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        “十二五”期間大規(guī)模風(fēng)電接入對福建電網(wǎng)的影響及對策分析

        2010-06-07 05:25:30楊曉東林章歲
        電力建設(shè) 2010年7期

        楊曉東,石 建,劉 峻,林章歲

        (1.福建省電力有限公司,福州市,350003;2.福建省電力勘測設(shè)計(jì)院,福州市,350003)

        0 引言

        福建省境內(nèi)風(fēng)能資源豐富,風(fēng)能發(fā)電具備大規(guī)模開發(fā)的潛力[1]。2008年底福建省風(fēng)電裝機(jī)260 MW,主要分布在福州和漳州沿海。預(yù)計(jì)2010年底福建省風(fēng)電裝機(jī)將達(dá)到847 MW,至2015年將達(dá)到約2400 MW,主要分布在福州、莆田、泉州、漳州的沿海地區(qū)。

        風(fēng)電場的大規(guī)模建設(shè)給電網(wǎng)規(guī)劃和運(yùn)行帶來了新的挑戰(zhàn)。風(fēng)力發(fā)電具有隨機(jī)性、波動(dòng)性的特點(diǎn),而且福建省的風(fēng)電場大多位于電網(wǎng)末端,大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行后會影響電網(wǎng)電壓水平和電能質(zhì)量,導(dǎo)致系統(tǒng)備用容量、調(diào)峰壓力增加,系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性改變,接入片區(qū)的短路電流水平提升等一系列問題[2-5]。

        為探討解決大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)后可能導(dǎo)致的安全性與穩(wěn)定性問題,本文以福建省近期規(guī)劃的風(fēng)電建設(shè)規(guī)模和接入系統(tǒng)設(shè)想[1]為背景,采用PSD-BPA軟件和“聯(lián)合電力系統(tǒng)運(yùn)行模擬軟件包”,對“十二五”期間福建省風(fēng)電并網(wǎng)引起的電力系統(tǒng)運(yùn)行與安全穩(wěn)定的問題進(jìn)行研究,并提出相關(guān)的技術(shù)解決措施建議。

        1 “十二五”期間福建風(fēng)電開發(fā)及接入概況

        “十二五”期間福建各分區(qū)風(fēng)電規(guī)劃開發(fā)規(guī)模[1]如表1所示。

        表1 2008—2015年福建各分區(qū)風(fēng)電規(guī)劃開發(fā)規(guī)模Tab.1 Regional wind power development plan in Fujian for 2008—2015 MW

        風(fēng)電接入電網(wǎng)的電壓等級需要從送電方向與規(guī)模、電網(wǎng)接受能力(電壓、短路電流和潮流分布)、經(jīng)濟(jì)性等方面來綜合考慮。根據(jù)目前的規(guī)劃成果,至2015年,除少量以35 kV接入外,福建開發(fā)的大部分風(fēng)電以110 kV接入電網(wǎng),接入點(diǎn)包括110 kV公用變電站或220 kV變電站的110 kV母線,接線模式包括單回注入變電站和T接。

        計(jì)算中,規(guī)劃風(fēng)電場的機(jī)組假定采用文獻(xiàn)[6]提供的變速恒頻雙饋機(jī)型,并按機(jī)端電壓0.69 kV、單機(jī)容量2 MW、變槳距考慮。風(fēng)電升壓系統(tǒng)考慮2級變壓,即考慮發(fā)電機(jī)-變壓器組、升壓站以及低壓電纜。

        2 風(fēng)電并網(wǎng)對電壓和電能質(zhì)量的影響

        2.1 電壓偏差和電壓水平

        當(dāng)風(fēng)電出力由零出力緩慢變化至滿出力(或相反過程)后,電網(wǎng)公共連接點(diǎn)的電壓偏差和電壓水平會發(fā)生變化,如圖1所示。計(jì)算結(jié)果顯示,變化幅度受風(fēng)電場無功補(bǔ)償情況的影響很大:

        (1)如果風(fēng)電場運(yùn)行中并網(wǎng)點(diǎn)的功率因數(shù)可以保持在0.98(即風(fēng)電場持續(xù)發(fā)出無功),福建全省公共連接點(diǎn)的最大電壓偏差可以控制在4%左右,而且母線電壓也可控制在額定值的-3%~+7%。

        (2)如果風(fēng)電場運(yùn)行中不發(fā)無功(例如風(fēng)機(jī)功率因數(shù)固定為1.0),福州、莆田公共接入變電站及其附近的110 kV母線最大電壓偏差范圍將接近額定電壓的10%,而且部分母線電壓不能控制在額定電壓的-3%~+7%,不滿足技術(shù)要求。

        2.2 電壓變動(dòng)

        風(fēng)力的不確定性和風(fēng)機(jī)本身的運(yùn)行特性導(dǎo)致風(fēng)機(jī)的輸出功率具有波動(dòng)性,會影響電網(wǎng)電能質(zhì)量。由于多數(shù)規(guī)劃風(fēng)電場的接入系統(tǒng)方案尚處于設(shè)想階段,尚不具備研究電壓閃變、諧波等問題的準(zhǔn)確條件,因此本文僅對電壓變動(dòng)這一現(xiàn)象進(jìn)行計(jì)算分析。

        研究中考慮了2種較為極端的風(fēng)力變化情況:風(fēng)力突增和風(fēng)力突降。計(jì)算發(fā)現(xiàn),在同等變化幅度的情況下風(fēng)力突增引起的電壓波動(dòng)幅度大于風(fēng)力突降,其直接原因是風(fēng)力突增過程中風(fēng)機(jī)有可能向系統(tǒng)吸收無功,導(dǎo)致電壓進(jìn)一步下降。

        風(fēng)電出力由零突增至滿發(fā)后各地區(qū)接入點(diǎn)110 kV母線電壓變化情況如圖2所示。由圖2可見:如果不采取控制措施,各地的接入點(diǎn)電壓變動(dòng)最大值均超出1.5%,福州、莆田等地接入點(diǎn)電壓變動(dòng)最大達(dá)到8%~9%,而且部分母線電壓偏低,不能控制在額定電壓的-3%~+7%。

        就地區(qū)而言,泉州、漳州電網(wǎng)的電壓水平明顯好于福州、莆田地區(qū),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,且接入片區(qū)用電負(fù)荷較重。

        2.3 改善電壓水平的對策分析

        電壓變動(dòng)超標(biāo)問題的根源在于風(fēng)電出力的波動(dòng)性,此外電壓問題多可從無功補(bǔ)償配置的角度著手解決。因此,擬采用限制風(fēng)機(jī)出力變化和動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償[7](如SVC,STATCOM)2方面的對策來改善風(fēng)電接入后電壓變動(dòng)超標(biāo)問題。

        2.3.1 風(fēng)力突增時(shí)采取的對策

        (1)措施1:利用風(fēng)機(jī)自身的功率變化率控制功能,限制風(fēng)電場功率變化率在0.05 pu/s以內(nèi)。采取措施1效果見圖3,母線電壓波動(dòng)和電壓水平均合格。

        (2)措施2:在“十二五”期間規(guī)劃新增的風(fēng)電場升壓站分散裝設(shè)SVC,作為動(dòng)態(tài)無功調(diào)節(jié)的手段,規(guī)模按照本風(fēng)電場裝機(jī)總?cè)萘康摹?0%配置。采取措施2的效果如圖4所示,由圖4可見,福州、莆田接入點(diǎn)電壓變動(dòng)最大值由8%~9%下降到4%~5%,且莆田電網(wǎng)電壓水平合格。

        (3)措施3:在風(fēng)電接入變電站集中裝設(shè)SVC,SVC容量按該站連接的風(fēng)電場裝機(jī)總?cè)萘康摹?0%配置。采取措施3的效果如圖5所示,由圖5可見福州、莆田接入點(diǎn)電壓變動(dòng)最大值由8%~9%下降到4%,且莆田電網(wǎng)電壓水平合格。

