許睿超,羅衛(wèi)華

（遼寧省電力有限公司,遼寧 沈陽 110006）

風電并網(wǎng)發(fā)電是目前中國極具發(fā)展可能和前景的新能源發(fā)電。從2003年到2008年,中國風電裝機容量快速增長,累計裝機容量從2003年末的56.7萬kW增加到2008年末的1 324.22萬kW,增加了22.3倍;年新增裝機容量從2003年的9.8萬kW增加到2008年的719.02萬kW,增加了72.4倍。在2010年,中國風電裝機容量已超過3 000萬kW,提前10年完成了我國此前規(guī)劃的2020年風電裝機容量達3 000萬kW的目標。今后中國平均每年將新增約2 500萬kW風電裝機,5年后風電裝機將達到1.35億kW,20年后可達到5.13億kW。

預(yù)計在2010年底,遼寧電網(wǎng)的風電裝機容量達到340萬kW,2015年風電裝機容量達到787萬kW。

風能發(fā)電具有不穩(wěn)定性和間歇性的特點,增加了風電在電壓、頻率及相位控制上的難度,如果風電的比重超過整個電網(wǎng)的10%,將對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行及電能質(zhì)量產(chǎn)生不利的影響。同時,我國風電場的單機容量一般較小,且850 kW以下的風電機組絕大多數(shù)是異步發(fā)電機組,需要系統(tǒng)提供無功支持。因此,提高風電場發(fā)電的穩(wěn)定性,抑制風電引起的電壓波動與閃變是風電并網(wǎng)運行中的重要問題。

目前,減小風能發(fā)電對電網(wǎng)的不利影響,主要采用的措施是提高風電功率預(yù)測精度。雖然,國內(nèi)外已有一些風電功率預(yù)測模型和方法[1-2,7],但至今還沒有準確實用的方法,許多模型需要利用全球的數(shù)據(jù)來支撐預(yù)測精度[3],這牽涉到多方面的利益。同時,電網(wǎng)的調(diào)度員需要投入更多的精力,做更為細致的工作,對各類電源出力、備用安排精確到分鐘級乃至秒級,并準備多項應(yīng)急預(yù)案,盡最大努力消除風電的不確定性對電網(wǎng)的影響,這無疑加大了調(diào)度員的工作強度,實現(xiàn)難度很大。

本文針對遼寧電網(wǎng)風電并網(wǎng)的實際情況,提出了強化風電并網(wǎng)的調(diào)度及技術(shù)要求：加強風機的低電壓穿越能力,要求風機能按調(diào)度令增減出力,風機都能夠發(fā)出或吸收無功功率,風電場能根據(jù)系統(tǒng)頻率變化自動調(diào)節(jié)功率輸出和具備黑啟動能力。同時提出提高風電場發(fā)電的穩(wěn)定性最好的方法是采用儲能技術(shù)進行能量儲存,使風力發(fā)電廠在無風、少風的狀態(tài)下仍能正常工作,可以提供持續(xù)穩(wěn)定的電能。

圖1 遼寧某風電場日負荷曲線

1 風能發(fā)電對遼寧電網(wǎng)的不利影響

由于風電具有較大的隨機性和不可控性,屬于間歇性、不穩(wěn)定的波動型電源。風電場風機一般安裝在50～70m高空,某風電場兩天的風機出力曲線如圖1所示。該風機日最大功率出現(xiàn)在13：00～22：00,最小功率出現(xiàn)在1：00～7：00及23：00～24：00。

風電的大規(guī)模集中并網(wǎng)將給遼寧電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)頻、聯(lián)絡(luò)線控制、系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定、無功調(diào)壓及電能質(zhì)量等諸多方面帶來直接影響,給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行帶來新的挑戰(zhàn)。

