風(fēng)電波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)影響規(guī)律剖析講解

1引言

風(fēng)電場(chǎng)輸出功率具有波動(dòng)性、間歇性，為確保電網(wǎng)穩(wěn)定、安全運(yùn)行，電網(wǎng)需要留有足夠的旋轉(zhuǎn)備用來(lái)完成系統(tǒng)對(duì)波動(dòng)能源的調(diào)節(jié)。電網(wǎng)可接納風(fēng)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(fēng)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(guó)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(jī)組調(diào)節(jié)速率較慢，不能有效得對(duì)風(fēng)電進(jìn)行快速調(diào)節(jié)。與之相比，水電機(jī)組具有容量大，調(diào)節(jié)速率快的特點(diǎn)，但在電網(wǎng)中所占容量較小并且分布不平均，并且其建設(shè)和運(yùn)行都受到了自然客觀條件的限制，以上原因?qū)е铝宋覈?guó)各地電網(wǎng)的接入風(fēng)力發(fā)電的能力不盡相同，換言之，風(fēng)電波動(dòng)對(duì)不同的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)帶來(lái)的影響也不盡相同。風(fēng)電波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)帶來(lái)的影響主要受三方面的因素制約：風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的特性，地區(qū)電網(wǎng)的實(shí)際情況以及儲(chǔ)能補(bǔ)償設(shè)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(guó)幾個(gè)負(fù)荷較大、電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力較強(qiáng)的省區(qū)電網(wǎng)為案例，進(jìn)行了研究。湖北省電網(wǎng)的大致情況為：全省AGC機(jī)組總可調(diào)容量1325MW 中，水電機(jī)組AGC可調(diào)容量為235MW，占17.7%，平均調(diào)節(jié)速率達(dá)21MW/min;火電機(jī)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(shí)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(shí)約有10MW/min的AGC調(diào)節(jié)裕度，這兩個(gè)地區(qū)都是位于我國(guó)的中東部的經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的地區(qū)，對(duì)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(qiáng)。

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(jī)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(jī)組，總?cè)萘?796MW，其中火電機(jī)組7873MW;水電機(jī)組僅為285.7MW，風(fēng)電機(jī)組764.3MW，生物發(fā)電機(jī)組42MW。

3大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)帶來(lái)的問(wèn)題

3.1電力電量平衡問(wèn)題

由于風(fēng)電的不確定性和不可控性，導(dǎo)致電網(wǎng)并網(wǎng)的風(fēng)電機(jī)組的電力供電無(wú)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(duì)電網(wǎng)造成沖擊。由于風(fēng)電的不可預(yù)知性，調(diào)度運(yùn)行人員無(wú)法對(duì)風(fēng)力發(fā)電做出有效的發(fā)電計(jì)劃，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)備用電源、調(diào)峰容量和系統(tǒng)運(yùn)行成本增加以及威脅系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行等一系列后果。

解決風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電力調(diào)配帶來(lái)的困難，迫切需要研制開(kāi)發(fā)一套有效的風(fēng)力發(fā)電預(yù)報(bào)系統(tǒng)。

3.2調(diào)峰問(wèn)題

為保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，在電網(wǎng)最低負(fù)荷時(shí)，仍需保證一定的機(jī)組運(yùn)行。一般燃煤機(jī)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(jī)組、電網(wǎng)在最低負(fù)荷、風(fēng)電機(jī)組出力最大的極端情況下，電網(wǎng)內(nèi)燃煤機(jī)組的最低出力加上外來(lái)電的總和應(yīng)小于最低負(fù)荷[2]。由于風(fēng)電的反調(diào)峰特性，冬季夜間低負(fù)荷、大風(fēng)時(shí)段，風(fēng)電出力快速增加。尤其在北方，冬季70%以上的火電機(jī)組承擔(dān)供熱任務(wù)，調(diào)峰能力降低，調(diào)峰容量不足。同時(shí)，風(fēng)電出力變化速度較快，火電機(jī)組常規(guī)調(diào)峰無(wú)法跟上風(fēng)電出力的快速變化，這將導(dǎo)致聯(lián)絡(luò)線交換功率超過(guò)允許的偏差，越過(guò)聯(lián)絡(luò)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(shí)期，也是風(fēng)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(jī)組不得不全部運(yùn)行，加上供熱機(jī)組的最低出力已降低至火電機(jī)組出力的最低點(diǎn)。風(fēng)電的間歇、波動(dòng)特性要求電網(wǎng)必須有足夠的調(diào)峰容量來(lái)平衡風(fēng)電所產(chǎn)生的出力波動(dòng)，但由于冬季負(fù)荷峰谷差最大，并且電力系統(tǒng)預(yù)留的調(diào)節(jié)裕度隨著供熱負(fù)荷的增加而逐步下降，這就導(dǎo)致整個(gè)電力系統(tǒng)沒(méi)有足夠的調(diào)峰容量來(lái)平衡大風(fēng)時(shí)的風(fēng)電出力，致使電網(wǎng)接納風(fēng)電的能力大大降低。

