风电接入对黑龙江电网的影响及应对措施

张慧琦,王海涛,曹宇鹏,张轶平

(1.黑龙江省电力有限公司电力交易中心,黑龙江哈尔滨 150090;2.黑龙江省电力有限公司电力调度通信中心,黑龙江哈尔滨 150090;3.哈尔滨电业局,黑龙江哈尔滨 150010)

风电接入对黑龙江电网的影响及应对措施

张慧琦1,王海涛2,曹宇鹏3,张轶平2

(1.黑龙江省电力有限公司电力交易中心,黑龙江哈尔滨 150090;2.黑龙江省电力有限公司电力调度通信中心,黑龙江哈尔滨 150090;3.哈尔滨电业局,黑龙江哈尔滨 150010)

结合黑龙江电网风力发电现状,阐述了风电对电网调峰、调压、调频和稳定的影响,并从运行和管理角度提出了具体应对措施。

黑龙江电网;风电;影响;措施

1 黑龙江风电现状

随着风电在电网中所占比重不断增加,在风能资源较丰富的地区,风电在电网中所占比例已经达到较高水平,某些地区电网中风电的装机容量已接近当地负荷水平。黑龙江电网地处东北电网北部,电厂众多,是东北地区重要的能源基地,电源结构以火电为主。截止 2009年 9月底全省发电装机容量 18 454MW,其中火电 16 527MW,占 89.56%;水电 948MW,占 5.14%;风电 978 MW,占 5.30%。

2 风电对电网运行的影响

风电是一种间歇性、波动性电源,其不确定性和总体上的反调峰特性,给电力系统安全稳定运行带来了新的挑战,主要表现在:电网调峰、调频和电源安排日益困难;系统电压难以控制;电网安全稳定问题突出;控制措施难以制定等方面。

2.1 对电网调峰的影响

风速波动会导致风电场输出功率波动,引起系统有功功率和无功功率的变化。如果把风电功率看作负的负荷,其与负荷的波动叠加在一起可以构成等值负荷波动曲线。当出现风电功率大于负荷需求的情况,多余的风电功率需要通过地区间联络线外送。如果负荷波动趋势和风电功率波动趋势一致,则等值负荷曲线变得平滑,风电就有自然调峰作用,对电力系统运行有利;反之,负荷波动趋势和风电功率波动趋势相反,则等值负荷曲线波动幅度更大,相当于等效负荷峰谷差加大,使电网调峰问题更加突出,对系统运行不利。

黑龙江电网 2009年最大峰谷差约 3 500 MW,调峰形势极为严峻,特别是冬季供暖期间,大批调峰能力较弱的供热机组必须持续运行,同时,冬季又是风电低谷大出力、反调峰高概率、大幅度最为集中的月份,在低谷时段,风电出力普遍与负荷变化规律相反,使电网面临严重情况,需要合理安排系统备用容量,保证电网的安全稳定运行。

2.2 对电网电压的影响

对风电来讲,电压稳定非常重要,但由于风电绝大多数接入薄弱的末端电网,受系统负荷变化影响,电压调整原本就十分困难,加之风电出力的无计划大幅度变化,其无功功率需求量又与风电机组的类型及风电功率的大小有关,导致系统电压也大幅度变化。其中,感应型异步风机在发出有功的同时需要从系统吸收大量无功,如这类风机并网点的电网不够坚强,且风电场自身无功补偿容量不足或补偿速度不满足要求,就可能造成系统电压严重下降,甚至电压崩溃;双馈式风机和直驱式风机特性有所改善,但也需要风电场配置适当容量和调节速度的无功补偿装置。

风电场可用分组投切的电容器或电抗器来调节无功功率,抑制电压变动,提高电压稳定性。在风电比较集中的地区,可以在风电场设置快速无功调节装置,如 SVC或 STATCOM,控制网络阻抗角和功率因数角的差值,达到减少闪变,提高电能质量的目的。

