楊曉東 石 建 劉 峻 林章歲

“十二五”期間大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對福建電網(wǎng)的影響及對策

楊曉東 石 建 劉 峻 林章歲

福建省電力勘測設(shè)計院

以福建電網(wǎng)福清、平潭和莆田風(fēng)電大規(guī)模開發(fā)為背景，針對風(fēng)力發(fā)電場并網(wǎng)后對電網(wǎng)電壓偏差與變動、暫態(tài)穩(wěn)定性、電網(wǎng)頻率、短路電流的影響進行了計算和分析；根據(jù)風(fēng)電接入系統(tǒng)后出現(xiàn)的問題，從規(guī)劃設(shè)計的角度提出改善風(fēng)電場對電網(wǎng)影響的措施和建議。

風(fēng)電接入 變速恒頻 電壓變動;穩(wěn)定性

1 引言

福建省境內(nèi)風(fēng)能資源具備大規(guī)模開發(fā)的潛力。風(fēng)力發(fā)電具有隨機性、波動性的特點，大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)后可能會影響系統(tǒng)電網(wǎng)電壓水平，導(dǎo)致系統(tǒng)所需備用容量增加和系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性、電壓穩(wěn)定性改變等一系列問題[1-4]。

本文針對“十二五”期間福建電網(wǎng)風(fēng)電大規(guī)模開發(fā)的實際，研究風(fēng)力發(fā)電場在并網(wǎng)過程中對電網(wǎng)電壓波動、電網(wǎng)頻率、電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性和暫態(tài)穩(wěn)定性等的影響，揭示大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)應(yīng)注意的主要問題，從規(guī)劃設(shè)計的角度提出改善風(fēng)電場對電網(wǎng)影響的相關(guān)措施建議。

2 研究背景及計算條件

2.1 研究背景

2010年底，福建陸上風(fēng)電總裝機達(dá)847MW，假定“十二五”期間福建風(fēng)電裝機規(guī)劃增加1558.5MW，新增容量主要分布在福州、莆田、泉州、漳州地區(qū)，至2015年福建風(fēng)電規(guī)模達(dá)到約2400MW。

2.2 風(fēng)電場模型

2.2.1風(fēng)機模型：研究采用中國電科院開發(fā)的PSD-BPA軟件。計算中采用以下兩種風(fēng)機模型[3]：（1）恒速異步風(fēng)力發(fā)電機組、（2）變速恒頻風(fēng)電機組（目前BPA軟件僅提供GE雙饋機型）。規(guī)劃風(fēng)電場的機組均按機端電壓0.69kV、單機容量2MW、變槳距考慮。

2.2.2風(fēng)電升壓系統(tǒng)模型：考慮兩級變壓，即考慮發(fā)電機－變壓器組、升壓站以及低壓電纜。

2.3 主要技術(shù)要求

根據(jù)《國家電網(wǎng)公司電力系統(tǒng)電壓質(zhì)量和無功電力管理規(guī)定》、《國家電網(wǎng)公司風(fēng)電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定（修訂版）》（下文稱《技術(shù)規(guī)定》），風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)后，應(yīng)滿足如下基本要求：

2.3.1發(fā)電廠和220kV變電站的110kV～35kV母線正常運行方式時，電壓允許偏差為系統(tǒng)額定電壓的-3%～+7%。風(fēng)電場并網(wǎng)點的電壓正、負(fù)偏差的絕對值之和不超過額定電壓的10%，一般應(yīng)為額定電壓的－3%～+7%。

2.3.2風(fēng)電場在公共連接點引起的電壓變動d(%)應(yīng)當(dāng)滿足《技術(shù)規(guī)定》的要求。

2.3.3風(fēng)電接入電網(wǎng)后，電網(wǎng)安全穩(wěn)定水平應(yīng)滿足《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》中有關(guān)功角穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定的要求。

2.3.4風(fēng)電接入電網(wǎng)后，接入點以及周邊廠站的電網(wǎng)短路電流水平應(yīng)不超出其已有及規(guī)劃設(shè)備的遮斷能力。

3 風(fēng)電并網(wǎng)造成的影響及主要問題

3.1 風(fēng)電出力波動對系統(tǒng)電壓的影響

3.1.1電壓偏差

對風(fēng)電出力緩慢變化情況下電網(wǎng)電壓水平的變化進行模擬計算，結(jié)果顯示：

3.1.1.1如果風(fēng)機運行中功率因數(shù)為1.0（即不發(fā)出無功），公共連接點的電壓偏差在0.1%～9%之間。偏差大的母線主要是華塘、東瀚、平潭、沙埔、前進、高山、埭頭、上莊、大坵變電站的110kV母線，最大偏差范圍已接近額定電壓的10%。而且福清、平潭、莆田地區(qū)部分母線電壓不能控制在額定電壓的－3%～+7%。

