新疆电网风电出力波动对系统运行的影响分析

2012-03-05袁建党晁勤袁铁江李建林李义岩

电源技术 2012年5期

袁建党，晁勤，袁铁江，李建林,2，李义岩

（1.新疆大学电气工程学院，新疆维吾尔族自治区乌鲁木齐830047；2.中国电力科学研究院，北京100085）

近年来，风电凭借着清洁高效的特点，在世界范围内得到快速的发展。新疆风能资源丰富，拥有9大风区，可开发利用风区总面积达15万km2，可装机容量达8千万千瓦以上，前景极其广阔。但是，截止2009年底，新疆风电总装机84万kW，占系统最大负荷的9.4%，最小负荷的19.22%，风力发电量14.05亿千瓦时[1]。所以说，大规模开发风电在新疆才刚刚起步，短期将风能作为调整能源结构的补充能源，长期将把风能发展为替代常规能源的主力能源之一[2]。但是，由于风本身的随机性及不可控性使得风电出力的随机波动性增大，影响系统的电能质量。同时，根据《中华人民共和国可再生能源法》，风电要全额上网，因此风电的波动必然会对系统的安全稳定运行带来挑战，国家电网公司为此也发布了《国家电网风电场接入电网技术规定》对风电并网设定门槛。因此，合理有效地评估风电对电力系统的影响显得势在必行。

电力系统运行中要保证发电与负荷的实时平衡。风电出力有波动，负荷同样有波动，当风电承担了一部分负荷后，常规能源机组承担的负荷波动规律必然发生相应的变化，从而引起系统运行方式的改变。目前，国内外研究主要集中于从理论与仿真的角度考察风电对系统的影响[3-4]，并提出了一些提高电网接纳风电能力的方法[5]。

本文依据实际现场运行数据，利用Matlab与Excel软件编制数据处理程序，从风电接入系统后引起的剩余负荷的峰谷差及波动大小的变化两方面分析了直调风电与达坂城风电场等几个典型风电场对系统运行的影响，所得结论对电力系统的调度及规划具有重要的参考价值。

1 风电出力对剩余负荷峰谷差的影响

1.1 概述

系统每天的负荷曲线都有一个最高的波峰与一个最小的波谷，如图1所示，其差值即为该天负荷的最大峰谷差，简称峰谷差。为了实现发电与负荷的实时平衡，发电机组要根据负荷的变化实时调整其出力。当峰谷差越大，发电系统的大幅度调节能力要求就越高，有时会使得一些发电机组长时间低效率运行，甚至喷油运行。

风电接入系统以后，如果使得常规能源机组承担的剩余负荷峰谷差减小，说明该风电的接入改善了系统运行环境，否则，将加剧系统运行环境的恶化。

1.2 新疆电网负荷峰谷差

图2与图3分别给出了新疆电网在2009年各天的峰谷差及峰谷差在各区间的分布情况。

从图2中可以看出新疆电网夏季负荷的峰谷差要比冬季负荷的峰谷差略大。最大值出现在7月中旬左右。图3显示了新疆电网在2009年各天的峰谷差主要分布在1 200～1 500 MW的区间。

1.3 风电接入系统后剩余负荷峰谷差

以直调风电为例，从系统负荷中减去直调风电数据，得到常规能源机组要承担的剩余负荷。图4与图5给出了剩余负荷的峰谷差及峰谷差的分布。

比较图5与图3发现，直调风电接入以后剩余负荷的峰谷差分布更为分散。接入前，峰谷差集中分布在1 200～1 600 MW之间，接入后的峰谷差大多分布在1 100～1 700MW之间，主要分布区域变宽，说明直调风电接入后使得一部分天的峰谷差增加，一部分天的峰谷差减小。比较图4与图2，峰谷差的季节性特点基本没有大的改变，仍然是夏季的较大，但是最大峰谷差出现在10月底左右。最大峰谷差由原来的1 873.9 MW增大到1 952.7MW。通过计算，系统加入直调风电以后，剩余负荷峰谷差年均1 373 MW，相比直调风电加入前的1 371MW增加了2MW，即总体上增大了峰谷差。

