术应用等方面，究竟能够产生什么样的效果，需定期报备。

2.5 加强校企合作，在高新人才培养方面融入更多大规模风电相关问题

进入互联网时代后高校中逐渐诞生了很多新专业，如互联网金融，是指将传统的金融专业与互联网技术相互结合。而此种现象同样可出现在风力发电方面。目前我国风力发电企业及电力运行部门急缺这方面的人才，可通过加强校企合作，在培养高新技术人才时融入更多与大规模风电相关的问题。在此种人才培养思想的指导下，人才接受培养时还可渗透数据规范化管理、事故管理、电网综合调度管理、城市用电需求综合管理等内容[4]。总之，在人才培养期间，可模拟风力发电、电网检测运行日常工作中的有关流程，最终达到助力我国风力发电良好发展的目的。

3 结语

风力发电效率受自然因素的影响较大，故即使是相同的风力发电厂，在一年中的不同季节呈现出的并网出力波动性也存在比较明显的差异。此外大规模风电接入电网的过程中，依然存在调频调峰难度大、可能影响电网局部运行稳定性等问题。只有进一步加强风力发电并入电网的规划建设水平，实现能源结构的优化，才能有效解决上述问题。