3.1.1.2如果風(fēng)機運行中功率因數(shù)可以保持在0.98（即持續(xù)發(fā)出無功），公共連接點的電壓偏差較功率因數(shù)為1.0時更小，最大偏差可以控制在4%左右。而且母線電壓也可以控制在額定電壓的－3%～+7%。

3.1.2風(fēng)速變化對系統(tǒng)電壓變動的影響

風(fēng)力突增和風(fēng)力突降是兩種較為極端的風(fēng)力變化情況，由于兩種情況下風(fēng)機的出力特點、控制手段等有所不同，因此對兩者分別進行計算分析，考慮的風(fēng)力變化如下。

突增情況一：不控制風(fēng)電場功率變化率（最大變化率取dP/dt = 0.45p.u./s），也沒有采用動態(tài)無功補償措施；

突增情況二：如果控制風(fēng)電場功率變化率在0.05p.u./s以內(nèi)，不采用動態(tài)無功補償措施。

突增情況三：按照《技術(shù)規(guī)定》推薦值，風(fēng)電場功率變化率在0.0033p.u./s以內(nèi)，不采用動態(tài)無功補償措施。

突降情況一：風(fēng)機初始功率因數(shù)為1..0，風(fēng)力突降過程中沒有進行動態(tài)無功調(diào)節(jié)。

突降情況二：風(fēng)機初始功率因數(shù)為0.98，風(fēng)力突降過程中沒有進行動態(tài)無功調(diào)節(jié)。

各情況下電網(wǎng)公共連接點的電壓變動和電壓水平見表1。由結(jié)果可見：

3.1.2.1風(fēng)力突增過程中，需要利用風(fēng)機的控制功能，對風(fēng)電場功率變化率加以控制。但需要注意的是，如果風(fēng)電場功率變化率限制得過低，不利于對風(fēng)力資源的充分利用。

3.1.2.2如果風(fēng)機初始功率因數(shù)定為0.98，電壓變動將比功率因數(shù)定為1.0時減小。

此外，通過電壓變動的分析發(fā)現(xiàn)：泉州、漳州地區(qū)的風(fēng)電接入點的電壓變動幅度明顯小于福清、平潭、莆田地區(qū)，擾動后的接入點電壓水平也比較合理。其原因主要是泉州、漳州地區(qū)的風(fēng)電接入相對較為分散，接入片區(qū)電網(wǎng)的負(fù)荷較大。

風(fēng)機在風(fēng)力突增過程中有可能向系統(tǒng)持續(xù)吸收無功，導(dǎo)致接入點電壓變動幅度加大，幅度可能大于風(fēng)力驟減引起的接入點電壓變動。顯然，如果能在風(fēng)力突增過程中使風(fēng)機發(fā)出一定無功，電壓變動幅度將減少。

表1 風(fēng)力變化對連接點電壓變動的影響

3.1.3動態(tài)無功補償對電壓變動的改善作用分析

靜止無功補償器（SVC）是一種應(yīng)用目前最為普遍的動態(tài)無功補償裝置。本報告針對SVC對電網(wǎng)電壓變動的改善作用進行了計算分析，計算中SVC采用BPA軟件自帶的SVC模型，風(fēng)電場的無功調(diào)節(jié)手段僅考慮SVC，不考慮風(fēng)電機自身的無功調(diào)節(jié)能力。

對以上情況下電網(wǎng)主要母線的最大電壓變動情況進行分析。結(jié)論如下：

3.1.3.1風(fēng)力突增情況下，如果不控制風(fēng)電場功率變化率，但采用動態(tài)無功補償設(shè)備SVC進行控制，可以有效支撐福清、平潭、莆田等地的電壓水平。一部分接入點電壓變動被SVC控制在2.5％以內(nèi)，但是福清、平潭、莆田等地部分接入點電壓變動仍達(dá)到3%～5%。

3.1.3.2風(fēng)力突降情況下，在系統(tǒng)側(cè)或在風(fēng)電場升壓站裝設(shè)一定規(guī)模的SVC后，大部分公共連接點電壓變動可以限制在2.5％以內(nèi)，但仍有部分母線電壓變動達(dá)到3％～4％。如果風(fēng)機初始功率因數(shù)定為0.98，裝設(shè)一定規(guī)模的SVC后，公共連接點電壓變動基本可以限制在2.5％以內(nèi)，僅個別點不能限制在1.5％以內(nèi)。

