風電并網(wǎng)技術(shù)現(xiàn)狀及分析

王大為二〇一〇年八月目錄1、風電并網(wǎng)容量增長迅猛2、大規(guī)模風電并網(wǎng)給電網(wǎng)帶來壓力4、智能電網(wǎng)關注的風電場重點問題1、風電并網(wǎng)容量增長迅猛2005年國家頒布可再生能源法，05到08的4年時間全國風電裝機容量由126千瓦增長到1221萬千瓦，以每年一翻的速度發(fā)展，遠遠高于世界風電平均發(fā)展速度。2009年我國新增裝機容量當年新增世界第一，累計世界第二。2009年中國（不含臺灣?。┬略霭惭b風電機組12129臺，容量13803.2MW，年同比增長124%累計安裝風電機組21544臺，容量25805.3MW，年同比增長114%數(shù)據(jù)來源：中國風能協(xié)會——中國風電發(fā)展報告20091、風電并網(wǎng)容量增長迅猛發(fā)展風電是改善能源結(jié)構(gòu)和應對氣候變化的重大舉措，是我國能源戰(zhàn)略的重要組成。我國風能資源主要集中在“三北”地區(qū)，大多遠離負荷中心。我國積極推進大基地大電網(wǎng)的風電開發(fā)模式，一批百萬千萬級、千萬千萬級風電基地正在規(guī)劃2、大規(guī)模風電并網(wǎng)給電網(wǎng)帶來壓力2.1、增大調(diào)峰、調(diào)頻難度

