大规模风电集中并网对电力系统安全稳定的影响

汪宁渤，马彦宏，王建东

(甘肃省电力公司风电技术中心，兰州市，730050)

0 引言

甘肃酒泉是国家批准开工建设的第1个10 GW级风电基地。截止2011年6月，已经完成吊装的风电机组容量为5500 MW，其中已经并网投产的风电装机容量为4060 MW。2011年底已经完成吊装的风电机组将全部并网投产，甘肃酒泉将成为集中并网规模最大的风电基地之一。随着大规模风电集中并网发电，风电所特有的波动性、随机性对于电力系统的影响也逐步显现，尤其是酒泉风电基地的电力电量几乎全部需要送到1000 km以外的兰州负荷中心，弱电网、远距离、大规模送出、波动性的风电带来了一系列技术问题，大规模风电集中并网对电力系统安全稳定产生了巨大的影响。风电大规模集中并网不仅在正常运行时存在送出及消纳等技术问题，而且大幅度增加了电力系统安全稳定的风险。在2011年2月24日酒泉风电基地连续发生了大批机组脱网事故，造成河西电力系统电压、频率大幅度波动，对电力系统安全稳定运行造成了严重威胁。

1 酒泉风电基地基本情况

1.1 风电场接入系统

酒泉风电基地的一期工程主要集中在玉门、瓜州2个区域内，在酒泉风电基地已经完成吊装的5500 MW风电机组中有4100 MW风电场通过330 kV电压等级接入系统汇集;另外1400 MW风电机组先通过110 kV电压等级接入系统，然后汇集到公网330 kV变电站。酒泉风电基地大部分风电通过2010年建成投产的750 kV武胜—河西—酒泉—敦煌输变电工程送出到1000 km以外的兰州负荷中心。

1.2 风电场运行情况

甘肃风电最大出力发生在2011年4月22日，为2667 MW，占当时全网用电负荷的27%，占当日全网最低用电负荷的32%。甘肃风电最大日发电量出现于2011年4月10日，为5519万kW·h，占当日全网发电量的18.4%，占当日全省用电量的25%［1］。

在风电大出力不能保证全部送出的情况下，甘肃实际运行风电出力在40%以下装机容量出现的概率为86%，其中0～10%装机容量区间出现频率为32%，10% ～20%、20% ～30%和30% ～40%装机容量出现的概率分别为23%、16%和15%。40%以上装机容量区出现的概率为14%，其中40% ～50%、50%～60%和60%以上装机容量区间出现的概率分别为 10%、3%和 1%［2］。

从发电量统计情况看，在存在限电的情况下甘肃风电反调峰特性仍然非常明显。酒泉风电基地风电发电量在0:00～6:00所占比例为44%，6:00～12:00、12:00～18:00和18:00～24:00所占比例分别为20%、21%、15%［2］。由于限电主要发生在0:00～6:00风电大出力期间，如果不限电，酒泉风电的反调峰问题将更加突出。

2 风电场机组脱网事故

随着风电集中并网容量的不断增加，酒泉风电基地风电场进入事故高发期。截至目前，酒泉风电场累计发生各类事故50余次，其中发生风电机组脱网超过100台、影响范围较大事故7次，尤其是2011年2月24日、4月17日、4月25日3次事故分别甩风电出力840、1006和1535 MW。

其中2011年2月24日脱网事故具有代表性。当天0:34左右酒泉风电基地桥西风电场35 kV馈线电缆C相套管发生接地击穿，11 s后发生三相短路，导致电压跌落到额定电压的67%，60 ms保护正确动作切除了事故回路。当时，酒泉风电基地风电总发电出力1750 MW，发生电压跌落后不仅发生事故的风电场风电机组全部脱网，而且导致附近风电机组脱网，酒泉风电基地共有298台、415 MW 风电机组脱网。由于此时运行的风电场大部分动态无功补偿设备不完善，伴随着大量风电机组脱网以后无法自动调整无功补偿容量，电力系统容性无功容量过剩，导致系统电压快速升高达到额定电压的110%以上，从而风电机组电压超过额定工作电压，结果导致还在运行的300台、425 MW风电机组脱网。整个事故过程中共导致 598台、840 MW 风电机组脱网［3］。敦煌750 kV变电所母线电压短时间在67% ～110%额定电压范围内大幅度波动，并造成西北主网频率最低至49.854 Hz，直接影响到该地区用户的用电质量。2月24日脱网事故中桥西风电场330 kV升压站电压变化曲线［3］如图1所示。