3.1.3.3從不同SVC裝設(shè)地點的控制效果來看，在同等規(guī)模的前提下，在新增風(fēng)電場的升壓站裝設(shè)SVC的效果與在風(fēng)電的主要接入點裝設(shè)SVC的效果相差不大。如果能同時在系統(tǒng)側(cè)公共連接點和在風(fēng)電場升壓站均裝設(shè)一定規(guī)模的SVC，電壓控制的效果會更好。以風(fēng)力突降情況為例，通過裝設(shè)SVC，公共連接點電壓變動大部分可以限制在1.5％以內(nèi)，最高不超過2.5％。

3.1.3.4按照本報告仿真結(jié)果，在不考慮風(fēng)電機自身的無功調(diào)節(jié)能力的前提下，場站的動態(tài)無功規(guī)模按照風(fēng)電場裝機總?cè)萘恐辽偌s20％配置（即-0.98～+0.98）是必要的。

需要注意的是，SVC的控制效果和其具體類型、參數(shù)整定有關(guān)，風(fēng)電場的動態(tài)無功需求也和其規(guī)模、接線、設(shè)備選型有關(guān)，場站合理的動態(tài)無功規(guī)模需要結(jié)合具體工程專題研究。

3.2 風(fēng)電并網(wǎng)對系統(tǒng)短路電流的影響

“十二五”及以前福建電網(wǎng)開發(fā)的風(fēng)電接入電網(wǎng)電壓等級以110kV為主，利用BPA軟件的短路電流計算功能，對風(fēng)電場側(cè)接入系統(tǒng)110kV母線的短路電流進行計算。結(jié)果顯示，2015年風(fēng)電接入的變電站110kV母線短路電流水平不會超過設(shè)備的遮斷能力。

3.3 風(fēng)電出力變化對系統(tǒng)頻率的影響

風(fēng)電場對系統(tǒng)頻率的影響取決于風(fēng)電場容量占系統(tǒng)總?cè)萘康谋壤?。根?jù)歐美的一些統(tǒng)計數(shù)據(jù)，這一比例（也稱風(fēng)電穿透功率）達(dá)到10%是可行的。比如美國紐約州2008年高峰負(fù)荷33000MW，全州風(fēng)電容量3300MW(約占高峰負(fù)荷10％)。

從2015年福建電網(wǎng)的風(fēng)電裝機規(guī)?？?，福建已建及規(guī)劃容量約2400MW，約占福建系統(tǒng)總負(fù)荷（34400MW）的7%，比例較小。而且在福建與華東經(jīng)500kV聯(lián)網(wǎng)且通過特高壓與全國聯(lián)網(wǎng)的情況下，電網(wǎng)的備用容量和抗干擾能力大為增強，在調(diào)速系統(tǒng)作用的情況下，上述風(fēng)電出力變化對系統(tǒng)頻率的影響可以限制在合理范圍內(nèi)。

3.4 風(fēng)電出力變化對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的影響

大規(guī)模的風(fēng)電接入則會引起電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性的變化。在此考慮三種風(fēng)電出力方式：

方式一：全省風(fēng)電零出力，火電平均開機。

方式二：全省風(fēng)電滿出力，火電平均開機。

方式三：福州、莆田風(fēng)電滿出力，泉州、漳州風(fēng)電零出力，全省火電平均開機。

在風(fēng)電的不同出力與情況下，福建各分區(qū)電網(wǎng)電力盈虧以及斷面潮流分布有所不同（見表2）。在上述風(fēng)機出力情況下，對福建電網(wǎng)500kV線路故障的臨界切除時間進行比較。計算方式為2013年8月大方式與2015年8月大方式，由計算結(jié)果：

風(fēng)電零出力與滿出力情況下接入福建110kV電網(wǎng)后對電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性影響不大。

福州～泉州特高壓線路建成以前的2013年是“十二五”期間福建主網(wǎng)潮流壓力較大的一年。北部風(fēng)電滿發(fā)，南部風(fēng)電停機將加大福建電網(wǎng)北電南送的輸電壓力，系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定裕度也有所降低。但總體而言，“十二五”期間考慮總計2400MW的風(fēng)電開發(fā)規(guī)模，福建電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性仍可以滿足要求。

