風電波動對電網(wǎng)影響規(guī)律剖析

 風電場輸出功率具有波動性、間歇性，為確保電網(wǎng)穩(wěn)定、安全運行，電網(wǎng)需要留有足夠的旋轉(zhuǎn)備用來完成系統(tǒng)對波動能源的調(diào)節(jié)。電網(wǎng)可接納風電容量主要取決于區(qū)域電網(wǎng)所具備的調(diào)峰、調(diào)頻能力，考慮到風力發(fā)電輸出功率的變化速率較快，區(qū)域電網(wǎng)的AGC調(diào)節(jié)速率就顯得尤為重要。我國的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，火力發(fā)電占據(jù)發(fā)電容量的份額最大，但火電機組調(diào)節(jié)速率較慢，不能有效得對風電進行快速調(diào)節(jié)。與之相比，水電機組具有容量大，調(diào)節(jié)速率快的特點，但在電網(wǎng)中所占容量較小并且分布不平均，并且其建設和運行都受到了自然客觀條件的限制，以上原因?qū)е铝宋覈鞯仉娋W(wǎng)的接入風力發(fā)電的能力不盡相同，換言之，風電波動對不同的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)帶來的影響也不盡相同。風電波動對電網(wǎng)帶來的影響主要受三方面的因素制約：風電場輸出功率的特性，地區(qū)電網(wǎng)的實際情況以及儲能補償設備的特性。

2典型電網(wǎng)調(diào)頻能力分析

選取湖北、上海、吉林等我國幾個負荷較大、電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力較強的省區(qū)電網(wǎng)為案例，進行了研究。湖北省電網(wǎng)的大致情況為：全省AGC機組總可調(diào)容量1325MW 中，水電機組AGC可調(diào)容量為235MW，占17.7%，平均調(diào)節(jié)速率達21MW/min;火電機組AGC可調(diào)容量為1090MW，占82.3%，平均AGC調(diào)節(jié)速率僅為5.3MW/min。因此總共的調(diào)節(jié)能力為26.3MW/min。

上海地區(qū)電網(wǎng)的大致情況為：目前上海電網(wǎng)實際的AGC調(diào)節(jié)速率僅僅為額定調(diào)節(jié)速率的1/3左右，即最大調(diào)頻能力為50～60MW/min。因此，就目前上海電網(wǎng)的調(diào)頻能力而言，在夏季高峰時約有10MW/min的AGC調(diào)節(jié)裕度，這兩個地區(qū)都是位于我國的中東部的經(jīng)濟較為發(fā)達的地區(qū)，對能源有著巨大的需求，并且電網(wǎng)的容量較大，調(diào)節(jié)能力強。

吉林省電網(wǎng)的大致情況為：截至2008年底，吉林省內(nèi)網(wǎng)省調(diào)總裝機容量為13034MW，其中東北網(wǎng)調(diào)直調(diào)水電3238MW 。吉林省直調(diào)大部分為火電機組，總?cè)萘?796MW，其中火電機組7873MW;水電機組僅為285.7MW，風電機組764.3MW，生物發(fā)電機組42MW。

3大規(guī)模風電接入電網(wǎng)帶來的問題

3.1電力電量平衡問題

由于風電的不確定性和不可控性，導致電網(wǎng)并網(wǎng)的風電機組的電力供電無法滿足穩(wěn)定性、連續(xù)性和可調(diào)性等要求，輸出功率的不斷變化容易對電網(wǎng)造成沖擊。由于風電的不可預知性，調(diào)度運行人員無法對風力發(fā)電做出有效的發(fā)電計劃，進而導致系統(tǒng)備用電源、調(diào)峰容量和系統(tǒng)運行成本增加以及威脅系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行等一系列后果。

解決風電并網(wǎng)對電力調(diào)配帶來的困難，迫切需要研制開發(fā)一套有效的風力發(fā)電預報系統(tǒng)。

3.2調(diào)峰問題

為保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，在電網(wǎng)最低負荷時，仍需保證一定的機組運行。一般燃煤機組的最低出力約為額定出力的40%，電網(wǎng)現(xiàn)有的控制模式要求在不調(diào)停大機組、電網(wǎng)在最低負荷、風電機組出力最大的極端情況下，電網(wǎng)內(nèi)燃煤機組的最低出力加上外來電的總和應小于最低負荷[2]。由于風電的反調(diào)峰特性，冬季夜間低負荷、大風時段，風電出力快速增加。尤其在北方，冬季70%以上的火電機組承擔供熱任務，調(diào)峰能力降低，調(diào)峰容量不足。同時，風電出力變化速度較快，火電機組常規(guī)調(diào)峰無法跟上風電出力的快速變化，這將導致聯(lián)絡線交換功率超過允許的偏差，越過聯(lián)絡線上的功率限制。

