新能源政策下風(fēng)能發(fā)展對電網(wǎng)調(diào)度管理的影響

國網(wǎng)山東省電力公司利津縣供電公司 馮勛強

2006年1月1日《中華人民共和國可再生能源法》正式生效以來，綠色能源等新能源建設(shè)步伐明顯加快，呈現(xiàn)出良好的發(fā)展勢頭。2020年9月22日中國在第75屆聯(lián)合國大會上宣布：二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。在最新的“十四五”計劃中進一步提出要聚焦新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，加快壯大新能源產(chǎn)業(yè)。近年來大型并網(wǎng)風(fēng)電在全國各地發(fā)展迅速，截至2021年9月底全國發(fā)電裝機容量22.9億千瓦，同比增長9.4%。其中風(fēng)電裝機容量約3.0億千瓦、同比增長32.8%，在新能源產(chǎn)業(yè)中增長最快。

山東省東營市屬風(fēng)能資源較豐富的地區(qū)，風(fēng)能資源理論儲量為100萬千瓦，主要集中在北部、東部的沿海灘涂，目前已投運及在建風(fēng)電場超過10個，分別是位于東部沿海、防浪堤西側(cè)的東營大唐風(fēng)電場；河口區(qū)北部沿海的河口國華風(fēng)電場、河口華能風(fēng)電場；利津縣刁口鄉(xiāng)北部沿海的利津國華風(fēng)電場、埕口國華風(fēng)電場、利津華能風(fēng)電場；廣饒東部沿海的廣饒國華風(fēng)電場；墾利縣東北部墾東辦事處境內(nèi)的墾利榮勝風(fēng)電場，風(fēng)能裝機總?cè)萘砍^900MW，每年提供風(fēng)能超過15億千瓦時，在各項新能源發(fā)電項目中占絕對主導(dǎo)地位。相對于同等上網(wǎng)電量規(guī)模的燃煤電廠能節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤58.4萬噸、減排CO2146萬噸，減少粉塵、NOx、SO2等排放51萬噸。

1 風(fēng)電場運行對調(diào)度管理的影響

風(fēng)電是一種清潔能源，風(fēng)電場接入電網(wǎng)后，在向電網(wǎng)提供清潔能源的同時，因風(fēng)力隨自然條件變化影響，風(fēng)速與風(fēng)向發(fā)生不斷的、隨機的變化，本身具有不可控、不可調(diào)的特征，造成風(fēng)力發(fā)電出力的隨機性和間歇性，給電網(wǎng)的運行帶來一些負(fù)面影響。而電網(wǎng)必須按照發(fā)、供、用同時完成的規(guī)律，連續(xù)、安全、可靠、穩(wěn)定地向客戶提供頻率、電壓合格的優(yōu)質(zhì)電力。因此須高度重視發(fā)展風(fēng)電對電網(wǎng)安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟運行帶來的影響。隨著風(fēng)電場裝機容量的增加，以及風(fēng)電裝機在某個地區(qū)電網(wǎng)中所占比例的增加，這些負(fù)面影響就可能成為風(fēng)電并網(wǎng)的制約因素，主要表現(xiàn)在風(fēng)電場影響電網(wǎng)的調(diào)度計劃和運行方式；影響電網(wǎng)的頻率控制；影響電網(wǎng)的電壓調(diào)整；影響電網(wǎng)的潮流分布；影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量；影響電網(wǎng)的故障水平和穩(wěn)定性等。

1.1 對調(diào)度計劃的影響

由于風(fēng)速變化是隨機性的，因此風(fēng)電場的出力也是隨機的。風(fēng)電本身這種不可調(diào)度的特點使其容量可信度低，給電網(wǎng)有功、無功平衡和調(diào)度計劃帶來困難。