表2 2013年風(fēng)電出力對主網(wǎng)500kV斷面潮流的影響 單位：MW

3.5 風(fēng)電對福建電網(wǎng)調(diào)峰能力的要求

調(diào)峰計算顯示，2015年風(fēng)電規(guī)模如果達(dá)到2400MW，福建電網(wǎng)將存在調(diào)峰容量不足的困難。從電力系統(tǒng)調(diào)峰能力來看，在本研究的計算條件(電源方案、負(fù)荷特性等)下，2015年福建電網(wǎng)接納風(fēng)電能力大致為1600MW。要增大福建電網(wǎng)接納風(fēng)電的能力，必須加快福建電網(wǎng)調(diào)峰電源建設(shè)。

3.6 小結(jié)

綜上所述，從風(fēng)電對福建電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定、頻率偏差、短路電流等影響來看，2015年福建電網(wǎng)基本具備接納2400MW風(fēng)電的能力。但系統(tǒng)接入點的電壓變動以及調(diào)峰方面還不能很好地滿足要求。

4 規(guī)劃設(shè)計方面的要求及措施

“十二五”期間福建電網(wǎng)可能出現(xiàn)調(diào)峰不足的原因是：西電東送規(guī)模加大以及核電和風(fēng)電開發(fā)規(guī)模加大。因此，要增大福建電網(wǎng)接納風(fēng)電的能力，必須加快福建電網(wǎng)調(diào)峰電源建設(shè)。

公共接入點電壓變動和電壓水平方面問題的根源在于風(fēng)電出力的波動性。解決風(fēng)電并網(wǎng)帶來的電壓問題也應(yīng)主要考慮從無功補償配置的角度著手。下面從風(fēng)電場側(cè)、系統(tǒng)側(cè)、接入系統(tǒng)三個方面提出相應(yīng)要求和措施。

4.1 對風(fēng)電場側(cè)的要求

4.1.1對風(fēng)機機型及功能的要求

4.1.1.1恒速異步風(fēng)力發(fā)電機組運行時需要消耗大量無功，而且其運行對機端電壓要求較高。建議新增風(fēng)機避免采用恒速異步風(fēng)力發(fā)電機組，應(yīng)采用變速恒頻機組，包括雙饋機和同步機。

4.1.1.2風(fēng)電機組運行時的功率因數(shù)值要通過分析計算來確定，不能只發(fā)有功，不發(fā)無功。從實際運行情況來看，福建電網(wǎng)已投運的雙饋型風(fēng)機往往只在停機條件下才可人為地對功率因數(shù)進行調(diào)控。為了降低對系統(tǒng)電壓的影響，有條件的大規(guī)模風(fēng)電場應(yīng)考慮安裝具有在線功率因數(shù)集中調(diào)節(jié)功能的模塊及設(shè)備。

4.1.1.3風(fēng)機均應(yīng)配置有功功率變化率控制功能，避免有功過快變化。

4.1.2對風(fēng)電場無功補償配置和電壓調(diào)整能力的要求

風(fēng)電升壓站應(yīng)配置合理的無功補償設(shè)備，提高其電壓調(diào)整能力。除了常規(guī)的固定電容補償以外，必要時需考慮采用分組投切電容器或無功動態(tài)調(diào)節(jié)設(shè)備（比如SVC、STATCOM、D-VAR等）。按照仿真結(jié)果，為了滿足電壓變動方面的技術(shù)要求，在不考慮風(fēng)電機自身的無功調(diào)節(jié)能力的前提下，場站的動態(tài)無功規(guī)模按照風(fēng)電場裝機總?cè)萘康闹辽偌s20％配置（即-0.98～+0.98）是必要的。

風(fēng)電升壓站一般均宜采用有載調(diào)壓變壓器，這在相關(guān)技術(shù)規(guī)定中已有明確要求，應(yīng)按此執(zhí)行。

4.2 對風(fēng)電開發(fā)規(guī)模及接入系統(tǒng)的要求

4.2.1對風(fēng)電開發(fā)總體規(guī)模的要求

風(fēng)電開發(fā)總體進度和規(guī)模應(yīng)結(jié)合區(qū)域電網(wǎng)發(fā)展情況，考量調(diào)峰、潮流、電壓、頻率等因素而定。計算表明，從電力系統(tǒng)調(diào)峰能力來看，在本研究的計算條件(電源方案、負(fù)荷特性等)下，2015年福建電網(wǎng)接納風(fēng)電能力大致為1600MW。