酒泉风电基地事故频发的主要原因是已投运风电机组不具备低电压穿越功能。如果酒泉风电基地5500 MW机组全部投产以后，风电机组仍然不具备低电压穿越能力，风电机组仍然采取切机逃逸方式，则当电网故障或受到风电场冲击出现电压跌落时，不仅将大幅度增加电网运行控制的难度，甚至可能导致电力系统电压崩溃的恶性事故。

图1 桥西风电场330 kV升压站电压变化曲线Fig.1 Voltage variation curve of 330 kV substation in Jiuquan Qiaoxi wind farm

3 大规模风电对电力系统的影响

3.1 调峰

截至2010年年底甘肃省最大用电负荷仅有10450 MW，甘肃电网统调装机容量为22000 MW［2］，具备调峰能力的发电机组容量约为8000 MW，其中火电机组6000 MW、水电机组2000 MW;水电机组丰水期调峰能力弱、枯水期调峰能力较强，火电机组供热期间调峰能力弱、非供热期间调峰能力较强，受到水电、火电机组运行方式以及检修等因素的影响，系统内最大可能的调峰容量约为6000 MW;考虑事故备用、负荷备用等因素需要占用一部分调峰能力，另外电网结构可能限制部分机组的调峰能力，甘肃省所有机组的不同时期的总调峰能力约为4000 MW;考虑到其中约1500 MW的机组调峰能力需要用于用电负荷调峰，能够承担风电调峰的发电能力仅约为2500 MW，难以满足2011年酒泉风电基地5500 MW风电所需调峰能力的要求。另外，酒泉风电具有明显的反调峰特性，同时考虑风电功率预测预报系统精度存在不确定性，调峰能力不足对电力系统安全稳定运行造成的影响更大。

3.2 电力电量消纳

2011年下半年酒泉风电基地集中并网的风电装机容量将达到5500 MW，预计到2011年甘肃省最大负荷为11000 MW、公司售电量为7500 GW·h。甘肃省用电最大负荷仅为11000 MW，要消纳5500 MW风电，从电力平衡的角度考虑根本没有可能;省公司售电量7500 GW·h中要消纳1210 GW·h的风电上网电量，从电量平衡看似乎可能，但考虑到面临着水电、火电建设项目大批投产，如果1210 GW·h的风电发电量全部在甘肃省内消纳，火电机组的利用小时数将下降到4000 h以下［4］。因此，从电力平衡、电量平衡方面考虑，2011年5500 MW 风电需要更大的用电消纳市场。

2011年年底甘肃省总装机容量约为26000 MW，其中风电为5800 MW，占总装机的22.3%，远远超过了国际上公认的电网接入风电能力不超过系统总装机容量的10%～15%的标准。如果考虑酒泉风电基地风电是从电网末端集中接入的特点，目前酒泉投产的风电在酒泉及河西地区已经无法消纳，几乎全部需要送到兰州负荷中心消纳，甘肃电网集中接入酒泉风电的安全稳定风险进一步增加。

3.3 电网送出能力

根据酒泉“陆上三峡”风电基地的建设需要，新建的河西750 kV电网的西电东送的能力仅为1800 MW左右［5］，根本无法满足已经完成吊装的5500 MW风电的送出需要。为此省公司与国内有关研究院所合作研制了750 kV可控高抗等，同时通过750 kV电网与新疆联网以提高系统稳定水平和输送能力［5］，另外采取河西电网安全稳定控制措施及河西750 kV与330 kV电网电磁环网运行，将河西750 kV电网西电东送的能力提高到3300 MW左右。考虑到风电机组发电的同时率和就地消纳部分负荷，勉强能够满足94%以上概率条件下的5500 MW风电送出，仍然有6%左右的时间风电大方式条件需要限发弃风。采取这些技术措施提高了电网送出风电的能力，同时也将电力系统安全裕度几乎用完，明显增加电力系统安全稳定的风险。

