大型风电并网的现状与分析

杜华珠+石巍+袁晨

摘  要：随着能源结构的改变，越来越多的风力发电机组接入电网。但是，风电出力具有随机性和波动性，大量的风电接入电网为其发展带来一系列的挑战，比如调峰、调频难度增大，电网运行控制困难，局部电网接入能力不足，电网稳定风险增大等。分析了风电机组接入系统后给电网造成的影响，并针对这些影响，论述了目前风机发电接入电网所需要解决的技术问题，考虑了风电场联网的方式和输电规划、风电场联网对电网的友好支持、风电场调度、低电压穿越、无功控制调节、风电场及电网储能、风电场发电计划、风能占电网规模的比例和影响、风电电能质量等多方面的技术问题，为解决风力发电机组大规模接入系统提供了参考依据。

关键词：风能;风机发电;并网;装机容量

中图分类号：TM614              文献标识码：A               DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.01.001

风能是因空气流做功而产生的一种可利用能量。它作为一种无污染和可再生的新能源，有巨大的发展潜力，特别是对沿海岛屿、交通不便的边远山区、地广人稀的草原牧场，以及远离电网和近期电网还难以到达的农村、边疆。作为解决生产和生活所需能源的一种可靠途径，它的存在有十分重要的意义。

目前，风力发电的快速发展，一方面，缓解了来自能源需求和环境保护的压力，对优化能源结构，实现二氧化碳减排起到了积极的作用;另一方面，由于风电出力具有随机性和波动性，大量的风电接入电网会使电网面临一系列的挑战，在风电传输过程中会对电力系统的稳定运行产生一定的影响，降低电力质量。所以说，这种不良影响会随着风电渗透率的增大而逐渐扩大。针对这一情况，分析了风电接入系统后对电网带来的影响，并结合分析结果提出了目前风电并网技术需要解决的问题，为建设风力发电机组大规模接入系统提供了参考和理论依据。

1  风力发电的发展

自1973年第一次石油危机以来，在常规能源告急和全球生态环境恶化的双重压力下，风能作为新能源的一部分，已经取得了长足的发展。2004年起，风力发电更成为了所有新式能源中最便宜的能源之一。2001年，风力能源的成本已经降到20世纪六七十年代的1/5，而且随着大瓦数发电机的使用，下降趋势还会持续。到2008年，全世界的风能发电约有9.4×108 kW，供应的电力也已超过了全世界用量的1%.

风力发电自20世纪80年代开始，受到了欧美各国重视，至今全球风力发电量以每年30%的惊人速度快速增长。图1为截至2012年，全球各国风力发电装机的容量。从图中可以看出，全球的装机容量一直保持较快的增长。图1  全球历年风电装机容量图

2005年，我国颁布了《可再生能源法》。在往后的4年时间里，全国风电装机容量由126 kW增长到了1.221×107 kW，以每年一番的速度发展，远远高于世界风电平均发展速度。2009年，我国当年的新增装机容量位列世界第一，累计世界第二。截至2012年底，我国风电累计核准容量1.067 0×108 kW，并网6.266×107 kW，在建4.404×107 kW。2012年，上网电量为1.008×1010 kW·h，全国风电累计装机量占全球市场的23%，位列世界第一。图2为我国历年风电装机容量。图2  我国历年风电装机容量图（单位：MW）

2  大型风电并网对电网的影响

2.1  增大调峰、调频难度

风电的随机性强、间歇性明显、波动幅度大、波动频率无规律性，大大增加了调峰、调频的难度。

风电反调峰特性增加了电网调峰的难度。风电接入后，电网一年间峰谷差变大的时间延长了，同时，由于调峰容量不足，我国绝大部分地区的电网都出现过低负荷时段弃风的情况。

风电的间歇性、随机性增加了电网调频的负担。风电出力波动频繁，在短时间内可能会出现较多波动，这大大增加了电网调频的压力和常规电源调整的频次。

2.2  电网运行控制有困难

据统计，受风电的影响，蒙西电网锡盟灰腾梁风电基地沿线变电站220 kV母线电压全年维持在额定电压的1.1倍;新疆电网达风变110 kV系统电压长期在113 kV以下。为了支撑110 kV系统的电压，达风变220 kV母线电压不得不全年维持在238 kV以上，运行电压调整十分困难，也对输变电设备安全造成了威胁。风电场运行过度依赖系统无功补偿，限制了电网运行的灵活性。