傳統(tǒng)的發(fā)電計劃、檢修計劃基于電源的可靠性及負(fù)荷的可預(yù)測性，以這兩點為基礎(chǔ)計劃制定和實施就有了可靠保證。但因系統(tǒng)內(nèi)含有風(fēng)電場而風(fēng)電場出力有極大的隨機性，計劃的制定變得困難起來。由于自然界的風(fēng)速不斷地變化，風(fēng)力發(fā)電機的出力也隨時變化。當(dāng)風(fēng)速大于切入風(fēng)速時，風(fēng)力發(fā)電機啟動掛網(wǎng)運行，當(dāng)風(fēng)速低于切入風(fēng)速時，風(fēng)機停機并與電網(wǎng)解列。當(dāng)風(fēng)速大于切出風(fēng)速（一般為25m/s）時，為保證風(fēng)力發(fā)電機組安全，風(fēng)機也要停機。因此風(fēng)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。不穩(wěn)定的功率輸出會給電網(wǎng)運行帶來許多問題，風(fēng)電的波動需要通過常規(guī)電源的調(diào)節(jié)和儲能系統(tǒng)來平衡，這是長期困擾風(fēng)電并網(wǎng)的最大難題，如果把風(fēng)電場看作電源，可靠性沒有保證。

因此，在系統(tǒng)風(fēng)電容量達(dá)到一定的規(guī)模后，風(fēng)電的隨機性和不可預(yù)測性會給傳統(tǒng)的調(diào)度安排和實施帶來困難。到明年220kV 學(xué)堂站接入的風(fēng)電場總?cè)萘砍^200MW，如果華能二期100MW 工程明年底并網(wǎng)運行，在安排學(xué)堂站檢修方式時，必須考慮風(fēng)電場機組的運行情況，特殊方式下，部分風(fēng)電機組必須停運。因此，如果對風(fēng)電場出力預(yù)測水平達(dá)不到工程實用程度、調(diào)度計劃、運行方式編制方法得不到改進，電網(wǎng)就很難適應(yīng)大容量風(fēng)電場接入的要求。

風(fēng)電場運行影響節(jié)假日電網(wǎng)運行方式和機組發(fā)電計劃。在節(jié)假日大量廠礦企業(yè)放假，尤其是春節(jié)期間，電網(wǎng)用電負(fù)荷大幅下降，約為正常工作期間的一半左右甚至更低，在機組的發(fā)電計劃上，因為火電機組的調(diào)整能力強，有限安排部分機組擔(dān)任電網(wǎng)的基荷和調(diào)頻、調(diào)壓任務(wù)，大部分機組停運。但在《節(jié)能發(fā)電調(diào)度辦法》中要求：在安排各類發(fā)電機組調(diào)度序位時，將“無調(diào)節(jié)能力的風(fēng)能、太陽能、海洋能、水能等可再生能源發(fā)電機組”放在第一位。因風(fēng)電機組出力受來風(fēng)的影響，如果將風(fēng)電機組納入電網(wǎng)的調(diào)峰和調(diào)壓，則必須正確預(yù)測未來24h 的風(fēng)力情況才能制定風(fēng)力發(fā)電曲線，在目前技術(shù)水平下還無法做到這一點，所以風(fēng)電場參加電網(wǎng)的調(diào)峰勢必會增加電網(wǎng)運行難度，甚至起到相反的作用，給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行帶來困難，成為電網(wǎng)運行中的“雞肋”。