2.3 对电网频率的影响

由于自然界风速的不断变化,风力发电机的出力也随时变化,具有较大的随机性,不稳定的功率输出会给电网运行带来许多问题。大量风电功率的波动增加了系统调频的难度,而系统频率的变化又会影响风电机组的运行状态。风电出力的不稳定性,使得运行火电机组被迫大幅度参与系统调频工作,而火电机组调节速度较慢,难以完全适应风电的大幅度快速变化。随着风电的快速增长,风电突变幅度将继续增大,会对电网频率质量造成较大影响。

各国风电接入系统导则都要求风电机组能够在一定频率范围内正常运行;频率超过一定范围后限制出力运行或延迟一定时间后退出运行,以维护系统的频率稳定。当系统频率过高时,可以通过控制系统使部分风电机组停机或通过桨距角控制减少风电场的输出功率。可在正常情况下限制风电场出力,在系统频率降低时调高风电场的出力,让风电功率参与系统的二次调频。

2.4 对电网稳定的影响

随着我国风电技术的发展,风电能源在电网中所占的比重越来越大,由此带来的电网安全稳定问题也日益突出。由于大量风电不能就地消化,要和地区火电一同经送出通道进行外送,送出通道需采用安全稳定控制措施。由于风电的大量存在和出力的不确定性,大大增加了安全稳定控制措施的复杂程度,降低了事故情况下系统单运成功的概率。

严格来讲定速风电机组和双馈变速风电机组本身不存在暂态稳定性问题,但是对于有大量风电的系统,因为大量小惯量的风电机组代替了常规机组,系统的暂态稳定性也发生了一些变化。文献[1]、[2]对风电机组的模型进行了研究,表明定速风电机组对系统功率振荡有一定阻尼作用,而变速风电机组因为变流器的作用,风电机组转速与电网频率解耦,阻尼作用被减弱了。此外,系统出现故障时,风电机组可能因为电压越限或转速越限导致保护动作而跳闸,系统可能遭受失去大量风电功率的第二次冲击。

3 风电运行管理的措施

为了有效应对风电的快速发展,必须从多方面采取有效措施。如加强风电预测;对风电机组进行合理控制调节;配套建设相应的调峰、调频电源;制定风电入网规范等,以利于风电产业长期健康稳定发展。

3.1 风电预测

从能源角度,风电作为清洁能源,一般都处于自然满发状态;而从电网调度角度,风电在高峰时顶不上去、低谷时减不下来,是某种意义上的垃圾电源。风电的随机性和不可控性也给发电计划的制定和实施带来一定困难。传统的发电计划基于电源的可靠性以及负荷的可预测性,但如果系统内含有风电场,风电场出力有极大的随机性,发电计划的制定变得困难起来。如果把风电场看作负的负荷,很难准确测定;如果把风电场看作电源,可靠性没有保证。

受限于国内风电发展的总体技术水平,目前黑龙江电网投运的所有风电场,均未建立风电电力预测系统。但如果风电场参与调度计划,则必须预测未来 24 h的发电曲线,以便电网调度部门合理安排发电计划,优化常规机组运行方式,提高电网接纳风电的能力。国家有关部门应尽早制定并出台风电企业电力预测考核办法,督促各风电企业尽快建立实用的风电功率预测系统,实现对全网风电功率的预测。电网公司也可建设有关风电预测系统,用于对全网风电出力预测校核等职能,而风电出力的预测应该是风电场应尽的职责。

3.2 提高风电机组调控手段

风电要参与系统功率平衡,需要做的工作,一是风电场输出功率预测,二是风电场输出功率控制。电网调度部门迫切需要一种能在紧急时刻调整风电出力,确保系统频率、断面潮流维持在安全范围之内的手段。对风电场输出功率进行控制,有利于减小系统备用容量,增强系统的可靠性和安全性。已投入运行的风电场应尽快改造和完善风场监控系统,实现能够接收执行远方调度控制命令、自动控制上网电力等功能。

