紀代穎

（中閩(福清)風電有限公司,福建福清，350300）

0 引言

風電從較高的輸出水平降低到較低水平或停運將對電網(wǎng)的運行產(chǎn)生重大影響。風電的間歇性特征決定了風力發(fā)電的隨機波動特點。風電并入電網(wǎng)后，不具備傳統(tǒng)熱能發(fā)電穩(wěn)定、可調(diào)度的特點。對于電網(wǎng)而言，風電的波動出力更像是對負荷的負面擾動。因此，電網(wǎng)中的常規(guī)電源不僅需要為負載波動預(yù)留足夠的裕度，但也要考慮為風電場預(yù)留一定的儲備，以平衡大量風電注入電網(wǎng)后風力發(fā)電量的變化。當風電場生產(chǎn)波動較大時，需要將其他發(fā)電廠送至電網(wǎng)，以改變出力水平，以平衡風電出力的變化。特別是在負荷較低的情況下，常規(guī)電廠機組已經(jīng)調(diào)整到較低的出力，如果目前風力發(fā)電廠的出力顯著增加，如果常規(guī)電力能夠進一步減少出力并讓風力發(fā)電承擔負荷來決定了電網(wǎng)接受風能的能力。低負荷常規(guī)機組的調(diào)峰能力是限制省級電網(wǎng)接受風能能力的關(guān)鍵條件。大規(guī)模開發(fā)風力發(fā)電有助于解決能源枯竭和環(huán)境污染問題。受風能資源隨機變化的影響，風力發(fā)電具有不確定性。對于電力系統(tǒng)而言，風力發(fā)電始終是一種不可控的能源，隨著并網(wǎng)風電的納入風力發(fā)電所帶來的不確定性對于電力系統(tǒng)的安全性和充裕性構(gòu)成了影響。隨著氣候和環(huán)境因素與系統(tǒng)安全性和充裕性之間的相關(guān)性日益增強，分析風電特性和研究相應(yīng)的檢測和預(yù)防及應(yīng)對風電的不確定性，已成為亟待解決的重要問題[1]。

1 風電概述

風力發(fā)電是新能源的一種不需要使用燃料，也不會產(chǎn)生輻射或空氣污染，基于風力發(fā)電清潔無污染、資源豐富、永不枯竭且技術(shù)最為成熟，所以也正在成為全球的一個熱潮[2]。近年來由于煤炭、石油等傳統(tǒng)資源的不斷減少，尋找新能源成為了人們關(guān)注的焦點，風能資源以經(jīng)濟環(huán)保、不浪費非再生能源（如煤炭、石油）的特點，迅速成為了全球新能源的代表。加之我國風能資源豐富、可開發(fā)性前景好和國家大力扶持，風電發(fā)展前途大好，成為我國現(xiàn)用第三大能源。風電主要缺點是受地域、氣候、天氣等因素的影響，相比傳統(tǒng)的火力發(fā)電，發(fā)電量小、發(fā)電不穩(wěn)定，對電網(wǎng)沖擊較大，所以不確定性較大[3]。風能發(fā)電是一種特殊的能源類型，它以自然風為動力。風力資源的隨機性和間歇性決定了風力發(fā)電機組的輸出特性。作為一種異步發(fā)電機需要從系統(tǒng)中吸收無功功率，產(chǎn)出有功功率，對無功功率的需求隨著有功功率的變化而變化。當風電機組容量較小時，這些輸出特性對電網(wǎng)系統(tǒng)的影響并不明顯，但隨著風機容量在系統(tǒng)中所占比額的增加，風電機組對電網(wǎng)系統(tǒng)的影響將越來越明顯。本文中主要從對頻率偏差的影響、、對電網(wǎng)電壓偏差的影響、對電壓波動的影響、對電網(wǎng)經(jīng)濟運行的影響、對電力系統(tǒng)自動控制的影響、對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響、等幾個方面論述并網(wǎng)風電場對電力系統(tǒng)的影響分析。

2 風電不確定性原因分析

由于風電場的裝機容量非常有限，每個小型風電機組的裝機容量通常為2-5MW左右。通常一個風電場由數(shù)百個單獨的小型機組構(gòu)成，這也是它與傳統(tǒng)火力發(fā)電廠的不同之處。風力發(fā)電不確定性因素包含內(nèi)部和外部，內(nèi)部不確定性因素為波動性、間歇性及隨機性等；外部不確定性因素為風電功率輸出和風機故障等?；陲L力發(fā)電廠的內(nèi)部和外部不確定性因素將導致風力發(fā)電廠并網(wǎng)后增加了電力系統(tǒng)的隨機性，具體如下：