3.4 电力系统电压控制

3.4.1 风电机组低电压穿越能力

尽管酒泉风电基地风电机组提出了低电压穿越能力要求，风机制造企业也作出具备低电压穿越能力的承诺，但2010年启动验收试验和2011年的风电脱网事故证明酒泉风电场绝大多数风电机组不具备低电压穿越能力，另外酒泉风电场均没有做过低电压穿越特性的测试。由于风电场不具备低电压穿越能力，2010年启动验收试验和2011年的风电脱网事故过程中，电网电压短时间跌落时运行的风电机组几乎全部退出运行，导致河西电网有功功率、无功功率大幅度波动，严重威胁了电网的安全稳定运行。

3.4.2 电压控制

酒泉位于甘肃电网最西端，属于典型的弱电网结构，本身电压控制的难度就比较大，张掖电厂、酒钢电厂对河西电网电压支撑作用较为明显。随着酒泉风电基地装机容量不断增加，为了满足风电送出的需要不得不降低张掖电厂、酒钢电厂的发电出力，相应地对系统的电压控制能力降低;风电的波动性、随机性，伴随着有功出力的大幅度变化电网电压也将大幅度变化，使得河西电网电压控制难度明显增加;2011年2月24日以来酒泉风电脱网事故过程中河西电网电压大幅度波动是风电对于电力系统电压影响的典型案例，不仅严重影响了系统电压控制，而且直接威胁到电力系统安全。

3.5 系统有功控制

3.5.1 风电机组的有功功率控制

目前酒泉风电基地仅能实现风电机组状态和有功功率的监测，不能实现风电场及机组的有功功率控制。尽管已经提出了风电机组有功功率控制的技术要求，但能否满足有功控制能力的要求存在较大的不确定性。

3.5.2 对电力系统有功功率的影响

为了满足国家电网公司风电场接入电网技术规定的风电场最大有功功率变化率要求，要求风电场必须具备有功功率控制功能。甘肃省电力公司已经研究开发了有功控制系统，以750 kV送出线路潮流作为联络线控制目标，按照“总断面—区域断面—风场断面”的控制策略，向相关风电场下达有功控制指令，实现并网风电场有功控制。但由于风电机组不具备有功控制能力，目前不得不采取切除风电机组或汇集线路的技术措施，使得风电有功控制手段不可靠，这也是影响电力系统安全稳定运行的重要因素。

3.6 系统无功协调控制

3.6.1 风电机组的无功控制

酒泉风电基地主要采用双馈型和永磁直驱型风电机组，目前绝大多数风电场的风电机组功率因数设定为1，并且风电机组不具备在线调整功率因数的能力，因此无法充分利用风电机组的无功容量。尽管提出酒泉风电基地的机组必须采用恒压控制方式，从而释放机组的无功容量的要求，但预计酒泉风电机组难以满足无功控制的要求。

3.6.2 电力系统的无功需求及存在的问题

风速变化必然引起风电场有功大幅度变化，风电场的无功需求及输电线路的无功损耗也将大幅度变化。由于风电机组不具备无功出力自动调整能力，电力系统的无功、电压必然大幅度变化。由于风电有功出力预测预报精度不高，电压波动幅度及时刻也难以准确预测，因此，固定无功补偿装置已不能满足风电场的运行要求，必须采用静止无功补偿器(static var compensator，SVC)或静止无功发生器(static var generator，SVG)调节风电场的无功［6-7］。酒泉风电基地尽管安装了SVC、SVG设备，但近期酒泉风电基地脱网事故反映出的问题说明，SVC、SVG设备的可靠性和主要性能直接影响电力系统安全稳定，另外分散在风电场的SVC、SVG设备没有实现集中控制，增加了电力系统调度处理事故的难度。