案例：華北電網(wǎng)張家口地區(qū)風電對電網(wǎng)調(diào)峰的影響風電出力與電網(wǎng)負荷表現(xiàn)出較強的反調(diào)節(jié)特性2、大規(guī)模風電并網(wǎng)給電網(wǎng)帶來壓力電網(wǎng)負荷風電場出力2.4、風機抗擾動能力差，影響電網(wǎng)安全運行一是擴大事故范圍。在系統(tǒng)發(fā)生小擾動時，風電機組退出運行，使電網(wǎng)承受第二次沖擊，導致事故擴大。2008~2009年吉林白城電網(wǎng)風電場相鄰10千伏和66千伏配電系統(tǒng)故障時，風電機組均發(fā)生大面積脫網(wǎng)，多次造成220千伏母線電壓及省間聯(lián)絡線潮流越限，給系統(tǒng)運行帶來了較大沖擊。二是增加了電網(wǎng)遭受沖擊的頻次。甘肅撿財塘和河南清源風電場自投產(chǎn)運行以來，受電鐵和冶金等大型用戶的影響，頻繁因三相電壓不平衡（未超過國家標準限值）保護動作發(fā)生風電機組跳閘停機，使電網(wǎng)頻繁遭受沖擊。2、大規(guī)模風電并網(wǎng)給電網(wǎng)帶來壓力2.5、增加電網(wǎng)穩(wěn)定風險風電的間歇性，隨機性增加了電網(wǎng)穩(wěn)定運行的潛在風險。一是風電引發(fā)的潮流多變，增加了有穩(wěn)定限制的送電斷面的運行控制難度；二是風電發(fā)電成分增加，導致在相同的負荷水平下，系統(tǒng)的慣量下降，影響電網(wǎng)動態(tài)穩(wěn)定；三是風電機組在系統(tǒng)故障后可能無法重新建立機端電壓，失去穩(wěn)定，從而引起地區(qū)電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定破壞。2、大規(guī)模風電并網(wǎng)給電網(wǎng)帶來壓力2.6、加大收購難度我國正處于風電建設的高峰期，風電所占比例還將進一步增加，目前面臨的局限性、時段性矛盾可能轉(zhuǎn)化為全局性，經(jīng)常性矛盾，成為影響電網(wǎng)安全未定運行的重要因素。2.7、總體趨勢2、大規(guī)模風電并網(wǎng)給電網(wǎng)帶來壓力3.1、風電場聯(lián)網(wǎng)方式和輸電規(guī)劃風電場聯(lián)網(wǎng)方式包括接入電網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)點電壓、聯(lián)網(wǎng)點位置、聯(lián)網(wǎng)風電規(guī)模、交流/直流聯(lián)網(wǎng)等。根據(jù)目前國外和國內(nèi)的研究成果，這與接入電網(wǎng)的規(guī)模、旋轉(zhuǎn)備用、儲能系統(tǒng)配置等均有關，這是一個可再生能源與電網(wǎng)的規(guī)劃問題，目前國內(nèi)主要依靠仿真軟件實現(xiàn)。輸電規(guī)劃問題主要指大規(guī)模風電的長距離、弱連接的遠距離輸電、海上風電并網(wǎng)，以及電力市場情況下風電跨區(qū)交易問題。3.2、風電場聯(lián)網(wǎng)對電網(wǎng)的友好支持風電場屬于不穩(wěn)定能源，受風力、風機控制系統(tǒng)影響很大，特別是存在高峰負荷時期風電場可能出力很小，而非高峰負荷時期風電場可能出力很大的問題，例如，西班牙風電最大出力時期可以達到電網(wǎng)需求的108%，因此，未來風電場聯(lián)網(wǎng)后將嚴重影響電網(wǎng)的安全，因此，電網(wǎng)必須提供足夠的手段保持電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，同時，電網(wǎng)也會對大規(guī)模風電場的運行性能指標（爬坡速率、下降速率、功率波動、無功支撐能力等）提出要求。3.3、風電場調(diào)度隨著風電場規(guī)模的擴大，當電網(wǎng)發(fā)生故障時，需要風電場繼續(xù)運行并為電網(wǎng)提供無功支持，1型和2型風機為主的風電場需要提供集中或分散的動態(tài)無功補償裝置避免該類風機脫離電網(wǎng)停機。3類和4類風機的設計和運行參數(shù)設置要滿足WECCLVRT標準的要求。國際上最新的WECCLVRT標準已經(jīng)于2009年4月28日討論表決通過。3.4、低電壓穿越（LVRT）3.5、無功控制調(diào)節(jié)對于安裝傳統(tǒng)異步發(fā)電機和帶有可變轉(zhuǎn)子阻抗的線繞式轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機的風電場，需要配置與發(fā)電功率相當?shù)募袆討B(tài)無功補償或分散無功補償裝置（設計要求），國內(nèi)前期投運的風場大部分是這種模式。對于安裝雙饋異步發(fā)電機和全功率逆變連接/直驅(qū)型風機的風電場，由于具備了LVRT性能要求，因此，當電網(wǎng)發(fā)生故障時，要求參與電網(wǎng)的無功功率補償以維持系統(tǒng)電壓，根據(jù)不同的風電場、風機類型和風機群組合進行無功分配和協(xié)調(diào)控制是風電場運行中的一個重點和難點問題。3.6、風電場及電網(wǎng)儲能3.7、風電場發(fā)電計劃電網(wǎng)的系統(tǒng)頻率和AGC調(diào)頻與風電場的出力密切相關，因此準確預測每天的風電場出力并進行實時經(jīng)濟調(diào)度是風電場監(jiān)控中心和電網(wǎng)調(diào)度中心的一項重要工作。隨著風電場規(guī)模的增加，歐洲、美國同樣面臨風電場調(diào)度和發(fā)電計劃編制問題，因此，要與氣象預報系統(tǒng)緊密結(jié)合，即使大規(guī)模的風電場，每天風力發(fā)電預測的誤差也可達到7-9%（加州ISO）。電網(wǎng)側(cè)如何進行實時風力發(fā)電預測并進行實時經(jīng)濟調(diào)度也是一個重點問題。西班牙風電發(fā)展史上的里程碑是1997年實施的《電力法》。這部法律最重要之處在于設立了一個“雙向義務”機制：一方面，國家電網(wǎng)有義務購買所有生產(chǎn)出來的可再生能源，另一方面，這些發(fā)電廠有義務通知西班牙國家電網(wǎng)，將會供應多少可再生電力能源。如何提前預見未來一天、一個月、一年的風能大小，并測算出風電場產(chǎn)量，成為“雙向義務”機制交給西班牙風電場的義務。如果預測不準，風電場要向電網(wǎng)繳納罰款。這是西班牙風電制度與別國不同的一點。3.8、海上輕型直流輸電并網(wǎng)歐洲的海上風力發(fā)電2015年達到2500萬kW，2020年達到4300萬kW，2030年要達到11700萬kW，因此，海上風電場聯(lián)網(wǎng)也是歐洲一個重要考慮的問題，歐洲計劃采用網(wǎng)格式的HVDC聯(lián)網(wǎng)工程將未來歐洲海上風電并網(wǎng)。我國近海和三峽水上大型風電場聯(lián)網(wǎng)問題也是電網(wǎng)規(guī)劃中一個重要的研究內(nèi)容。3.9、風能占電網(wǎng)規(guī)模的比例及影響原則上電網(wǎng)有多大的備用容量就可接入多大規(guī)模的風電場（考慮爬坡問題），目前，歐洲電網(wǎng)的風電比例是4%，未來2020年要增加到12%，加州電網(wǎng)的風電要新增410萬kW達到可再生能源占比20%的要求。為了提高電網(wǎng)容納可再生能源的比例并保持電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，一方面電網(wǎng)需要增加抽水蓄能電站、快速啟動的燃氣電站建設，另一方面風電場要裝備本地儲能設備和增加機組控制能力，滿足電網(wǎng)各種運行狀態(tài)下（正常、故障、暫態(tài)、動態(tài)）電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行要求，因此，該問題的解決應由電網(wǎng)側(cè)、風電場側(cè)和與風力發(fā)電有關的利益方共同解決。3.10、風電電能質(zhì)量電壓偏差、電壓變動、諧波、閃變。