1.1 導(dǎo)致系統(tǒng)調(diào)峰難度增加

由于風電運行的不確定性,其功率波動常會與用電負荷波動趨勢相反,即在負荷高峰時段可能無風可發(fā),而在負荷低谷時段又可能來大風而需要滿發(fā)[4]。同時風電機組功率由風速決定,功率變化速率較快,從而還要求系統(tǒng)為之提供足夠快的調(diào)峰速率。因此,風電的運行相當于產(chǎn)生了“削谷填峰”的反調(diào)峰效果,進一步加大了電網(wǎng)的等效峰谷差,惡化了系統(tǒng)的負荷特性,擴大了全網(wǎng)調(diào)峰的范圍,因此必須要在全網(wǎng)范圍內(nèi)統(tǒng)一留取充足的正向、負向旋轉(zhuǎn)備用容量。

1.2 影響系統(tǒng)頻率和省際聯(lián)絡(luò)線調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性

東北地區(qū)風能的特點是能量足、變化快、時空分布不確定性強,因此風電運行呈現(xiàn)功率瞬時突變的特征。從目前已并網(wǎng)的風電機組運行特性來看,阜新、鐵嶺、大連等地區(qū)的風電場出力經(jīng)常在數(shù)分鐘之內(nèi)就產(chǎn)生100～250 MW的升降,造成系統(tǒng)的頻率突變和省際聯(lián)絡(luò)線功率產(chǎn)生較大偏差。風電機組本身對于系統(tǒng)頻率的跟蹤調(diào)節(jié)能力十分有限,風電機組本身的穩(wěn)定運行狀況反過來又會影響系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié),從而導(dǎo)致頻率特性的進一步惡化。因此,對于大規(guī)模風電功率波動的控制還要有能夠滿足風電場功率瞬時驟變的系統(tǒng)調(diào)峰速率。

1.3 導(dǎo)致潮流斷面重載增加并降低系統(tǒng)穩(wěn)定性

風電場的地理位置基本上處于遠離負荷中心的主網(wǎng)架末端,一般接入到網(wǎng)架結(jié)構(gòu)比較薄弱的配電網(wǎng)上,因此當其大規(guī)模集中發(fā)電時可能造成上網(wǎng)點附近多個輸送斷面的潮流發(fā)生重載。同時由于風電輸送的“電氣距離”相當遠,大量運行的風電機組又使得系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量變小,因此一定程度上減弱了系統(tǒng)對振蕩的阻尼作用,降低了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

1.4 增加系統(tǒng)無功調(diào)節(jié)難度且降低電網(wǎng)抵御故障的能力

風電場在正常運行時需要吸收大量的無功功率來建立旋轉(zhuǎn)磁場,其無功需求一部分可通過自身的無功補償設(shè)備來提供,另外相當一部分仍需從主網(wǎng)來吸收。因此大規(guī)模風電場的集中運行,必將提高從電網(wǎng)中吸收的無功功率,進一步增加線路、變壓器等設(shè)備的損耗,降低系統(tǒng)的無功儲備度[5-6]。這就一方面要求需在風電場附近的廠站合理配備一定容量的無功補償設(shè)備,另一方面則必須要提高系統(tǒng)的無功調(diào)節(jié)能力,從而增加了系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)和無功管理方面的難度。

同時,由于風電機組本身對電壓幾乎不具備任何調(diào)節(jié)能力,其低電壓保護的動作限值一般僅設(shè)置到0.7～0.9倍的額定電壓,在母線電壓發(fā)生小幅的擾動時,風電機組就會簡單地切除以保護自身設(shè)備[8]。當系統(tǒng)發(fā)生較嚴重的故障引發(fā)大面積電壓跌落時,集中運行的風電機組又會瞬時成批地解列,造成惡劣的連鎖反應(yīng)和對系統(tǒng)的二次沖擊,甚至可能會誘發(fā)系統(tǒng)振蕩和電壓崩潰。因此風電的大規(guī)模集中并網(wǎng)運行,會進一步降低電網(wǎng)對故障的抵御能力,對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定控制提出了更高的要求。