3.7 电网频率

2010年酒泉地区风电场典型日出力爬坡率最大约为总装机容量的10%，发电同时率平均为0.8左右［1］。2011年5500 MW 风电机组全部投产后，受到分散性及互补性的影响，风电出力爬坡率和同时率均将下降，风电场出力最大变化不会超过300 MW/min［8］。在正常状态下以水电为主、火电为辅的调节方式应该能够满足风电一次调频要求。但河西750 kV电网是典型的远距离、大容量、弱联系同步输电系统，当在河西750 kV主通道双回发生故障时，西部电网与新疆电网频率将上升，为了保持电网频率稳定必须切除一定容量的风电机组。受到风电场控制能力不足的制约，在极端事故状态下可能存在电力系统频率稳定控制的风险。

4 应对措施与建议

(1)酒泉大规模风电集中接入系统在调频调峰、送出能力、电压、有功功率、无功功率和频率等方面的控制难度大幅度加大，电力系统安全稳定运行的风险明显增加。

(2)酒泉风电机组的低电压穿越、有功控制、无功控制等性能对于电力系统安全稳定运行影响巨大，必须加强风电机组选型及功能配置的管理，使得大规模集中并网的风电机组主要性能技术指标向常规电源靠近。

(3)加快风电场集群控制系统研究与开发，提高酒泉风电基地风电场运行控制的能力和水平;完善风电机组、无功补偿装置等关键设备的运行控制手段，提高风电场正常控制、紧急安全稳定控制能力，全面提高风电场的运行控制水平。

(4)建立与大规模风电基地集中接入电网相适应的技术规范、管理规定;加强风电基地风电场建设、并网、启动验收和运行全过程管理，加快风电安全监督保证体系建设，确保大规模风电对电力系统安全稳定的影响风险可控、在控和能控。

(5)加强风电场出力预测技术研究，加快酒泉风电基地预测预报系统建设［9-10］;明确电网、风电场在风电预测预报方面责任，建立并不断完善风电预测预报系统，逐步提高风电预测预报的精度。

5 结语

伴随着我国规划的7个10 GW级风电基地连续开工建设，大规模风电集中开发、远距离送出的发展模式面临一系列技术问题，近期酒泉风电基地连续脱网事故说明需要高度关注大规模风电集中并网对于电力系统安全稳定的影响。

大规模风电集中并网首先需要加强电源、电网和用电市场统筹规划，缓解大规模风电调频调峰、送出能力和消纳矛盾，保证电力系统安全稳定运行的基础条件;其次需要适当提高大规模风电基地建设技术标准，使得风电场具备有功控制、无功电压控制和低电压穿越能力，缓解大规模风电集中并网对于电力系统安全稳定的影响，促进大规模风电基地持续、稳定、健康发展。

［1］甘肃省电力公司.甘肃电网风电运行情况报告［R］.兰州:甘肃省电力公司调度通信中心，2010.

［2］甘肃省电力公司.2010年甘肃电网新能源运行分析报告［R］.兰州:甘肃省电力公司调度通信中心，2010.

［3］甘肃省电力公司.“2.24”桥西升压站事故调查分析报告［R］.兰州:甘肃省电力公司调度通信中心，2011.

［4］汪宁渤，马彦宏，夏懿.甘肃酒泉10 GW风电基地面临的巨大挑战［J］.电力建设，2010，31(1):101-104.

［5］甘肃省电力公司，中国电力科学研究院.甘肃电网接纳风电能力研究报告［R］.兰州:甘肃省电力公司，2009.

［6］申洪.安西—酒泉—金昌—永登750 kV输电系统动态无功补偿研究［R］.北京:中国电力科学研究院，2009.

［7］申洪.哈密—安西750 kV输电系统无功补偿研究［R］.北京:中国电力科学研究院，2009.

［8］肖创英，汪宁渤，丁坤，等.甘肃酒泉风电功率调节方式研究［J］.中国电机工程学报，2010，30(10):1-6.

［9］Nielsen T S，Joensen A F，Madsen H，et al.A new reference for wind power forecasting［J］.Wind Energy，1999(1):29-34.

［10］马彦宏，汪宁渤，刘福潮，等.甘肃酒泉风电基地风电预测预报系统［J］.电力系统自动化，2009，33(16):88-90.