2.3  局部电网接入能力不足

风电场大多处于电网末梢，大规模接入后，风电大发期大量上网，电网输送潮流加大，重载运行线路增多，热稳定问题逐渐突出。

2.4  风机抗扰动能力差

当系统发生小扰动时，风电机组退出运行，使电网承受第二次冲击，导致事故扩大，增加了电网遭受冲击的频次。

2.5  增加电网稳定风险

风电的间歇性、随机性增加了电网稳定运行的潜在风险，具体包括以下三点：①风电引发的潮流多变，增加了有稳定限制的送电断面的运行控制难度;②风电发电成分增加，导致在相同的负荷水平下，系统的惯量下降，影响电网动态的稳定;③在系统发生故障后，风电机组可能无法重新建立机端电压，失去了稳定性，从而破坏了地区电网电压的稳定性。

3  风电并网技术问题

面对风电接入电网所带来的种种不利影响，要降低这些影响带来的后果，实现风电的大规模并网，要有效解决这一系列亟待解决的技术问题。

3.1  风电场联网方式和输电规划

电场联网方式包括接入电网的联网点电压、联网点位置、联网风电规模、交流/直流联网等。根据目前国外和国内的研究成果，这与接入电网的规模、旋转备用、储能系统配置等有一定的联系。这是一个可再生能源与电网规划的问题，目前，这一方面主要是依靠仿真软件实现。风电场联网方式如图3所示。

图3  风电场联网方式

输电规划问题主要是指大规模风电的长距离、弱连接的远距离输电、海上风电并网和电力市场的风电跨区交易问题。

3.2  风电场联网对电网的友好支持

风电场属于不稳定能源，受风力、风机控制系统的影响很大，特别是在高峰负荷时期，风电场可能出力很小，而非高峰负荷时期，风电场可能出力很大。因此，必须提供足够的手段保障电网的安全、稳定运行，否则，风电场联网后将严重影响电网的安全。同时，电网也会对大规模风电场的运行性能指标，比如爬坡速率、下降速率、功率波动和无功支撑能力等提出要求。

3.3  风电场调度

由于风电场一般分布在偏远地区，呈现多个风电场集中分布的特点，每个风电场都类似于一个小型的发电厂，可以将其模拟成一台台的等值机，这些等值机对电网的影响因机组本身性能的差别而不同。为了实现这些分散风电场的接入，欧洲提出了建立区域风电场调度中心的要求，而我国目前只是对单个的风电场建立运行监控。随着风电场布点的增多和发电容量的提高，类似火力发电的监控中心，我国很有可能会建立独立的风电运行监控中心。风电场运行监控中心与电网调度中心的协调和职责划分也是未来需要明确的主要问题。

3.4  低电压穿越（LVRT）

当风力发电机并网点电压跌落时，风机能够保持低电压穿越并网，甚至可以向电网提供一定的无功功率，以支持电网恢复，直到电网恢复正常。“穿越”这个低电压的时间就是风机的低电压穿越。低压穿越原理如图4所示。

随着风电场规模的扩大，当电网发生故障时，以1型和2型风机为主的风电场需要提供集中或分散的动态无功补偿装置，避免此类风机脱离电网而停机;3类和4类风机的设计和运行参数设置要满足WECC LVRT标准的要求。国际上最新的

WECC LVRT标准已经于2009-04-28讨论表决通过了。

图4  低压穿越原理图

在此基础上，各国的低压穿越标准也有所不同，我国对风电场低电压穿越的要求是：①当风电场内的风电机组在并网点电压跌至20%额定电压时，能够保持并网运行625 ms的低电压穿越能力;②当风电场并网点电压在跌落后3 s内能够恢复到额定电压的90%时，风电场内的风电机组保持并网运行，接近AWEA（American Wind Energy Association）的标准。各国低压穿越标准如图5所示。

图5  各国低电压穿越标准

3.5  风机技术对无功控制调节的影响

风机技术的发展也为无功控制调节带来了新问题。安装传统异步发电机和带有可变转子阻抗的线绕式转子异步发电机的风电场，需要配置与发电功率相当的集中动态无功补偿或分散无功补偿装置。对于安装双馈异步发电机和全功率逆变连接/直驱型风机的风电场，由于其具备了LVRT性能的要求，所以，当电网发生故障时，要求参与电网的无功功率补偿可以维持系统电压。根据不同的风电场、风机类型和风机群组合进行无功分配和协调控制，是风电场运行中的重点和难点。