        可見,利用風(fēng)機(jī)的功率變化率控制功能可有效改善因風(fēng)力突增引起的電壓波動(dòng),動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備也可以起到良好的控制效果。

        2.3.2 風(fēng)力突降(切機(jī))時(shí)采取的對策

        突然切機(jī)后,風(fēng)機(jī)的功率變化率控制失去意義,只能依靠電網(wǎng)或/和風(fēng)電場的無功快速調(diào)節(jié)能力來控制。在此以莆田110 kV埭頭變的母線電壓為例進(jìn)行分析,4種計(jì)算情況如下。

        (1)風(fēng)機(jī)初始功率因數(shù)為1,風(fēng)機(jī)切機(jī)后沒有進(jìn)行無功調(diào)控。該情況下電壓變動(dòng)最大達(dá)6%。

        (2)情況同(1),但風(fēng)機(jī)初始功率因數(shù)為0.98。該情況下電壓變動(dòng)小于3%。

        (3)在埭頭變連接的“十二五”規(guī)劃新增的風(fēng)電場升壓站分散裝設(shè)SVC,規(guī)模按照本風(fēng)電場裝機(jī)總?cè)萘康摹?0%配置。

        (4)在埭頭變集中裝設(shè)SVC,SVC容量規(guī)模與(3)相同。

        圖6給出4種控制情況下的電壓變化情況,由圖6可見:正常運(yùn)行時(shí),如果風(fēng)電場的一部分無功補(bǔ)償由風(fēng)機(jī)自身發(fā)出,切機(jī)后將有利于降低電網(wǎng)電壓升高的幅度;裝設(shè)SVC對改善電壓水平有明顯作用,而且在同等規(guī)模的條件下,在新增風(fēng)電場的升壓站裝設(shè)SVC的效果與在風(fēng)電的接入點(diǎn)裝設(shè)SVC的效果相差不大。

        2.4 小結(jié)

        綜上,風(fēng)電接入將對福建電網(wǎng)電壓水平和電壓波動(dòng)造成不利影響,需要采用技術(shù)措施加以解決。

        (1)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)值要通過分析計(jì)算來確定,不能固定地調(diào)整為只發(fā)有功。

        (2)風(fēng)機(jī)應(yīng)配備功率變化率控制功能,減少因風(fēng)力增加對電壓水平造成的影響。

        (3)如果風(fēng)機(jī)運(yùn)行的功率因數(shù)可以保持在滯相(比如0.98,當(dāng)風(fēng)減弱后無功出力也隨之減?。?,風(fēng)力突降情況下,大部分公共連接點(diǎn)電壓變動(dòng)可以滿足要求;但是,如果風(fēng)機(jī)的功率因數(shù)保持在1.0,并且風(fēng)力突降后沒有其他無功調(diào)節(jié)能力,則風(fēng)電場升壓站需要裝設(shè)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備,如SVC、STATCOM。

        (4)經(jīng)計(jì)算比較,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(diǎn)裝設(shè)SVC的效果相差不大。如果能同時(shí)在系統(tǒng)側(cè)公共連接點(diǎn)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。

        (5)按照仿真結(jié)果,在不考慮風(fēng)電機(jī)自身的無功調(diào)節(jié)能力的前提下,場站的動(dòng)態(tài)無功規(guī)模按照“十二五”新增風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘康闹辽偌s20%配置(即進(jìn)相0.98~滯相0.98)是必要的。

        (6)目前,福建電網(wǎng)中的風(fēng)電場均沒有配置動(dòng)態(tài)無功裝置。當(dāng)接入同一個(gè)接入點(diǎn)的小型風(fēng)電場規(guī)模累積到一定程度時(shí),會對電網(wǎng)電壓造成影響。因此,規(guī)劃接入風(fēng)電的公共變電站在設(shè)計(jì)中宜考慮預(yù)留SVC的裝設(shè)位置。