目前,黑龙江电网已通过广域同步测量系统(Wide Area Measurement System,WAMS)实现了对风电场的监视和控制。在夜间低谷时段,WAMS系统根据火电机组出力调整状况、省间联络线外送偏差、风电机组运行负载率等因素,自动对部分风电机群下达停机指令,低谷时段过后,会自动将机群投入运行。此外,在风电场送出系统中还加装了稳定控制装置,当风电场外送系统相关线路或主变过载时,稳控装置可切除部分风电机群。

3.3 建设抽水蓄能电站

抽水蓄能电站是一种特殊形式的水电站,既能削峰又可填谷,能很好地适应电力系统负荷的变化。其快速转变的灵活性可弥补风力发电的随机性和不均匀性,不仅可以打破电网规模对风电容量的限制,为大力发展风电创造条件;也可为电网提供更多的调峰填谷容量和调频、调相、紧急事故备用电源,在保障系统安全与提高供电质量的同时,有效降低系统旋转备用容量和吸收低谷负荷而达到降低系统能耗的作用。对于风电资源丰富的地区,无论是外送还是就地消化,抽水蓄能发电和风力发电互补运行,应该是一个发展趋势。目前,黑龙江电网正在兴建远期装机容量为 1 200 MW的抽水蓄能电站,这将为今后风电的发展奠定良好的基础。

3.4 制定风电入网规范和规定

风电场应执行风电入网技术规范和风电调度运行管理规定,以保证风电场与电网的协调发展及电网对风电场的控制能力,规范风电场日常运行。风机生产厂家、风力发电公司、电网公司等都应严格执行,对不符合入网技术条件的风机坚决不允许接入系统,以形成良好的入网管理机制。

3.5 风电与电网应协调、有序发展

在一定技术水平下,各地区电网接纳风电的能力除受整体调峰能力影响外,主要受各地区电网结构决定的安全稳定水平制约。风电发展规划要结合电网或局部地区风电接纳能力进行滚动调整,确保风电与电网协调、有序发展。

3.6 发挥跨区联网优势,缓解调峰压力

2009年底,黑龙江风电总装机容量达到电网运行容量的 10%左右,调峰问题十分突出,应根据实际情况调整跨区送电峰谷差值,充分发挥跨区联网优势;同时鼓励火电厂挖掘调峰、调频潜力,负荷侧移峰填谷等,以缓解区域电网调峰压力。

4 结束语

风力发电是一种清洁可再生能源,具有不污染环境、没有燃料运输、废料处理等优势,且建设周期短,运行管理方便,有广阔的发展前景。但同时也应看到,由于风能存在随机性和不均匀性,风电场的大量投运,对电网安全运行存在诸多不利影响,这也制约了风电的进一步发展。文中提到的一些应对风电运行和管理措施,需要在实践中逐步规范和完善;电网在全年不同时期能够容纳的最大风电运行容量,也取决于新方案、新技术的采用。随着电能存储技术、风机控制、制造技术、风电预测水平的提高以及电网结构的改善,风力发电必将成为未来能源供应的重要组成部分。

[1] 李东东,陈陈.风力发电机组动态模型研究[J].中国电机工程学报,2005,25(3):115-119.

[2] 李晶,宋家骅,王伟胜.大型变速恒频风力发电机组建模与仿真[J].中国电机工程学报,2004,24(6):100-105.

Influences and counterm easures of the integration of wind power grid on the Heilongjiang Grid

ZHAGN Huiqi1,WANG Haitao2,CAO Yupeng3,ZHANG Yiping2
(1.Power Exchange Center of Heilongjiang Electric Power Company,Harbin 150090,China;2.Power Managementand Communication Center of Heilongjiang Electric Power Company,Harbin 150090,China;3.Harbin Power Bureau,Harbin 150010,China)

Combing the currentsituation ofwind power generation in the Heilongjiang grid,this paper expounds the influences of wind power's load regulation,voltage regulation,frequency modulation and stability on the grid and puts forward specific countermeasures from operational and managerial perspective.

Heilongjiang grid;wind power;influence;measure

TM614

B

1002-1663(2010)01-0042-03

2009-11-12

张慧琦(1978-),女,2000年毕业于东北电力学院电力系统及其自动化专业,工程师。

(责任编辑 路 松)