3.6  风电场及电网储能

要想平衡发电和用电之间的偏差，就要平衡功率。对平衡功率的需求是随着风电场容量的增加而同步增长的。根据不同国家制定的规则，风电场业主、电网企业将负责提供平衡功率，一旦输电系统调度员与业主、电网企业签约，它将成为整个电网的一部分，由所有消费者承担。

加州ISO建议由第三方提供储能设备，政府也为此制订了相应的优惠政策。因为一般的储能设备除了飞轮储能（80%～90%）外，多数最多只能达到75%的能源转换效率。因此，如果要让风电场业主或电网业主增加储能设备，必须要制订相应的补偿和优惠政策。

3.7  发电计划占电网规模的比例和影响

电网的系统频率和AGC调频与风电场的出力密切相关，因此，准确预测每天的风电场出力并实时进行经济调度，是风电场监控中心和电网调度中心的重要工作之一。随着风电场规模的扩大，欧洲、美国等国同样面临风电场调度和发电计划编制的问题。因此，要与气象预报系统紧密联系，即使是大规模的风电场，每天风力发电预测的误差也可达到7%～9%. 电网侧如

何进行实时风力发电预测和实时经济调度也是一个重点问题。

原则上讲，电网有多大的备用容量就可以接入多大规模的风电场。为了提高电网容纳可再生能源的比例，并保持电网的安全、稳定运行，一方面，电网需要增加抽水蓄能电站，快速启动燃气电站的建设;另一方面，风电场要装备本地储能设备，增加机组的控制能力，满足在各种运行状态下对电网安全、稳定运行的要求。因此，此问题应由电网侧、风电场侧和与风力发电有关的利益方共同解决。

3.8  风电电能质量

风力发电接入系统的电能质量也要达到系统的要求，具体考核内容包括电压偏差、电压变动、谐波和闪变等。

3.9  并网标准适应性

目前，各国并没有一个完全一致的并网标准，因此，各个电网需要根据通用导则和本身的电网接入条件，确定可再生能源联网的具体细则。这需要通过大量的、各种规模的风电场接入仿真研究工作来确定，所以，必须要借助仿真系统来实现。

3.10  海上轻型直流输电并网

随着风机技术和风力发电技术的发展，海上风力发电技术也在发展迅速。欧洲的海上风力发电装机容量在2015年将达到2.5×107 kW，预计2020年将达到4.3×107 kW，2030年要达到1.17×108 kW。而我国近海和三峡水上大型风电场也将大量投产。

由此可见，海上风电场联网是一个值得重点考虑的问题。欧洲计划采用网格式的HVDC联网工程将未来欧洲海上风电并网，而我国的海上风电联网问题也是电网规划中一项重要研究内容。

4  结束语

随着风力发电机组大量接入系统，为电网建设带来了一系列的挑战。文中具体分析了风电机组接入系统后为电网带来的影响，主要包括风电接入系统增大了电网调峰、调频的难度;大规模风电场接入电网，电网运行控制遇到了很大的困难;局部电网接入能力不足;风机抗扰动能力差，影响电网的运行安全;增加了电网稳定运行的风险。

为了降低这些问题的影响力，还有一系列技术问题亟待解决，主要包括风电场联网的方式和输电规划、风电场联网对电网的友好支持、风电场调度、低电压穿越、无功控制调节、风电场及电网储能、风电场发电计划、风能占电网规模的比例及影响和风电电能质量等多方面的技术问题。

随着大规模风电接入电网，电网的运行控制受到了严重的影响。在大力发展风力发电的同时，应加强相关技术的研究，建设统一的智能电网，并且应努力建立或完善相关政策法规和标准体系，保障风电与电网的和谐发展，保证电网的安全、稳定运行。

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〔编辑：白洁〕

Large-scale Wind Power Status Quo and Analysis

Du Huazhu， Shi Wei， Yuan Chen

Abstract： With the change in the energy mix， more and more wind turbines connected to the grid. However， the wind power output randomness and volatility， a lot of wind power connected to the grid for its development has brought a series of challenges， such as peak shaving， FM difficulty increases， the power grid control difficulties， lack of access to the local power grid capacity， grid stability increased risk and so on. After analysis of the impact of wind turbines to the grid due to access system and for these effects， discuss the current technical issues fan power connected to the grid to be solved， considering the way the wind farm and transmission network planning， wind farm grid interconnection friendly support， wind farm scheduling， low voltage ride through， reactive power control and regulation， wind farms and grid energy storage， wind farm power generation plan， wind power accounted for the proportion of the scale and impact of wind power quality and other aspects of technical problems to solve large-scale wind turbine access system provides a reference.

Key words： wind; fan power; grid; capacity