在北方，冬季供熱期是電網(wǎng)調(diào)峰最困難的時期，也是風電出力較高的季節(jié)。為了保證地方供熱，網(wǎng)內(nèi)所有供熱機組不得不全部運行，加上供熱機組的最低出力已降低至火電機組出力的最低點。風電的間歇、波動特性要求電網(wǎng)必須有足夠的調(diào)峰容量來平衡風電所產(chǎn)生的出力波動，但由于冬季負荷峰谷差最大，并且電力系統(tǒng)預留的調(diào)節(jié)裕度隨著供熱負荷的增加而逐步下降，這就導致整個電力系統(tǒng)沒有足夠的調(diào)峰容量來平衡大風時的風電出力，致使電網(wǎng)接納風電的能力大大降低。

解決風電并網(wǎng)帶來的調(diào)峰困難問題，這就要求加大對直調(diào)電廠低谷調(diào)峰的考核力度，進一步完善直調(diào)電廠低谷深度調(diào)峰輔助服務的補償措施，諸如加入儲能裝置等。

3.3電壓穩(wěn)定問題

風電機組發(fā)電的不確定性和不可控性使得大規(guī)模風電機組的并網(wǎng)給系統(tǒng)的電壓帶來母線電壓越限、電網(wǎng)電壓波動和閃變等一系列問題。

風力發(fā)電的隨機性使得節(jié)點電壓的波動增大，節(jié)點電壓的越限概率隨之變大，且影響程度與它們之間的距離有關，離風電場接入點越近，影響越明顯。

解決風電并網(wǎng)帶來的電壓問題，需在風電接入集中地區(qū)安裝靜止無功補償器(SVC)等柔性交流輸電系統(tǒng)(FACTS)設備，減少風力發(fā)電功率波對電網(wǎng)電壓的影響，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.4頻率穩(wěn)定問題

由于自然界的風速不斷地變化，風力發(fā)電機的出力也隨時變化。當風速大于切入風速時，風力發(fā)電機啟動掛網(wǎng)運行;當風速低于切入風速時，風機停機并與電網(wǎng)解列。因此風力發(fā)電機出力有較大的隨機性，一天內(nèi)可能有多次起動并網(wǎng)和停機解列。在風電裝機容量較大的地區(qū)，風電功率的波動對電網(wǎng)的頻率產(chǎn)生一定的影響。

4結(jié)束語

在風電接入集中且接入容量大的地區(qū)，則在極端情況下，導致頻率的嚴重下降，從而對系統(tǒng)的調(diào)頻增加了難度，給系統(tǒng)的安全性帶來影響。各國的風電接入系統(tǒng)導則都要求風電機組能夠在一定的頻率范圍內(nèi)正常運行;頻率超過一定范圍后限制出力運行或延遲一定時間后退出運行，以維持系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定。若在風電集中的地區(qū)加入儲能裝置，則可在頻率超過一定范圍后對風電的出力運行進行適當調(diào)整，并能充分保證風電出力在延遲一定的時間后退出運行，給系統(tǒng)的頻率調(diào)整留有充裕的時間，保證了系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。電池儲能系統(tǒng)具有0慣性時間常數(shù)的特點，BESS系統(tǒng)會完成對成組電池的控制，PWM變流器負責控制電池系統(tǒng)向電網(wǎng)注入和抽出的有功、無功功率。意味著儲能系統(tǒng)可以在瞬間以額定功率向系統(tǒng)注入或者抽出一定的能量，相比水力發(fā)電系統(tǒng)10%額定容量/分鐘和火力發(fā)電系統(tǒng)0.5%額定容量/分鐘的調(diào)節(jié)能力，電池儲能系統(tǒng)的瞬間功率調(diào)節(jié)能力要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)發(fā)電設備，因此用儲能系統(tǒng)平滑風力發(fā)電這種快速變化的大容量發(fā)電系統(tǒng)與常規(guī)調(diào)峰調(diào)頻設備相比有很大的優(yōu)勢。