實際上,對于風電的間隙性和隨機性特點,歐美國家的電網(wǎng)企業(yè)從抵制到接納也經(jīng)歷了一個較長的過程。隨著風電并網(wǎng)容量不斷增大,各國電網(wǎng)企業(yè)都針對風電并網(wǎng)制定了技術(shù)要求。本文針對遼寧電網(wǎng)風電接入的實際情況,提出以下措施減少不利影響。

2 抑制風電并網(wǎng)不利影響的措施

2.1 加強風機的低電壓穿越能力

風機的穿越故障能力即在系統(tǒng)發(fā)生事故、電壓水平降低的情況下,風電場依然能夠聯(lián)網(wǎng)運行,以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。如德國最大的電力公司意昂電力公司規(guī)定,風電機應(yīng)能承受的故障電壓下降到零,持續(xù)時間150 ms,電壓恢復(fù)時間1 500ms;北美電力可靠性委員會規(guī)定,對于裝機2萬kW以上的風電場,風機承受的故障電壓為15%,持續(xù)時間625 ms,恢復(fù)時間3 000 ms,同時準備提出更高的要求,即故障電壓為零時持續(xù)時間167 ms。

2.2 風機能按調(diào)度令增減出力

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(yīng)時間。

2.3 風機能夠發(fā)出或吸收無功功率

要求所有風機都能夠發(fā)出或吸收無功功率,為系統(tǒng)穩(wěn)定提供無功功率支持,適應(yīng)電網(wǎng)電壓的變化。

2.4 能根據(jù)系統(tǒng)頻率變化自動調(diào)節(jié)功率輸出

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)的擾動,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(yīng)時間最高30 s;二級臨時儲備容量響應(yīng)時間5 min;分鐘臨時儲備容量響應(yīng)時間5～15min。

2.5 具備黑啟動能力

歐美國家電網(wǎng)企業(yè)一般要求大型風電場具備這一功能。

要實現(xiàn)以上這些技術(shù)要求,提高風電場發(fā)電的穩(wěn)定性,最好的方法是采用儲能技術(shù)進行能量儲存,使風力發(fā)電廠在無風、少風的狀態(tài)下仍能正常工作,可以提供持續(xù)穩(wěn)定的電能。

3 儲能系統(tǒng)在風電場中的應(yīng)用

采用儲能系統(tǒng)可以控制風力發(fā)電輸出的有功功率,不僅可用于電力調(diào)峰,使風力發(fā)電單元作為調(diào)度機組單元運行,而且具備向電力系統(tǒng)提供頻率控制、快速功率響應(yīng)等輔助服務(wù)的能力。

3.1 儲能技術(shù)比較

a.抽水蓄能。目前,全世界共有超過90GW的抽水蓄能機組投入運行,我國也有成功運行的抽水蓄能電站。抽水蓄能電站的最大特點是儲存能量非常大,因此非常適合于電力系統(tǒng)調(diào)峰和做備用電源的長時間場合。從技術(shù)層面講,抽水蓄能電站的關(guān)鍵在于如何實現(xiàn)電能與高水位勢能間的快速轉(zhuǎn)換,抽水蓄能機組的設(shè)計和制造是關(guān)鍵,這種方式的缺點是轉(zhuǎn)化效率不是很高（約為80%）,并且受地域限制。

b.先進電池儲能。近年來,新型的蓄電池相繼開發(fā)成功,并在電力系統(tǒng)中得到應(yīng)用。英國正在用PSB電池建設(shè)一座15 MW/120 ME?h的儲能電站,其凈效率約為75%。日本采用NaS技術(shù)的儲能示范工程有30多處,總儲能容量超過20 MW,可用于8 h的日負荷調(diào)節(jié)。NaS電池具有較高的儲能效率,還具有輸出脈沖功率的能力,輸出的脈沖功率可在30 s內(nèi)達到連續(xù)額定功率值的6倍,使NaS電池可以同時用于電能質(zhì)量調(diào)節(jié)和負荷的削峰填谷調(diào)節(jié)兩種目的。