4.2.2對風(fēng)電接入電壓等級的要求

風(fēng)電接入電壓等級需要其從風(fēng)電的合理送電方向、系統(tǒng)接受能力、經(jīng)濟性等方面來綜合考慮，在此僅從減少電壓波動的方面提出要求。一般而言，對于需要外送的大規(guī)模（比如100MW以上）風(fēng)電場，建議考慮由220kV電網(wǎng)送出，而不要接入110kV電網(wǎng)。因為其出力變化對110kV電網(wǎng)的影響大于220kV電網(wǎng)。以東瀚風(fēng)電場（規(guī)劃裝機約150MW）為例，如果東瀚風(fēng)電場接入華塘變220kV母線，華塘變220kV、110kV母線的電壓變動比接入華塘變110kV母線分別低0.3和0.4個百分點。

4.2.3對風(fēng)電集中接入容量的要求

在大量風(fēng)電集中接入某個220kV變電站或110kV變電站的情況下，如果這些風(fēng)電的出力波動具有較高的同時率，會使接入點的電壓波動較大，而且也可能增大接入點的短路容量。單純從控制短路電流的角度看，單個110kV接入點（及其周邊臨近接入點）接入的風(fēng)電總?cè)萘坎粦?yīng)超過300～400MW,具體容量限制應(yīng)結(jié)合具體電網(wǎng)條件計算確定。

4.3 對系統(tǒng)側(cè)的要求

4.3.1對接入點電壓、無功調(diào)節(jié)能力的要求

目前對于規(guī)模較小的風(fēng)電場和“十二五”之前已投運的風(fēng)電場，工程設(shè)計中一般是按風(fēng)電場不吸收系統(tǒng)無功功率的原則來配置容性無功補償設(shè)備，沒有配置動態(tài)無功裝置。當(dāng)接入同一個接入點的小型風(fēng)電場積少成多，規(guī)模累積到一定程度時，會對電網(wǎng)電壓造成影響。此時需要考慮在一些風(fēng)電場的升壓站或者在風(fēng)電的公共接入點配置動態(tài)無功補償。

4.3.2對系統(tǒng)備用容量的要求

隨著福建與華東電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)以及全國特高壓電網(wǎng)的形成，福建電網(wǎng)的備用能力大為增強。按照《電力系統(tǒng)設(shè)計手冊》，系統(tǒng)事故備用取10％，在調(diào)速系統(tǒng)作用的情況下，即使大規(guī)模風(fēng)電全部停機，一般也不會對系統(tǒng)頻率產(chǎn)生太大的影響。

但是在某些特殊的方式下（比如福建電網(wǎng)孤網(wǎng)運行，負(fù)荷較輕的小方式），仍需要對風(fēng)電停機的影響加以關(guān)注，在系統(tǒng)中留有足夠的備用容量。

5 結(jié)論和建議

5.1 從風(fēng)電對福建電網(wǎng)安全穩(wěn)定、短路電流和頻率水平等影響來看，福建電網(wǎng)基本具備接納2400MW風(fēng)電的能力。

5.2 從風(fēng)電對福建電網(wǎng)的調(diào)峰能力需求看，2015年風(fēng)電規(guī)模如果達(dá)到2400MW,福建電網(wǎng)將存在調(diào)峰容量不足的困難。

5.3 風(fēng)電接入將對福建電網(wǎng)電壓水平造成不利影響，需要采用一定的技術(shù)措施加以解決。建議將提高每個風(fēng)電場的無功調(diào)控能力、提高風(fēng)機運行特性作為解決系統(tǒng)電壓問題的主要途徑之一。

5.3.1建議新增風(fēng)機均應(yīng)配置有功功率變化率控制功能；建議規(guī)劃新增風(fēng)力發(fā)電機組采用變速恒頻機組。

5.3.2建議在“十二五”期間新增的所有風(fēng)電場均配置動態(tài)無功補償裝置（例如SVC）。為了滿足電壓變動方面的技術(shù)要求，在不考慮風(fēng)電機自身的無功調(diào)節(jié)能力的前提下，場站的動態(tài)無功規(guī)模按照風(fēng)電場裝機總?cè)萘康闹辽偌s20％配置（即-0.98～+0.98）是必要的。此外，還需要考慮另外增配一定的無功補償，以補償場內(nèi)主變及線路等的無功損耗。

5.3.3風(fēng)電機組運行時的功率因數(shù)值要通過分析計算來確定，不能只發(fā)有功，不發(fā)無功。

5.3.4建議新增風(fēng)電機組宜具有一定的動態(tài)無功調(diào)控能力，比如機端電壓的恒定控制功能以及功率因數(shù)的恒定控制功能。

5.4風(fēng)電對電網(wǎng)電壓變化的具體影響及控制措施需要結(jié)合福建沿海風(fēng)況變化特性、各種風(fēng)機運行特性和控制能力開展專題研究。

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