相同的方法，表1列出了系统在未接入风电、单独接入直调风电以及单独接入各典型风电场后剩余负荷峰谷差在2009年各个月份及全年的最大值和均值。空格处为风电场未投运或数据收集不全。

为了更明显地体现各风电场的接入对峰谷差的影响，使用各风电场接入前后峰谷差变化差值来表示。图6画出了直调风电与各典型风电场在2009年各月份单独接入系统引起的峰谷差变化差值曲线。

从图中可以看出，直调风电在4至10月份的出力增加了平均峰谷差，增加值的峰值出现在7月份，使平均峰谷差增加了45MW。从各个风电场的情况来看，小草湖风电场对系统的影响最大，其在6至10月份大幅增加了月平均峰谷差，更是在7月份使得月均峰谷差增加了23MW，只在3月份和11月份分别降低了月均峰谷差。

达风3场是本文中提到的装机容量最大的风电场，截止2009年底，装机容量达到159MW，由于采集数据不全，只能看到2009年前4个月数据，但其在降低峰谷差方面起着非常重大的作用。

天润风电场在投运的几个月内也增加了月均峰谷差，其他几个风电场大体上均小幅拉低月均峰谷差。增大峰谷差说明该风电场具有一定的反调峰作用，对系统运行的经济性、安全稳定性带来威胁。

表1 系统在未接入风电、单独接入直调风电及单独接入各典型风电场后剩余负荷峰谷差/MW

图6 直调风电与各典型风电场引起的月均峰谷差偏差比较

2 风电出力对剩余负荷短期波动的影响

2.1 概述

风电出力的随机波动性是风电的一大特点。风电把随机波动带入系统当中，同时负荷也有一定的小范围随机波动性，这里均指短时间内的随机波动。如果风电的随机波动可以弥合负荷的随机波动，使得剩余负荷的随机波动性降低，将有效改善常规能源机组的运行环境。假如风电接入后，使得常规能源机组承担的负荷随机波动性更大，即出现了两种随机波动的同向叠加，这就要求常规能源机组有更快更强的反应及调节能力，以跟踪所带负荷的随机变化，这将加大系统的调频压力。同时，这类机组的效率一般比较低，会使得系统运行的经济性变差。

2.2 风电接入系统后剩余负荷的随机波动变化

由于原始数据的时间间隔为5m in，因此本文也主要分析5min的波动变化。表2为系统在未接入风电、单独接入直调风电及单独接入1典型风电场后剩余负荷平均波动值。

同样为了方便比较，采用风电接入前后平均波动的变化值来表示。图7画出了直调风电与各典型风电场引起的剩余负荷平均波动的变化值比较曲线。

图7显示了直调风电接入系统以后剩余负荷在2009年12个月当中的平均波动均得到增加，尤其是在2月份，达到了0.74MW的波动增加峰值，而在1月份、4月份、5月份、10月份、12月份的波动增加值相对较小，特别是12月份的0.19 MW达到了12个月中的波动增加最小值。

表2 系统在未接入风电、单独接入直调风电及单独接入1典型风电场后剩余负荷平均波动值/MW

达风3场在第1至4月份使剩余负荷波动性增加较大，增加峰值出现在2月份。达风2场也在第1至4月份使剩余负荷波动性增加较大，之后则影响较小，在5月份和8月份使得剩余负荷的波动性下降。

小草湖风电场是这几个典型风电场中对剩余负荷波动增加影响较大的一个风电场，图中显示在6月份到10月份，其引起的波动增加值在各风电场中是最高的，在2至4月份也有一个较高的值，只在1月份降低了波动性。

达风1场在12个月当中主要也是起到增大波动性的作用，只在9月份使得剩余负荷的波动性略微下降。中节能风电场在7月份和12月份降低了剩余负荷的波动，在其他月份均产生增大剩余负荷波动性的作用。玛依塔斯风电场只在3月份降低了剩余负荷的波动。白杨河与天润风电场在投运后的10、11、12月份均抬高了剩余负荷的波动性。

增加剩余负荷的波动对系统运行有害，意味着加大了系统的调频压力，同时使得系统运行效率降低，而减小剩余负荷的波动将有效改善常规能源机组的运行环境，使得系统运行经济性提高。从上述分析可以明显得出各风电场在各运行时段对系统运行的友好程度差异。