风电分散接入在农村电网的应用前景研究

文／吉林省电力公司智能电网办公室 冯利民／

一、风电大规模集中并网面临消纳难题

我国风能资源集中地区电网薄弱、当地负荷小，风电并网主要采取大规模集中开发、远距离输送为主的模式。这与欧美国家主要以小规模分散式开发、近距离输送为主的开发模式效果不同，尽管我国风电发电量的比重仅为1%左右，远低于欧洲国家，但风电限电常态化的趋势逐步显现，“三北”地区风电发电利用小时数大幅度下降，风电企业投资建设风电场经济性也因此大幅度下降，风电发展面临市场消纳困局[1]。

已建风电场的风电消纳问题，可以通过增加本地消纳能力、扩大消纳市场范围的方式解决。对于规划中的风电场，其发展速度和建设地点的选择必须和消纳市场、电网接入条件、负荷发展规划对应起来。

近年来对分布式电源接入技术的研究表明，通过微网可实现大量分布式电源的接入,可以保证对配电网的安全运行产生尽可能小的影响，又能够实现分布式电源的“即插即用”，同时可以最大限度地利用可再生能源和清洁能源[2]。但是，单纯的分布式接入方式由于只是改变了部分风电机组的并网地点，并未分流这些机组的出力，因而并不能增加风电消纳能力。针对电网调峰困难而出现“弃风”的现实困难，分布式接入方式也无能为力。

二、风电分散接入农村电网能释放农村用电需求

改进农村电力供应是转变农业发展方式的客观要求。目前，城市化使得农业的耕地资源减少，工业化使得农业劳动力大量转移，工业化和城市化又使得农业和农村资金流向城市和工业，造成农业发展资源短缺，迫使农业生产实现由粗放经营向集约化经营转变，由单一分散向产业化转变，其直接结果是农业生产率的提高和农业就业人员的减少。这就要求农业生产技术、农业生产装备得到改善，在较大的区域空间、较深的层次上实现农业生产要素的集约化组合。而清洁、方便的电力供应则是农业生产技术、农业生产装备得到改善的前提条件。

但是，目前农村电网供电能力远远跟不上需求的发展。从以下几个方面来看，有必要在农村地区开展基于风电分散接入的供电模式变革，一方面保证农村能源供给，服务农业发展方式转变；另一方面也能显著增加风电消纳能力。

（1）农村配电网末端电压低。以吉林省为例，截止2010年末，农村配电网共有66千伏变电站474座，主变压器820台。部分农村乡镇负荷低，相互距离远，输变电损耗大，不满足新建变电站的技术条件，因此目前尚有183个乡镇没有66千伏变电站，占全省乡镇总数的24%，这些乡镇只能借助相邻的变电站供电。由于乡与乡之间的距离过长，往往超过10千伏线路的供电半径，导致线路末端电压过低。此外，吉林省农村配电网普遍存在变电站无功补偿容量不足的问题：全省66千伏变电站无功补偿容量总计只有169兆乏，占主变容量的3.7%，达不到规定10%-30%的要求；10千伏线路无功补偿量304.69兆乏，占配电容量的9.3%，0.4千伏低压用户无功补偿量235.55兆乏，占用户配电变压器容量的5.1%，均达不到规定10%-15%的要求，无法确保农村配电网末端电压满足要求。因此，吉林省农村配电网“低电压”问题突出，随着农村经济发展，农村电网供电“卡脖子”现象越来越严重。

（2）农村配电网供电能力不足。由于供电半径过长，末端供电能力受到极大影响，导致春灌季节部分农村乡镇出现拉闸限电现象。同时，农村配电网供电能力不足导致农村较多使用柴油机进行农田灌溉，这种灌溉方式比起电动机灌溉不仅成本高，并且产生大量二氧化碳、氮氧化物以及危害人体健康的碳烟颗粒。一方面电力大量富余，另一方面农村电力负荷不能得到满足，要缓解这种尴尬的矛盾，必须提高农村配电网供电能力，提高电能在农业生产中的比重。

（3）大规模并网风电消纳困难。吉林省电力有限公司公布的数据显示，2011年吉林省风电的平均发电利用小时数为1591小时，比全国平均数低312小时。以白城地区为例，截至目前，白城风电并网发电规模达210万千瓦，占整个吉林省305万千瓦风电并网装机容量的近70%；在投产累计28座风电场中，白城占了17 座。2011年，白城全年风电产业完成工业总产值25亿元。根据白城能源产业办公室提供的数据，2011年，白城地区风电发电量为26.92亿千瓦时，弃风电量为7.4亿千瓦时，平均发电利用小时数1650小时，比风电设计发电小时数少450小时[3]。风电场亏损严重。

为缓解农村配电网供电能力不足的问题，过去多依靠电网延伸的方法:从大电网延伸到县城再延伸到乡村。由于传输线路长，负荷小，线损大，末端电压低且波动幅度大，电能质量得不到保证，同时投资大，效益低，电力企业不堪重负。目前，风力发电的成本不断降低而产品和系统的可靠性不断提高。风能村落独立供电技术已经在国外某些边远地区得到应用，一方面能保证无电地区的电能供应，增加农田灌溉和大棚保温中电能的使用率，提高农村电气化水平；另一方面能极大改善边远地区的电能质量，有效缓解农村电网“低电压”问题。