1.2 系統(tǒng)穩(wěn)定問題

隨著風(fēng)電規(guī)模越來越大，并網(wǎng)接入電壓等級越來越高，由于風(fēng)力發(fā)電的間歇性，將導(dǎo)致并網(wǎng)線路的輸送功率大幅度的變化，進而引起線路充電功率的大起大落，電網(wǎng)須具備足夠的無功調(diào)節(jié)能力才能實現(xiàn)電網(wǎng)電壓的有效控制。220kV 學(xué)堂站供電區(qū)域風(fēng)電場建設(shè)呈現(xiàn)出較大規(guī)模的發(fā)展趨勢，在其周圍由四座風(fēng)電場并網(wǎng)運行，并入學(xué)堂站的風(fēng)電容量已經(jīng)達(dá)到250MW，由于風(fēng)電場都遠(yuǎn)離并網(wǎng)變電站，呈現(xiàn)出經(jīng)過長距離輸送、然后經(jīng)一點接入的特點，大規(guī)模風(fēng)電機群集中建設(shè)，在遭受風(fēng)速擾動或其它系統(tǒng)故障時，風(fēng)電場輸出功率的波動及風(fēng)電機群的動態(tài)特性將對電網(wǎng)造成一定的影響，其影響程度一般要大于風(fēng)電場分散接入時的情況。當(dāng)風(fēng)電接入容量較大，因?qū)W堂站配出負(fù)荷量較小，大量有功功率會通過學(xué)堂站的變壓器外送，從而導(dǎo)致在某些運行方式下個別線路傳輸功率越限以及地區(qū)電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性降低，因此需對大規(guī)模風(fēng)電場集中接入時對電力系統(tǒng)的影響問題進行研究。

1.3 電壓穩(wěn)定性

目前并入東營電網(wǎng)的風(fēng)力發(fā)電機組與常規(guī)帶勵磁的火電機組相比，風(fēng)力發(fā)電機組發(fā)無功的能力明顯較弱，不具備常規(guī)電源有功、無功的電壓的連續(xù)調(diào)節(jié)能力，需電網(wǎng)提供無功功率才能發(fā)出有功功率，風(fēng)力發(fā)電機組啟動時仍會產(chǎn)生較大的沖擊電流。單臺風(fēng)力發(fā)電機組并網(wǎng)對電網(wǎng)電壓的沖擊相對較小，但并網(wǎng)過程至少持續(xù)一段時間后(約幾十秒)才消失。多臺風(fēng)力發(fā)電機組同時直接并網(wǎng)會造成電網(wǎng)電壓驟降，再加上風(fēng)能的隨意性及風(fēng)電場電氣聯(lián)系薄弱等因素，使得風(fēng)電場的電壓穩(wěn)定性顯得尤為重要。

由于風(fēng)電機組低電壓穿越能力較弱，當(dāng)風(fēng)速超過切出風(fēng)速（25.0m/s）或發(fā)生故障時，風(fēng)力發(fā)電機會從額定出力狀態(tài)自動退出并網(wǎng)狀態(tài)，風(fēng)力發(fā)電機組的脫網(wǎng)會導(dǎo)致電網(wǎng)電壓的突降，而機端較多的電容補償由于抬高了脫網(wǎng)前風(fēng)電場的運行電壓，引起了電網(wǎng)電壓的急劇下降。當(dāng)電網(wǎng)故障或受到?jīng)_擊出現(xiàn)電壓閃變時，風(fēng)電機組往往采取切機逃匿方式保護機組，使電網(wǎng)事故處理變得更加困難，可能將事故擴大，甚至引起電力系統(tǒng)電壓崩潰。

1.4 影響系統(tǒng)的備用容量

風(fēng)電功率的波動特性如果與電網(wǎng)負(fù)荷的波動特性一致，那么風(fēng)電就有自然調(diào)峰的作用，反之會使電網(wǎng)的調(diào)峰問題更加突出。在有些情況下，從長時期來看風(fēng)電與電網(wǎng)負(fù)荷變化規(guī)律一致，但這并不能排除在有些時段內(nèi)風(fēng)電出力正好與負(fù)荷變化規(guī)律相反，使電網(wǎng)面臨嚴(yán)重的情況。這就需合理安排系統(tǒng)的備用容量，保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