        3 風(fēng)電開發(fā)對電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻能力的要求

        3.1 電網(wǎng)調(diào)峰能力分析

        風(fēng)電發(fā)電過程具有隨機(jī)性和不可控性,有可能在負(fù)荷低時(shí)大發(fā),而在負(fù)荷高時(shí)少發(fā)或不發(fā)電,對電網(wǎng)調(diào)峰有不利影響。根據(jù)福建現(xiàn)有風(fēng)電運(yùn)行統(tǒng)計(jì)資料和設(shè)計(jì)資料對風(fēng)電需要的調(diào)峰能力進(jìn)行推算,所采用的典型風(fēng)電出力曲線見圖7。

        根據(jù)目前的電網(wǎng)規(guī)劃,“十二五”期間福建省核電開發(fā)容量約6000 MW,此外還可能從省外接受較大規(guī)模的“西電東送”容量,但規(guī)劃投運(yùn)的抽水蓄能機(jī)組裝機(jī)僅1200 MW。調(diào)峰計(jì)算顯示,在上述計(jì)算條件下,2015年福建電網(wǎng)調(diào)峰能力能夠接納的風(fēng)電大致為1600 MW。如果2015年風(fēng)電規(guī)模達(dá)到2400 MW,福建電網(wǎng)將存在調(diào)峰容量不足的困難。風(fēng)電對福建電網(wǎng)調(diào)峰的影響,今后還需要在跟蹤收集各地區(qū)風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際出力曲線的基礎(chǔ)上,通過專題研究來確定。

        3.2 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?,也稱風(fēng)電穿透功率。根據(jù)歐美的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),這一比例達(dá)到10%是可行的[3]。2015年福建已建及規(guī)劃風(fēng)電總?cè)萘考s2400 MW,考慮一定同時(shí)率后,占福建電網(wǎng)低谷方式下電源總出力(21000 MW)的比例不超過10%。

        在福建與華東聯(lián)網(wǎng)解開的極端條件下,計(jì)算發(fā)現(xiàn):當(dāng)風(fēng)電規(guī)模達(dá)到約2500 MW后,全部切機(jī)后福建電網(wǎng)最低頻率降低0.48 Hz,接近49.5 Hz。因此,從維持頻率合格的角度看,當(dāng)福建電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí),2015年福建風(fēng)電裝機(jī)不宜超過2500 MW。

        根據(jù)電網(wǎng)規(guī)劃,“十二五”期間福建電網(wǎng)不僅將加強(qiáng)與華東的500 kV聯(lián)絡(luò),而且還將通過特高壓與全國聯(lián)網(wǎng)。在此情況下,電網(wǎng)的備用容量和抗干擾能力大為增強(qiáng),在調(diào)速系統(tǒng)作用的情況下,2400 MW風(fēng)電出力變化對系統(tǒng)頻率的影響完全可以限制在合理范圍內(nèi)。

        3.3 提高電網(wǎng)調(diào)峰能力的對策

        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),例如加大抽水蓄能電站、燃?xì)怆姀S等快速調(diào)節(jié)電源的建設(shè)規(guī)模;同時(shí)需要啟動(dòng)并推進(jìn)對福建沿海風(fēng)電場出力預(yù)測工作,加強(qiáng)對風(fēng)電場運(yùn)行的調(diào)控管理,增強(qiáng)風(fēng)電功率的可預(yù)知性和可控性。

        4 對電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定和短路電流的影響

        4.1 對電網(wǎng)短路電流的影響

        利用BPA軟件對風(fēng)電場接入電網(wǎng)的公共110 kV母線2015年短路電流進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如表2所示。由表2可以知道這些站點(diǎn)的110 kV母線短路電流不會超過設(shè)備的遮斷能力。

        表2 接入風(fēng)電的變電站110 kV母線短路電流Tab.2 110 kV bus short-circuit current in stations connected with wind power kA

