大规模风电并网问题分析及应对策略研究

孙力勇，谢赐戬，戈阳阳，赵清松

专论

大规模风电并网问题分析及应对策略研究

孙力勇1，谢赐戬2，戈阳阳2，赵清松2

（1.国网辽宁省电力有限公司，辽宁 沈阳 110006；2.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006）

针对风电并网的实际情况，分析了大规模风电并网带来的一系列问题，包括风电场并网点电能质量、功率波动、电网调峰、风电送出等。针对发现的问题提出相应的应对策略，在加强风电并网管理，科学合理规划电源结构，积极开展多种方式消纳风电等方面给出了具体意见，提高了大规模风电接入后的电网安全稳定运行水平。

风电并网；风电消纳；电网调峰；风电储能

随着能源与环境问题的日益突出，近些年世界各国都加大了风能的开发利用规模，中国风电近几年的装机处于爆发式增长［1］。由于风电功率的波动性、难以准确预期性，当风电联网规模达到一定程度时，给电网造成的不利影响反过来制约了其接入电网的规模［2－3］。目前我国风电发展已经形成了大规模接入电网的态势，为了充分利用已建成风电场的资源，如何改善风电的联网运行性能将是保证风电可持续发展的关键，也是目前需要重点研究的课题［4－5］。

1 东北电网风电运行突出问题

截止2014年底，辽宁电网风电装机容量增至608.4万kW，与2007年的34.7万kW相比，6年时间增长17.5倍。虽然目前国内风电发展速度有所放缓，但风资源比较丰富的区域电网风电仍会以每年100万kW左右的速度增加。风电的快速发展给电网带来了电能质量、功率波动、调峰、电网送出等一系列问题，为电网的安全稳定运行带来极大的挑战。

1.1 电源结构不合理，阻碍风电发展

辽宁电网一次能源结构可以基本概括为：多煤、多风、少水、少气。截止到2014年末，辽宁电网火电装机占总装机容量的73.57%，水电6.98%，风电14.51%。由于辽宁电网特殊的电源结构，导致系统调峰容量不足，严重阻碍了辽宁电网风电的发展。

辽宁电网是以燃煤火电机组为主的电网，其水电机组较少，且没有燃气、燃油等发电机组，电网快速调峰能力相对较弱。同时，辽宁电网火电机组因煤质差及设备缺陷影响出力情况始终存在，给电网低谷调峰造成巨大压力。此外，辽宁电网供热机组较多，在冬季供热期，供热机组需以热定电，出力可调范围有限，因此，冬季是辽宁电网调峰最困难的时期，加之冬季风电出力呈现的反调峰特性，更加大了电网调峰难度。

1.2 风电机组技术水平参差不齐，风电运行存在安全隐患

当电网故障时，风电机组往往为保护机组自动切除，使电网故障处理变得更加困难，有可能导致事故扩大、甚至引发电网电压失稳，严重威胁电网的安全运行，风电机组的低电压穿越问题为目前风电运行的最大安全隐患［6］。辽宁省加强了对于风电机组低电压穿越能力的要求，大多数风电机组均具备了低电压穿越能力。由于国家标准中对于低电压穿越过程中风电机组的响应能力要求不是非常具体，导致目前并网风电机组低电压穿越过程中呈现出的能力相差较大。图1为辽宁不同风力发电机组在低电压穿越过程中的响应能力。

可见风力发电机组在低电压穿越过程中的无功电压输出、功率恢复情况、机端电压波动情况均存在较大差别，这给电网故障期间风电场乃至电网的安全运行带来了较大不确定性和安全隐患。

1.3 风电运行影响电网电压稳定性

风电功率固有的随机波动和间歇属性，决定了大规模风电并网会影响电力系统稳定性。大多数风电场由于位于电网末梢，电网建设相对薄弱，更容易引起电网电压稳定性问题。通过对风电场开展的并网运行特性测试发现风电场从电网吸收无功功率、有功功率波动超出国家标准要求、出口电压波动较大的现象较多，这些现象均会给风电场并网点的电压稳定性带来很大的安全隐患。图2为风电场并网运行特性测试时从电网吸收无功功率及功率变化率。