1.5 影響電網(wǎng)電能質(zhì)量

電壓閃變。風(fēng)力發(fā)電機組大多采用軟并網(wǎng)方式，但在啟動時仍會產(chǎn)生較大的沖擊電流。當(dāng)風(fēng)速超過切出風(fēng)速時，風(fēng)機會從額定出力狀態(tài)自動退出運行。如整個風(fēng)電場所有風(fēng)機幾乎同時動作，這種沖擊對電網(wǎng)的影響十分明顯。不但如此，風(fēng)速的變化和風(fēng)機的塔影效應(yīng)都會導(dǎo)致風(fēng)機出力的波動，而其波動正好處在能夠產(chǎn)生電壓閃變的頻率范圍之內(nèi)(低于25Hz)，因此風(fēng)機在正常運行時也會給電網(wǎng)帶來閃變問題，影響電能質(zhì)量。

諧波。風(fēng)電是優(yōu)質(zhì)能源但不是優(yōu)質(zhì)電力，主要問題是風(fēng)電給系統(tǒng)帶來諧波的問題。產(chǎn)生諧波的途徑主要有兩種:一是風(fēng)力發(fā)電機本身配備的電力電子裝置可能帶來諧波問題。對于直接和電網(wǎng)相連的恒速風(fēng)力發(fā)電機，軟啟動階段要通過電力電子裝置與電網(wǎng)相連，會產(chǎn)生一定的諧波。但對于變速風(fēng)力發(fā)電機則不然，變速風(fēng)力發(fā)電機通過整流和逆變裝置接入系統(tǒng)，如果電力電子裝置的切換頻率恰好在產(chǎn)生諧波的范圍內(nèi)則會產(chǎn)生很嚴(yán)重的諧波問題，隨著電力電子器件的不斷改進這一問題也在逐步得到解決；二是風(fēng)力發(fā)電機的并聯(lián)補償電容器可能和線路電抗發(fā)生諧振，在風(fēng)電場出口變壓器的低壓側(cè)產(chǎn)生大量的高次諧波，影響了電網(wǎng)電能質(zhì)量。

1.6 電網(wǎng)運行成本增加

由于風(fēng)力發(fā)電固有的間歇性和波動性，電網(wǎng)的可靠性可能降低，電網(wǎng)的運行成本也可能增加。為了克服風(fēng)電給電網(wǎng)帶來的電能質(zhì)量和可靠性等問題，還會使公司增加必要的研究費用和設(shè)備投資。在大力發(fā)展風(fēng)電的過程中，必須研究和解決風(fēng)電并網(wǎng)可能帶來的其他影響。

1.7 頻率穩(wěn)定性

目前山東電網(wǎng)具有足夠的備用容量和調(diào)節(jié)能力，風(fēng)電進入一般不必考慮頻率穩(wěn)定性問題，但風(fēng)電場一般分布在距電力主系統(tǒng)和負(fù)荷中心較遠(yuǎn)的偏遠(yuǎn)地區(qū)或沿海區(qū)域，與相對較為薄弱的電網(wǎng)相連，容易出現(xiàn)孤立運行的小型電網(wǎng)，風(fēng)電帶來的頻率偏移和穩(wěn)定性問題是不容忽視的。像220kV 學(xué)堂站接入風(fēng)電場較多，在風(fēng)電場集中發(fā)電的情況下，通過220kV 線路向主網(wǎng)到送，如果線路故障，風(fēng)電功率波動引起頻率波動，因此，考慮風(fēng)電場突然功率全停時并網(wǎng)點頻率波動的限制，風(fēng)電容量不能太大或并網(wǎng)點不能集中。

1.8 并網(wǎng)方式對電網(wǎng)的影響

現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機組主要采用軟并網(wǎng)方式，即采用電力電子裝置在發(fā)電機轉(zhuǎn)軸同電力網(wǎng)絡(luò)頻率之間建立一種柔性連接，在風(fēng)電機組啟動時控制系統(tǒng)對風(fēng)速變化不間斷地檢測。由于異步電機在起動時其轉(zhuǎn)速較小，切入電網(wǎng)時其轉(zhuǎn)差率很大，會產(chǎn)生相當(dāng)于發(fā)電機額定電流5～7倍的沖擊電流，此電流不僅對電網(wǎng)造成很大沖擊且會影響機組壽命。