        4.2 對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的影響

        4.2.1 對主網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響

        福建沿海風(fēng)電場地理位置一般比較偏遠(yuǎn),在風(fēng)電場接入系統(tǒng)時(shí),應(yīng)重點(diǎn)研究動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性等系統(tǒng)安全穩(wěn)定問題[8]。

        “十二五”期間福建500 kV電網(wǎng)潮流呈現(xiàn)“北電南送”的特點(diǎn)。在各種風(fēng)機(jī)出力情況下,對福建電網(wǎng)500 kV線路故障的臨界切除時(shí)間進(jìn)行掃描比較后發(fā)現(xiàn):(1)風(fēng)電零出力與滿出力情況下對電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性影響不大。(2)在北部風(fēng)電滿發(fā),南部風(fēng)電停機(jī)的方式下,福建電網(wǎng)“北電南送”的輸電壓力加大,系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定裕度也有所降低。但是總體而言,“十二五”期間考慮總計(jì)2400 MW的風(fēng)電規(guī)模,福建電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性仍可以滿足要求。

        4.2.2 風(fēng)電場切機(jī)對電網(wǎng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的影響

        研究中發(fā)現(xiàn),如果對風(fēng)電場進(jìn)行部分切機(jī)操作,在風(fēng)電接入片區(qū)110 kV電網(wǎng)母線電壓曲線中會觀測到發(fā)散式的低頻振蕩,但是如果全部切機(jī)則觀測不到,參見圖8。施加SVC電壓控制后,電壓的振蕩有所減輕,但仍然呈發(fā)散態(tài)勢,不能完全抑制。這一現(xiàn)象雖不會明顯影響到福建主網(wǎng)的功角穩(wěn)定,但是會直接造成110 kV電網(wǎng)的電壓波動(dòng)超標(biāo),需要進(jìn)一步研究其機(jī)理并采取控制措施。初步考慮采取以下2種措施:(1)在部分同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)加裝類似PSS的裝置。(2)在規(guī)劃裝設(shè)的SVC上安裝附加阻尼控制器[9-10]。

        5 結(jié)論

        (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,2015年福建電網(wǎng)基本具備接納2400 MW風(fēng)電的能力。

        (2)風(fēng)電并網(wǎng)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(gè)風(fēng)電場的無功調(diào)控能力、提高風(fēng)機(jī)運(yùn)行特性作為解決系統(tǒng)電壓問題的主要途徑。

        (3)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2400 MW,福建電網(wǎng)將存在調(diào)峰容量不足的困難。要增大福建電網(wǎng)接納風(fēng)電的能力,需要加大抽水蓄能電站、燃?xì)怆姀S等調(diào)峰電源的建設(shè)規(guī)模;為了增強(qiáng)風(fēng)電功率的可預(yù)知性和可控性,需要啟動(dòng)并推進(jìn)對福建沿海風(fēng)電場出力預(yù)測以及風(fēng)機(jī)調(diào)控的研究,以便有計(jì)劃地安排運(yùn)行方式和開展有效的調(diào)度管理,保證電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

        (4)風(fēng)電開發(fā)總體進(jìn)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、穩(wěn)定等因素而定。對于電網(wǎng)電壓水平對風(fēng)力波動(dòng)敏感性較強(qiáng),且電網(wǎng)送出壓力較大的福清、平潭以及莆田秀嶼片區(qū),建議穩(wěn)妥推進(jìn)風(fēng)電開發(fā)進(jìn)度,使風(fēng)電的開發(fā)進(jìn)度與電網(wǎng)的逐步加強(qiáng)保持協(xié)調(diào)。

        [1]福建省電力勘測設(shè)計(jì)院.福建省陸上風(fēng)電場工程規(guī)劃報(bào)告(2009年修編)[R].福州:福建省電力勘測設(shè)計(jì)院,2009.

        [2]遲永寧,劉燕華,王偉勝,等.風(fēng)電接入對電力系統(tǒng)的影響[J].電網(wǎng)技術(shù),2007,31(3):77-81.

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