（1）風能不可控。風能以自然風為動力，受平均風速、脈沖風速、風向等氣象條件影響較大。自然風的風能不可控、不利大量儲存。因此，不能根據(jù)電網(wǎng)負荷的需求調(diào)整風電機組的出力來滿足電網(wǎng)負荷的需求，它只能在有限的范圍內(nèi)進行調(diào)整。

（2）功率輸出不穩(wěn)定。由于風速的波動性、間歇性和不可預(yù)測性，功率輸出不穩(wěn)定和隨機。一般認為風能只能提供電力，而不能提供有效的發(fā)電能力。功率輸出與風機轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線圖如1所示。

（3）從電網(wǎng)的角度來看，接入的風電場相當于影響電網(wǎng)可靠運行的隨機干擾源。

（4）自身結(jié)構(gòu)帶來的不確定性，風機軸系變形或者扭曲、松弛以及諧振等都會影響風機的輸出功率。

（5）風電系統(tǒng)除內(nèi)部不確定性因素外，還會有一些外部不確定性因素如：風電場構(gòu)建結(jié)構(gòu)的布局排列和固有地形地貌、電網(wǎng)負荷的需求和調(diào)峰、設(shè)備本身故障、繼電保護誤動作以及人為誤動作等。

綜上分析所述表明：風電的內(nèi)部不確定性主要體現(xiàn)在風速的波動性、間接性以及高度隨機性，而外部不確定性體現(xiàn)在風電功率輸出和風機故障等。不管是內(nèi)部的不確定性還是外部不確定性都會直接或者間接的對電力系統(tǒng)產(chǎn)生不同程度的影響和增加隨機性。

3 風電不確定性對電力系統(tǒng)影響分析

3.1 對頻率偏差的影響

頻率偏差的概念：供電系統(tǒng)總負荷或其部分負荷正常改變，導致供電頻率偏離額定頻率的緩慢變動，通常稱為頻率偏差。國標GB/T15945-1995規(guī)定我國供電頻率允許偏差系統(tǒng)正常頻率偏差允許值為±0.2Hz；當系統(tǒng)容量較小時，偏差值可以放寬到±0.5Hz；沖擊性負荷引起的系統(tǒng)頻率變動不得超過±0.1Hz[4]。頻率偏差Δfd表述公式為：

式中：f為實際頻率；f為額定頻率（50Hz）。

風電機組會因為各種不確定性原因進行突然停機操作。這種相對頻繁的投入和切出操作，使風電場所接入系統(tǒng)的潮流經(jīng)常處于一種重新分配的過程，除影響電壓外，也在一定程度上影響系統(tǒng)的頻率。最嚴重的情況是整個風電場突然切出，造成瞬間電源和負荷的失衡，引起系統(tǒng)頻率瞬時降低。頻率降低的程度，與風電場裝機容量占總電源容量的比例及其占總負荷容量的比例，以及風電場切出時的風速有關(guān)。

3.2 對電網(wǎng)電壓偏差的影響

電力偏差概念為供電系統(tǒng)總負荷或者其部分負荷正常改變，導致供電電壓偏離額定電壓的緩慢變動。國標GB12325-1990規(guī)定我國供電電壓允許偏差：35Kv及以上供電電壓，正負偏差的絕對值之和不超過額定電壓的10%；10Kv及以下三相供電電壓，正負偏差的絕對值之和不超過額定電壓的7%[5]。

電力偏差ΔUd表述公式為：

式中：U為實際電壓；UN為額定電壓。

風力發(fā)電的輸出因風速降低等因素而變化。同時，目前國內(nèi)大部分風電場都是建在電網(wǎng)末端，導致電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對薄弱。風機的變化和風的擾動會導致電網(wǎng)的電壓差產(chǎn)生沖擊，尤其是在風速穩(wěn)定性差和故障模式下特別明顯，風能將影響電網(wǎng)的動態(tài)電壓。如果電力系統(tǒng)的電壓偏離額定值，則無功補償顯著降低。在此期間，風電場的無功功率需求超過電網(wǎng)，系統(tǒng)電壓差的進一步拉大導致電壓下降或者風機被迫停運。此外，若出現(xiàn)風電場整體輸出功率過大會降低電網(wǎng)的電壓安全性和穩(wěn)定性，并容易導致故障停電或者系統(tǒng)癱瘓。以幾種風速大小為例，分析風速對風電場升壓站10千伏母線電壓影響量化表1所示：

表1 典型風速大小對風電場升壓站10千伏母線電壓影響量化表

微風風速突然變化，平均風速上升速率為5米／秒 0.21-3.64%小風風速逐漸變化，平均風速上升速率為8米／秒 0.52-10.7%大風風速逐漸變化，最大峰值速率為5米／秒 1.21-19.89%