三、风电分散接入农村电网的技术难题

风电分散接入技术是电力系统前沿研究领域之一，其经济、环保、灵活等优势已得到各国广泛重视，该技术在欧美一些国家已经得到广泛应用。国外风电发展主要是分散开发，就近接入低压配电网，就地消纳。以德国为例，其风电场主要是陆上风电，均匀分布在全德境内，就地分散接入110千伏以下配电网的风机占总量比例超过70%，发出的电力直接供用户使用。风电的分布式接入技术在国外得到了充分发展，有大量的成熟技术可以借鉴。我国风电装机总量已处世界首位，但风电发展以大规模集中并网为主，风电分散接入技术目前还处于起步阶段，相关技术的研究和开发显得有些滞后。作为集中并网的补充，离网型风光互补供电电源仅小范围得到应用，如偏远地区的户用供电系统和村用供电系统、渔船上的供电系统、通讯站雷达站的独立供电系统、景观路灯照明等。

总体上来看，风电分散接入在改善农村电压低、电能质量差和提高农村电力供应能力的同时，还会对农村配电网产生以下负面影响。

风电分散接入对现有的配网继电保护存在影响。其影响表现为：影响原有过电流保护的检测电流和故障电流，导致其无法正常工作；分布式电源接入导致距离保护的保护范围缩小并增加误动作的可能性；在配电网中引入逆向电流并影响电网电压的分布特性；在配电网发生故障时，出现分布式电源继续为部分负荷供电的孤岛运行现象，导致自动重合闸失败。

风电分散接入配电网会对馈线的电压分布产生重大影响。影响程度与分布式风电的容量、接入位置有很大关系。等容量的分布式电源，散布在馈线比集中在同一位置对电压的支撑作用要大。同时，分布式电源的接入还可能对原有控制设备产生影响(可能造成有载调压变压器和并联电容器的动作次数越界)，其关键在于分布式电源启停的时间以及接入的容量。

风电分散接入农村配电网会产生电压波动和闪变。风电输出功率波动大，间歇性、随机性程度高，容易造成电网电压波动引起闪变；为提高发电效率，很多机组采用最大功率追踪控制，当外界条件发生变化时，其输出功率必然随之变动，从而引起电压波动；风电机组的启停，也会影响并网点电压；分布式风电接入10千伏配电网，由于接入点其短路容量相对较小，功率波动时会产生较大的电压变化。

风电分散接入系统大多通过电力电子变流器，这会向系统注入谐波，影响电能质量。影响大小与风电机组的数量及接入位置有关。接入位置越接近线路末端，馈线沿线各负荷节点的电压畸变越严重。

风电分散接入对电网运行还会产生一些负面影响。风电分散接入，使系统短路电流增大，可能超出线路设计热稳定容量及断路器设计遮断容量；风力发电的间歇性给农村配网发供平衡带来困难；配网调度管理、潮流控制更加复杂；配电设施停电检修安排困难；电力系统出现故障时，风电断开，造成事故恶化。

四、风电分散接入在农村电网的应用前景展望

风电分散接入农村配电网，可以发展以下负荷，逐步取代传统能源。

（1）“弃风电量”采暖。在农村居民聚居区内建设蓄能电供暖装置，“弃风”时段将富余电力用来加热供暖，热量出售给供热企业，既可以避免清洁风能的浪费，保证风电企业多发电量，又可以提高农村居民供热质量，同时还可以缓解电网调峰压力。据估算，如果在吉林省有条件的地方都分散接入风电机组，每年可节约“弃风”电量12亿千瓦时。

（2）农业灌溉。按照吉林省增产百亿斤粮食的规划，白城市将增加200万亩的水田，水田总面积将达到400万亩。目前农民多用柴油机抽水灌溉，如全改用农灌电机井灌溉，则能新增用电3.6亿千瓦时。

（3）提高日常生活中的用电比重。鼓励农村地区在城镇采暖、家庭厨房、生活热水、城市交通和城市亮化等方面用电。据测算，仅此一项，白城地区一年就地消纳风电量可达4.55亿千瓦时。

总之，广泛开展风电分散接入农村电网，可以提高地区电压合格率、充分利用“清洁能源”、节约农村电网建设资金、降低线损电量、为农村农田（含大棚）灌溉提供电力。另外，还可以起到明显的节能减排效果。

[1]汪宁渤，酒泉风电消纳困局怎破解[J]，能源评论，2012,45（9）：39-41.

[2]王成山，李鹏，分布式发电、微网与智能配电网的发展与挑战[J]，电力系统自动化，2010,34（2）：10-14.

[3]牛秋梧，艾江涛，白城：在焦虑中等待[J]，能源评论，2012,45（9）：50-57.