c.飛輪儲能。大多數(shù)飛輪儲能系統(tǒng)是由一個圓柱形旋轉(zhuǎn)質(zhì)量塊和通過磁懸浮軸承支撐的機構(gòu)組成,飛輪系統(tǒng)運行于真空度較高的環(huán)境中,飛輪與電動機或發(fā)電機相連,其特點是沒有摩擦損耗、風阻小、壽命長、對環(huán)境沒有影響,幾乎不需要維護。飛輪具有優(yōu)異的循環(huán)使用以及負荷跟蹤性能,它可以用于那些在時間和容量方面介于短時儲能應(yīng)用和長時間儲能應(yīng)用之間的應(yīng)用場合。

d.超導(dǎo)磁儲能。超導(dǎo)磁儲能由于具有快速電磁響應(yīng)特性和很高的儲能效率。超導(dǎo)磁儲能在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用包括負荷均衡、動態(tài)穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、頻率調(diào)整、輸電能力提高以及電能質(zhì)量改善等。目前超導(dǎo)磁儲能仍很昂貴,除了超導(dǎo)本身的費用外,維持低溫所需要的費用也相當可觀。超導(dǎo)磁儲能工程正在進行或處于研制階段。

e.超級電容器儲能。與常規(guī)電容器相比,超級電容器具有更高的介電常數(shù)、更大的表面積或更高的耐壓能力。目前,超級電容器大多用于高峰值功率、低容量的場合。

f.壓縮空氣儲能。壓縮空氣儲能相當于一種調(diào)峰用燃氣輪機發(fā)電廠,對于同樣的輸出,它消耗的燃氣要比常規(guī)燃氣輪機少40%,它可以利用電網(wǎng)負荷低谷時的廉價電能預(yù)先壓縮空氣,然后根據(jù)需要釋放儲存的能量加上一些燃氣進行發(fā)電。壓縮空氣常常儲存在合適的地下礦井或巖洞下的洞穴中。第一個投入商業(yè)運行的壓縮空氣儲能是1978年建于德國Hundorf的1臺290 MW機組。目前美國GE公司正在開發(fā)容量為829 MW的更為先進的壓縮空氣儲能電站,此外,俄、法、意、盧森堡、以色列和我國也在積極開發(fā)和建設(shè)這種電站,各類儲能技術(shù)比較如表1所示。

比較而言,遼寧電網(wǎng)可采用電池儲能系統(tǒng)。

3.2 儲能技術(shù)在電網(wǎng)調(diào)峰中的應(yīng)用

a.電池儲能系統(tǒng)

電池儲能（battery energy storage system, BESS）是柔性交流輸電技術(shù)中的一種,將BESS與風力發(fā)電單元相結(jié)合,有利于減少風電場輸出波動對電網(wǎng)的影響,改善并網(wǎng)風電場的穩(wěn)定性問題。BESS主要由蓄電池組、逆變器、控制裝置和變壓器組成,可等效成由變流器模型和電池的電化學(xué)等效電路兩部分,如圖2所示。

圖2中,R為變壓器電阻及線路電阻的等效電阻;L為變壓器漏電感及線路電感的等效電感;uS為系統(tǒng)側(cè)交流電壓;uR為換流側(cè)交流電壓,C為直流側(cè)的平波電容;UDC為直流側(cè)平波電容兩端電壓。

b.電池儲能系統(tǒng)的調(diào)峰效果

從圖3可知,采用電池儲能系統(tǒng)可以產(chǎn)生“填谷削峰”的調(diào)峰效果,減小電網(wǎng)的等效峰谷差,優(yōu)化了系統(tǒng)的負荷特性,擴大了全網(wǎng)調(diào)峰的范圍。

4 結(jié)束語

風能是最具發(fā)展前景的新能源,但風能發(fā)電具有不穩(wěn)定性和間歇性的特點,給電網(wǎng)穩(wěn)定帶來了問題。本文針對遼寧電網(wǎng)風電接入的實際情況,提出了強化風電并網(wǎng)的調(diào)度及技術(shù)要求。同時,提出了要提高風電場發(fā)電的穩(wěn)定性,最好的方法是在風電場建立儲能系統(tǒng)。

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