解決風(fēng)電并網(wǎng)帶來(lái)的調(diào)峰困難問(wèn)題，這就要求加大對(duì)直調(diào)電廠低谷調(diào)峰的考核力度，進(jìn)一步完善直調(diào)電廠低谷深度調(diào)峰輔助服務(wù)的補(bǔ)償措施，諸如加入儲(chǔ)能裝置等。

3.3電壓穩(wěn)定問(wèn)題

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

風(fēng)力發(fā)電的隨機(jī)性使得節(jié)點(diǎn)電壓的波動(dòng)增大，節(jié)點(diǎn)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(guān)，離風(fēng)電場(chǎng)接入點(diǎn)越近，影響越明顯。

解決風(fēng)電并網(wǎng)帶來(lái)的電壓?jiǎn)栴}，需在風(fēng)電接入集中地區(qū)安裝靜止無(wú)功補(bǔ)償器(SVC)等柔性交流輸電系統(tǒng)(FACTS)設(shè)備，減少風(fēng)力發(fā)電功率波對(duì)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(wèn)題

由于自然界的風(fēng)速不斷地變化，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的出力也隨時(shí)變化。當(dāng)風(fēng)速大于切入風(fēng)速時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)啟動(dòng)掛網(wǎng)運(yùn)行;當(dāng)風(fēng)速低于切入風(fēng)速時(shí)，風(fēng)機(jī)停機(jī)并與電網(wǎng)解列。因此風(fēng)力發(fā)電機(jī)出力有較大的隨機(jī)性，一天內(nèi)可能有多次起動(dòng)并網(wǎng)和停機(jī)解列。在風(fēng)電裝機(jī)容量較大的地區(qū)，風(fēng)電功率的波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的頻率產(chǎn)生一定的影響。

4結(jié)束語(yǔ)

在風(fēng)電接入集中且接入容量大的地區(qū)，則在極端情況下，導(dǎo)致頻率的嚴(yán)重下降，從而對(duì)系統(tǒng)的調(diào)頻增加了難度，給系統(tǒng)的安全性帶來(lái)影響。各國(guó)的風(fēng)電接入系統(tǒng)導(dǎo)則都要求風(fēng)電機(jī)組能夠在一定的頻率范圍內(nèi)正常運(yùn)行;頻率超過(guò)一定范圍后限制出力運(yùn)行或延遲一定時(shí)間后退出運(yùn)行，以維持系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定。若在風(fēng)電集中的地區(qū)加入儲(chǔ)能裝置，則可在頻率超過(guò)一定范圍后對(duì)風(fēng)電的出力運(yùn)行進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，并能充分保證風(fēng)電出力在延遲一定的時(shí)間后退出運(yùn)行，給系統(tǒng)的頻率調(diào)整留有充裕的時(shí)間，保證了系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)具有0慣性時(shí)間常數(shù)的特點(diǎn)，BESS系統(tǒng)會(huì)完成對(duì)成組電池的控制，PWM變流器負(fù)責(zé)控制電池系統(tǒng)向電網(wǎng)注入和抽出的有功、無(wú)功功率。意味著儲(chǔ)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(chǔ)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(shè)備，因此用儲(chǔ)能系統(tǒng)平滑風(fēng)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(shè)備相比有很大的優(yōu)勢(shì)。