1.4 风电运行给电网调峰带来严峻考验

风力发电功率输出的随机波动很大且不可控，预测精度较差，大规模风电接入电网使得制定发电计划困难，需要增加系统备用容量，使得系统运行的经济成本提高；这对发电运行计划方式以及系统备用容量也都提出了新的要求，特别是以火电调峰为主的辽宁电网面临的调峰问题异常严峻。

随着风电快速发展，辽宁电网风电消纳问题逐步显现。根据近3年风电运行数据分析，每年春季、秋季（3～5月、10～11月）为大风月，冬季（12月～来年2月）次之，夏季（6～9月）最小。风电接纳能力不足月份主要集中在11月～来年4月，弃风电量合计9.89亿kWh，占总弃风电量的87.5%。每月风电发电限电比均超过10%。其中除4月外，其余均为供暖期，风电发电限电比均超过20%。供暖期与大风期集中，造成辽宁电网风电接纳能力不足。

2 应对辽宁电网风电并网影响措施研究

2.1 加强风电并网管理，提高风电并网技术水平

针对目前风电制造技术发展水平参差不齐的现状，需要积极推进风电并网检测工作。通过并网检测能够督促生产制造厂商提高自身技术水平，从而达到保证风电场并网安全的目的。目前辽宁电网已经制订了完善的风电并网检测体系，并以风电检测为核心建立了一个风电并网前技术监督、风电并网安全管理、风电并网测试及评估三位一体的风电并网管理体系，保证了辽宁电网风电并网技术水平。

2.2 规划科学合理电源结构，促进风电的集约开发和经济利用

辽宁电网目前正面临着电源结构不合理、风电发展迅速及冬季供热机组容量大和运行时间长等问题，使得电网的调峰调频压力很大。在这种情况下，加快开展东北电网电源结构的调整和优化，确保电网的安全、经济、稳定发展，已成为电力监管机构、电网经营企业、发电企业和科研机构等各个方面都极为关切并亟需采取措施解决的迫切问题。

国网辽宁电力科学研究院对电源结构影响风电接纳能力开展了专项研究，研究表明，在2020年辽宁电网增加不同的抽水蓄能发电容量后弃风量将从2.07%降至0.03%，能够有效改善风电弃风情况。表1为辽宁电网增加不同抽水蓄能发电容量后弃风情况。

表1 2020年辽宁电网增加不同抽水蓄能发电容量后弃风情况

2.3 深度挖掘火电调峰能力，提高风电消纳能力

针对电网弃风运行方式，通过对国内外调峰电源技术研究分析，并根据东北电网的特点，在其它调峰电源难以大规模应用的条件下，全面开展各类火电机组低负荷运行特性试验研究以及经济性研究，提出在现有调峰基础上火电机组深度调峰技术和对策，以及各类机组深度调峰负荷的核定建议，在此基础上采用少油助燃技术，深度挖掘其调峰能力，采用非常规调峰，开发火电机组深度调峰技术，最大限度提高电网对清洁能源的接受能力。

根据东北电网特点，充分利用电网火电机组容量大的特点，提出深度挖掘火电机组调峰能力，采取非常规调峰，有效解决电网大量弃风现象。主要在以下几项内容开展了深入研究工作：