3.3 對電壓波動的影響

電壓波動的概念：電壓波動為一系列電壓的周期性變化波動。電壓波動值ΔU為兩個極值Umax和Umin之差與額定電壓UN比值的百分比。國標GB/12326-1990規(guī)定我國電力系統(tǒng)公共并網(wǎng)點允許的電壓波動：10kV及以下為2.5%；35-110kV為2%；220kV及以上為1.6%[6]。電壓波動值ΔU表述公式為：

在可變風速的影響下，風電機組的功率輸出具有可變性，基于這一特性讓電力系統(tǒng)上局部節(jié)點（例如并聯(lián)節(jié)點）上引起電壓峰值波動，較為明顯的就是在風速變化明顯的微風和陣風情況下。并入電網(wǎng)的風電機組如果輸出功率產(chǎn)生波動必然對電網(wǎng)的電壓產(chǎn)生影響，風電機組輸出功率要主要因素歸結(jié)為：風速的驟變、塔影效應(yīng)、風切變、偏航誤差等。

3.4 對電網(wǎng)經(jīng)濟運行的影響

由于風電功率的隨機波動和風電功率的變化，為了確保電網(wǎng)用電用戶有保障，則電網(wǎng)必須增加并入電網(wǎng)風電場整體裝機容量保證有一定的備用，也就是并入電網(wǎng)風電機容量越多，則備用容量也就越大。2006年1月1日實施的《可再生能源法》規(guī)定，電網(wǎng)公司必須全額購買可再生能源。高于常規(guī)電力生產(chǎn)平均上網(wǎng)價格的成本差額計入銷售價格。據(jù)統(tǒng)計，風電場電價水平在（0.45-1.1元/kWh）之間，目前國內(nèi)風電并網(wǎng)電價大致分為：成本利潤價；每次特許的投標價格；全省單一電價。與火電相比，風電上網(wǎng)的價格更高。風力發(fā)電生產(chǎn)的隨機性和不確定性會增加電網(wǎng)輔助服務(wù)的成本，如負荷跟蹤、頻率控制、備用容量、無功功率和電壓等，從而影響電網(wǎng)公司的業(yè)績[6]。

3.5 對電力系統(tǒng)自動控制的影響

由于風電場的性能不確定且無法非常準確地預(yù)測，導致電網(wǎng)系統(tǒng)計劃出現(xiàn)不確定性。因此，根據(jù)調(diào)峰調(diào)頻公司要求并入電網(wǎng)的風電場的運行發(fā)電機組提出了精細化的要求，一方面要求并入電網(wǎng)的容量要有充裕的備用，另一方面要求具備快速響應(yīng)電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)頻能力。如果這兩方面均不符合要求，這將導致電力系統(tǒng)的頻率產(chǎn)生一定程度的波動。此外，火電機組出現(xiàn)故障需要電力系統(tǒng)調(diào)整系統(tǒng)頻率或者輸出功率時，并入電網(wǎng)的風電場也要做出一定調(diào)整，這對風電機組設(shè)備會產(chǎn)生不同影響或者損耗。

3.6 對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響

風能接入電網(wǎng)系統(tǒng)引起的穩(wěn)定性問題主要是電壓的穩(wěn)定性，其原因包括以下四個方面：

（1）無功補償?shù)某Ｓ梅椒ㄊ请娙萜餮a償，補償量與接入點電壓的平方成正比。當系統(tǒng)電壓降低時，無功補償量也隨之大大減少，而風電站至電網(wǎng)的無功需求增加，進一步惡化電壓質(zhì)量。若嚴重時，將導致電壓崩潰和風機被迫停機。

（2）在故障和運行后功率角沒有不穩(wěn)定的情況下，一些風機渦輪機由于其自身的低壓保護而停機，風電場的有功輸出減少，因此系統(tǒng)失去一些無功負載，導致電力質(zhì)量增加，甚至超出風電場母線的電壓范圍。

（3）如果不及時消除異常，將發(fā)生暫態(tài)電壓不穩(wěn)定。

（4）風電的出力富裕會降低電網(wǎng)的安全裕度，容易導致系統(tǒng)電壓崩潰。

總之，風電場并入網(wǎng)對風電網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的主要威脅是體現(xiàn)在兩方面：一是風機風速的波動性和隨機性導致風電場的出力隨時發(fā)生變化并難以準確預(yù)測，導致風能接入系統(tǒng)時存在安全隱患；二是向弱電網(wǎng)絡(luò)注入過高的功率會降低系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

風能是一種重要的可再生清潔能源，在新能源電力系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。但波動性、間歇性與隨機性是風力發(fā)電的固有的不確定性，這些不確定性給電力系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性經(jīng)濟性等帶來了影響。目前在新能源電力系統(tǒng)中為了讓風電能能夠讓風能得到高效利用，必須全方位對風電的不確定性對電力系統(tǒng)的影響分析降低風險，才能進一步提高風電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，為國家的風電系統(tǒng)做出貢獻。