大范围接入风电与电网运行的相互影响作用研究现状

黄云虹

（三峡大学电气与新能源学院，湖北宜昌443002）

0 引 言

随着我国经济的发展，电力行业突飞猛进，电力系统的容量和覆盖范围日趋增大，我国电力系统已步入以大机组、超高压和跨区域互连为特征的大电网时代。然而，一方面电力增长仍远远落后于电力需求的增长；另一方面这种电网结构的弊端也初现端倪。其弊端表现在：（1）对于偏远地区的负荷不能进行理想的供电；（2）不能灵活跟踪负荷的变化，发输电设施的利用率下降；（3）大型互联电力系统中局部事故容易扩散，导致大面积的停电事故。

风电大范围接入电网既是解决传统电网现有问题的途径，也是国家发改委和国家电网公司的能源政策要求。其中，可再生能源发展“十二五”规划提出到2015年我国风电总装机容量达到1亿千瓦，年发电量达到1 900亿千瓦时的目标［1］。据国家发改委发布的报告显示：2014年中国风电累计并网装机容量达到9 637万千瓦，占全国总装机量的7%［2］。2015年4月，国家电网公司发布《国家电网公司促进新能源发展白皮书》表明国家电网公司的新能源计划：每年建设2 700万千瓦新能源并网工程、光伏发电1 000万千瓦装机的并网；2015年开工建设7条新能源配套跨区输电通道等。由此可见，大范围风电接入电网不仅是解决当前传统电网问题的需要，也是对国家发改委和国家电网公司相关政策的积极响应。

1 国内研究发展现状

1.1 大规模风电并网对输电网的影响

我国风电开发规模已居于世界首位，但对于大规模风电并网问题的研究还基本处于起步阶段［3，6］。2010年开始的国家高技术研究计划（863计划），智能电网关键技术部署了针对大规模可再生能源并网的研究，主要包括电网规划、运行调度、柔性直流输电技术应用以及风电场集群控制等内容。随后于2011年，国家重点基础研究计划（973计划）部署了有关大规模风电并网基础科学问题的研究，主要内容包括风电爬坡预测、电源灵活性规划、基于不确定性的运行调度、系统稳定、故障穿越与保护以及大规模储能需求与控制等方面。由于风电出力本质的波动性和不确定性，国内研究机构也开展了对系统潮流重新分布、电网结构规划和调度策略、运行安全和紧急控制手段、稳态运行电压稳定性等方面的研究［7-9］。

1.2 大范围风电并网对配电网的影响

在可再生能源发电并入配电网的研究方面，国家重点基础研究计划（973计划）于2009年部署了有关分布式发电供能系统的研究，主要内容包括分布式电源与电网相互作用机理、配电网规划、配电网控制与保护以及配电网能量管理等方面。同样，国家高技术研究计划（863计划），智能电网关键技术研究于2010年部署了针对分布式可再生能源发电并网的研究，主要包括区域电网接入可再生能源、建筑光伏发电并网以及含分布式电源的微电网等内容。由于资源分布的因素，我国可再生能源开发以大规模高集中远距离方式为主［10-12］，相关研究工作无疑会受到现场运行经验较少的局限［13-15］。

1.3 分布式电源并网标准

国家电网公司出台的《分布式电源接入电网技术规定》适用于35 k V以下配电网系统，适应范围内的电源分两类：10 k V（6 k V）～35 k V电压等级并网和380 V电压等级并网，分别在接入系统原则、电能质量、功率控制和电压调节、电压电流与频率响应、安全、继电保护与安全自动装置、通讯与信息、电能计量和并网检测方面提出不同的技术要求。

1.4 电网公司运营机制

国内也有过关于分布式电源接入后市场的竞价机制等相关研究。但缺少从电网公司角度考虑的接入分布式发电的电网公司运营模式的深入研究以及相关管理办法制定的研究。

2 国外研究发展现状

2.1 大规模风电并网对输电网的影响

欧美等国对于大规模风电接入输电网对供电充裕性以及运行稳定性影响进行了大量的研究，包括相关国家和地区组织如国际能源组织（IEA）、欧共体研究开发框架计划、欧洲风能协会、美国风能协会、美国能源部、美国电力可靠性协会（NERC）等，相关研究机构如丹麦国家可持续能源实验室（Riso）、挪威皇家科学院（SINTEF）、美国国家可再生能源实验室（NREL）等，相关设备制造商如美国通用电气（GE）、丹麦Vestas、德国西门子（SIEMENS）等。大规模的研究项目诸如欧洲的EWIS、TRADEWIND、TWENTIES、DENA GRID、ALL ISLAND GRID、WILMAR等，美国的EWITS、WWISS、IVGTF等。这些研究对于深入认识风电出力在不同时空尺度的特征，系统性地掌握风电并网后对电网的影响，以及制定相应的应对策略都取得了大量的成果［16-18］。但由于欧美等国的风电以分布式开发并入强电网为主，对于高集中度开发、远距离输电情况下的并网问题则研究得较少。