图1 风力发电机组在低电压穿越过程中的响应能力

a.锅炉最低稳燃负荷试验研究；

b.煤质特性对机组调峰能力影响研究；

c.锅炉低负荷下各种运行特性研究；

d.以热定电系统技术研究；

e.热工自动化适应能力；

f.各类机组深度调峰能力试验研究；

g.机组深度调峰经济性研究。

图2 风电场从电网吸收无功功率及功率变化率

该项研究成果涉及东北电网和蒙东电网内所有的各类机组，范围大、技术因素复杂。东北电网目前调峰难度极大，经常处于弃风方式运行，浪费大量风能，提高火电机组调峰能力，充分利用风能资源十分必要，技术上是可行的。采用火电机组深度调峰技术，通过电网实现能源的优化配置，最大限度利用可再生能源，节省一次能源，实现节能减排。经测算实现深度调峰后，经济效益、环境效益和社会效益巨大。火电机组深度调峰技术能够大幅度提高电网调峰能力，有效解决电网弃风问题。该项技术对于解决电网接纳清洁能源，节能减排，具有很大的应用价值。

2.4 开展储能系统并网性能分析，推进风储协调发展

2011年，国网辽宁省电力有限公司申报了国家863课题“储能系统提高间歇式电源接入能力关键技术研究与开发”，旨在构建利用大容量储能提高间歇式电源接入能力的方法体系，重点开展储能系统的配置、管理、控制等方面技术的研发，以提高间歇式电源的接入，突破我国间歇式电源规模化发展中网源协调的技术瓶颈。

目前储能电站已经完成了性能验收试验并正式投入运行。下一步将会对大容量储能装置开展包括储能装置改善并网点电能质量能力、储能装置对于平滑功率输出作用、储能装置运行在无功输出情况下的可行性、储能装置对于提高风电场低电压穿越能力的作用、储能装置作为黑启动电源可行性、储能装置孤岛运行能力等一系列专题研究工作，科学合理利用储能装置。

不断开展多种新能源协调发展，开发利用风电储热新技术，在具备条件的地区推广应用风电清洁供暖技术，替代已有的燃煤锅炉供热，就地或远程消纳富裕风电。

3 结束语

辽宁电网风电比重不断增大，引发了一系列风电并网及消纳问题。需要通过加强管理，严格执行风电并网技术要求；科学合理规划电源结构，深度挖掘火电调峰能力，提高风电消纳能力；开展多种新能源协调发展，开发风电储热等新技术，多渠道消纳风电，以促进风电健康有序发展，降低大规模风电接入后对电网产生的负面影响。

［1］ 赵 鹏，李 铁，孙明一.辽宁风电特性及大规模风电机组并网对辽宁电网的影响［J］.东北电力技术，2011，32（6）：13－16.

［2］ 许睿超，罗卫华.大规模风电并网对电网的影响及抑制措施研究［J］.东北电力技术，2011，32（2）：1－4.

［3］ Boulaxis N G，Papathanassiou S A，Papadopoulos M P.Wind turbine effect on the voltage profile of distribution networks［J］. Renewable Energy，2002，25（3）：401－415.

［4］ W.Z.Gandhare，G.R.Bhagwatikar.Power pollution due to connected wind electric converter.Proceedings of the 2000 IEEE，international conference on control applications，Anchor⁃age，Alaska，USA，Sep.25～27，2000.

［5］ Akhmatov V.Analysis of dynamic behavior of electric power sys⁃tems with large amount wind power［D］.Technical University of Denmark，2003.

［6］ 陈树勇，戴慧珠，白晓民.风电场的发电可靠性模型及其应用［J］.中国电机工程学报，2000，20（3）：26－29.

Problems Analysis and Strategies Research on Wind Power Integration into Grid

SUN Li⁃yong1，XIE Ci⁃jian2，GE Yang⁃yang2，ZHAO Qing⁃song2
（1.State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China；2.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China）

For the actual situation in power grid，this paper analyses the problems of the wind power interconnection including power quality，power fluctuation，power peaking，power delivery and so on.According to the problems，coping strategies are proposed for wind power connection management，planning the power structure scientifically，carring out multi⁃channel consumer of wind power ac⁃tively，it can improve the security and stability level of power grid.

Wind power integration；Wind power usage；Peak regulation；Wind power storage

TM614

A

1004－7913（2015）10－0001－04

孙力勇（1973—），男，博士，高级工程师，从事清洁能源并网接入及消纳相关工作。

2015－07－08）