3.11、并網(wǎng)標準適應性根據(jù)目前各國風電并網(wǎng)的標準要求，沒有一個完全一致的并網(wǎng)標準，因此，各個電網(wǎng)需要根據(jù)一個通用的LVRT導則，根據(jù)本身電網(wǎng)接入條件確定可再生能源聯(lián)網(wǎng)的具體細則，這需要根據(jù)大量的各種規(guī)模的風電場接入仿真研究工作來確定，因此，必須借助仿真系統(tǒng)來實現(xiàn)。4、智能電網(wǎng)關注的風電場重點問題風電場無功容量；風電場并網(wǎng)點調(diào)節(jié)方式(功率因數(shù)調(diào)節(jié)或電壓調(diào)節(jié))；系統(tǒng)故障時風電場保持并網(wǎng)的能力；跟蹤有功功率變化率和減出力；4.1、風電場并網(wǎng)需考慮的因素4、智能電網(wǎng)關注的風電場重點問題風機的穿越故障能力；風電場爬坡能力；風電場為系統(tǒng)穩(wěn)定提供無功功率支持的能力；風電場響應系統(tǒng)頻率變化自動調(diào)節(jié)出力的能力；與電網(wǎng)保護配置及整定相互配合的能力；風電場(大型)黑啟動能力；風電場數(shù)據(jù)通信能力；風電場業(yè)主為電網(wǎng)提供可供電網(wǎng)分析計算用的詳細風電場模型及參數(shù)

4.2、風電場在并網(wǎng)運行過程中需具備的能力4.3、低電壓穿越能力LVRT4、智能電網(wǎng)關注的風電場重點問題4.4、風電場爬坡能力

風電場爬坡能力是風機能夠按照電網(wǎng)調(diào)度員的命令增加或減少發(fā)電出力,要求風電場出力變化速度低于一定限值,在極限風速條件下同一風場風機不能同時退出運行,以保證常規(guī)機組有足夠反應時間拾取負荷。4、智能電網(wǎng)關注的風電場重點問題4.5、對電網(wǎng)擾動響應性能

1、穩(wěn)態(tài)運行情況2、響應電網(wǎng)擾動能力

暫態(tài)響應

動態(tài)響應

3、擾動恢復后系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)行為

A、暫態(tài)不能切除的是：風力發(fā)電機組B、不能計劃外切除：

風力發(fā)電機組負荷

風電場其他設備

C、對電網(wǎng)具有輔助支撐作用：風力發(fā)電機組

故障前暫態(tài)動態(tài)故障后穩(wěn)態(tài)電壓/無功Var自動調(diào)節(jié)1.05pu—0.95pu1、電壓穿越2、自適應Var響應1、電壓穿越2、自適應Var響應(1.1pu-0.9pu)Var自動調(diào)節(jié)(1.1pu-0.9pu)頻率跟隨計劃曲線調(diào)節(jié)不能非計劃切機不能非計劃切機跟隨計劃曲線出力4、智能電網(wǎng)關注的風電場重點問題風電場能夠響應系統(tǒng)頻率變化自動調(diào)節(jié)功率輸出,這就要求風電場實際出力水平下調(diào)一定百分點,以便于有一定有功備用參加一次調(diào)頻。為防止突發(fā)擾動,要求加強電網(wǎng)可調(diào)用儲備容量。德國要求一級儲備容量響應時間最高30秒;二級臨時儲備容量響應時間5分鐘;分鐘臨時儲備容量響應時間從15分鐘。4.6、儲能

4、智能電網(wǎng)關注的風電場重點問題保護配置及整定原則，要求保護在合理范圍內(nèi)，確保風電場在線