2.2 大范围风电并网对配电网的影响

对于可再生能源发电并入配电网的情况，欧美等国的研究工作开展得更早，包括相关研究机构和制造商如德国太阳能研究所（ISET）、荷兰能源研究所（ECN）、美国国家可再生能源实验室（NREL）、美国通用电气（GE）等都持续开展了大量的研究工作。大规模的研究项目诸如欧共体研究开发框架计划的DISPOWER、美国能源部的 REGIS、加州能源局的CERTS等［19］。正是基于这些研究工作，目前对于可再生能源发电并入配电网的情况下所带来的特殊问题的认识及应对措施已趋于成熟［20-22］。但由于主动孤岛运行的实际应用尚少见，对这种运行情况的研究还不够全面。

2.3 分布式电源并网标准

美国电气与电子工程师协会IEEE 1547及其系列规范涉及所有有关分布式电源互连的主要问题，主要包括：分布式电源电能质量、系统可靠性、系统保护、通讯、安全标准和计量标准等。其系列标准主要内容是：与电力系统互连一致性测试程序、应用、系统互连信息监测交流和控制、分布式孤岛系统的设计、操作和集成、大于10 MVA分布式电源与输电电网互连技术准则等。

2.4 电网公司运营机制

国外如美国、欧洲、日本等国家针对分布式电源接入有相关的管理办法，由于各国国情如对能源的需求程度、电力市场环境等的不一样，对分布式电源接入的激励机制和激励程度不一。一些研究机构对接入分布式电源后完全自由化的电力市场的系统运营模式、接入分布式电源后电网公司的运营模式以及增加盈利的措施进行了探讨，由于我国的电力行业环境和其他国家的差别，其成果是否适用有待研究。

3 关键技术及难点

（1）风电接入输电网的关键技术主要包括风电出力预测、电网备用容量规划、电网运行调度等三个方面对供电充裕性的影响，以及电网故障特征辨识、风电动态响应特性与电网运行稳定性、电网安全防御等三个方面对运行稳定的影响。供电充裕性方面的研究难点在于风电出力爬坡及其不确定性的预测、应对爬坡的常规电源调节灵活度规划、以及应对不确定性的电网运行调度策略三个方面。运行稳定性方面的研究难点在于高注入率情况下电网扰动的快速辨识、复杂扰动情况下电网稳定性分析控制、电网安全防御控制三个方面。

（2）可再生能源发电并入配电网的一般关键技术主要包括配电网的电压水平控制、电能质量控制、继电保护算法，以及孤岛运行四个方面。研究难点主要包括可再生能源发电与无功补偿及电压调节装置的协调控制、可再生能源发电设备之间及其与各种非线性负载间的动态相互作用及控制、低成本继电保护配置、以及主动孤岛运行及恢复控制等方面。通过对大规模风电接入配电网后在系统电压、电能质量、继电保护和网损等方面的研究，协调优化含风电的配电网经济运行。研究的主要难点在于接入配电网的风电最大安装容量和安装位置的确定、为维持电压和频率稳定的风电有功和无功的控制以及电能质量检测治理技术。

（3）探讨包括交流110 k V以上的输电网的更广泛电压等级并网的分布式电源并网规范与标准，在不同并网点以及即插即用的电源运行方式下，对分布式电源的不同技术要求、技术规范和标准应充分保证分布式电源的灵活性和电网的可靠性。主要难点包括已有的标准是否适合深圳地区电力网络，输电网与配电网不同并网点和运行方式的技术规范等。

（4）结合实际情况，研究综合考虑相关法规、政策、经济性等多方因素约束下的电网公司对分布式电源的管理办法，以及在新环境下电网公司的业务拓展方式，达到兼顾多方利益，保障电网的可靠安全运行，促进电网公司积极主动参与分布电源的接入并盈利的目标。

4 结 论

大力发展可再生能源发电是我国低碳发展战略的重要组成部分。本文对大范围接入分布式风力发电对区域输电网以及配电网在稳定性、电能质量以及故障保护等方面的影响进行研究。从国内和国外两个方面对大范围风电并网对电网运行的影响进行了调研和总结。从大规模风电并网对输电网的影响、大范围风电并网对配电网的影响、分布式电源并网标准以及电网公司运营机制这四个具体方面进行了说明。最后，针对这四个方面，总结和讨论了大范围接入分布式风力发电的关键技术和难点，为工程应用提供一定的参考。

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