1.9 對電網(wǎng)繼電保護的影響

目前并入東營電網(wǎng)運行的風(fēng)電場容量還較小，在電力系統(tǒng)保護配置和整定計算時往往未考慮風(fēng)電場的影響，而是簡單的將風(fēng)電場視為一個負(fù)荷，或?qū)L(fēng)力發(fā)電機作為同步發(fā)電機處理，不考慮其提供的短路電流，然而當(dāng)大規(guī)模風(fēng)電場接入系統(tǒng)時，在電網(wǎng)發(fā)生故障時風(fēng)力發(fā)電機將向短路點提供持續(xù)的短路電流，風(fēng)電場附近節(jié)點的短路容量明顯增加，故應(yīng)考慮已有設(shè)備的短路容量校核，如系統(tǒng)保護配置和整定計算仍不考慮風(fēng)電場的影響則是不合理的，實際運行時可能導(dǎo)致保護裝置的誤動。

2 東營電網(wǎng)接納大容量風(fēng)電場應(yīng)對的措施

風(fēng)力發(fā)電作為一種綠色能源有著改善能源結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟環(huán)保等方面的優(yōu)勢，也是未來能源電力發(fā)展的一個趨勢，但風(fēng)力發(fā)電初入東營電網(wǎng)，許多未知的運行特性需要認(rèn)識、了解和熟知的過程，在實際工作中，由于缺少實用化的風(fēng)電場計算模型，缺少含風(fēng)電場的電網(wǎng)計算分析工具，風(fēng)電場接入對電網(wǎng)運行的影響尚有待于進一步研究，應(yīng)從以下方面加強風(fēng)電場的運行管理工作：

在電網(wǎng)建設(shè)方面，應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)電源建設(shè)情況加強風(fēng)電場與電網(wǎng)統(tǒng)一規(guī)劃，充分考慮電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)能力和負(fù)荷特性，研究確定廠站所能承受的最大風(fēng)電容量，研究風(fēng)電穿透功率對電網(wǎng)調(diào)度計劃、運行方式等影響，堅持風(fēng)電場的有序開發(fā)和分散開發(fā)相結(jié)合，有效解決單個變電站（如學(xué)堂站）風(fēng)電場并網(wǎng)多、容量大的問題，徹底解決局部區(qū)域大規(guī)模的風(fēng)電場對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的影響；隨著科技的進步應(yīng)逐步對風(fēng)電出力進行預(yù)測，有助于提高電網(wǎng)接納風(fēng)電的能力及安全經(jīng)濟運行，著力改善風(fēng)電場的控制能力，使風(fēng)電場在某些方面接近常規(guī)發(fā)電廠的控制性能，以利于制定調(diào)度計劃，優(yōu)化系統(tǒng)運行。

雖然風(fēng)電場機組本身帶有無功補償裝置和消諧裝置，但隨著風(fēng)電場的接入、風(fēng)電機組大量電子裝置必然對電網(wǎng)造成諧波污染，建議在風(fēng)電場并網(wǎng)場站加裝電質(zhì)量分析儀，對注入電網(wǎng)諧波分量進行監(jiān)視，以便采取有效措施；收集積累風(fēng)電場的運行資料、風(fēng)電機組的運行參數(shù)資料，建立風(fēng)電場機組參數(shù)模型庫，研究探討風(fēng)電機組對電網(wǎng)短路電流、系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，提高調(diào)度管理風(fēng)電場運行的水平，進一步改善其并網(wǎng)性能，降低風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)調(diào)度管理帶來的負(fù)面影響，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定運行水平；為保證風(fēng)電場設(shè)備的安全運行及電網(wǎng)的安全，風(fēng)電企業(yè)按照國家電力行業(yè)技術(shù)監(jiān)督的要求，定期進行設(shè)備的檢修，同時要堅持統(tǒng)一調(diào)度、分級管理的原則，服從調(diào)度的統(tǒng)一指揮，嚴(yán)格遵守調(diào)度紀(jì)律，保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。