基于风电的不确定性对电力系统的影响分析

纪代颖

（中闽(福清)风电有限公司,福建福清，350300）

0 引言

风电从较高的输出水平降低到较低水平或停运将对电网的运行产生重大影响。风电的间歇性特征决定了风力发电的随机波动特点。风电并入电网后，不具备传统热能发电稳定、可调度的特点。对于电网而言，风电的波动出力更像是对负荷的负面扰动。因此，电网中的常规电源不仅需要为负载波动预留足够的裕度，但也要考虑为风电场预留一定的储备，以平衡大量风电注入电网后风力发电量的变化。当风电场生产波动较大时，需要将其他发电厂送至电网，以改变出力水平，以平衡风电出力的变化。特别是在负荷较低的情况下，常规电厂机组已经调整到较低的出力，如果目前风力发电厂的出力显著增加，如果常规电力能够进一步减少出力并让风力发电承担负荷来决定了电网接受风能的能力。低负荷常规机组的调峰能力是限制省级电网接受风能能力的关键条件。大规模开发风力发电有助于解决能源枯竭和环境污染问题。受风能资源随机变化的影响，风力发电具有不确定性。对于电力系统而言，风力发电始终是一种不可控的能源，随着并网风电的纳入风力发电所带来的不确定性对于电力系统的安全性和充裕性构成了影响。随着气候和环境因素与系统安全性和充裕性之间的相关性日益增强，分析风电特性和研究相应的检测和预防及应对风电的不确定性，已成为亟待解决的重要问题[1]。

1 风电概述

风力发电是新能源的一种不需要使用燃料，也不会产生辐射或空气污染，基于风力发电清洁无污染、资源丰富、永不枯竭且技术最为成熟，所以也正在成为全球的一个热潮[2]。近年来由于煤炭、石油等传统资源的不断减少，寻找新能源成为了人们关注的焦点，风能资源以经济环保、不浪费非再生能源（如煤炭、石油）的特点，迅速成为了全球新能源的代表。加之我国风能资源丰富、可开发性前景好和国家大力扶持，风电发展前途大好，成为我国现用第三大能源。风电主要缺点是受地域、气候、天气等因素的影响，相比传统的火力发电，发电量小、发电不稳定，对电网冲击较大，所以不确定性较大[3]。风能发电是一种特殊的能源类型，它以自然风为动力。风力资源的随机性和间歇性决定了风力发电机组的输出特性。作为一种异步发电机需要从系统中吸收无功功率，产出有功功率，对无功功率的需求随着有功功率的变化而变化。当风电机组容量较小时，这些输出特性对电网系统的影响并不明显，但随着风机容量在系统中所占比额的增加，风电机组对电网系统的影响将越来越明显。本文中主要从对频率偏差的影响、、对电网电压偏差的影响、对电压波动的影响、对电网经济运行的影响、对电力系统自动控制的影响、对电网稳定性的影响、等几个方面论述并网风电场对电力系统的影响分析。

2 风电不确定性原因分析

由于风电场的装机容量非常有限，每个小型风电机组的装机容量通常为2-5MW左右。通常一个风电场由数百个单独的小型机组构成，这也是它与传统火力发电厂的不同之处。风力发电不确定性因素包含内部和外部，内部不确定性因素为波动性、间歇性及随机性等；外部不确定性因素为风电功率输出和风机故障等。基于风力发电厂的内部和外部不确定性因素将导致风力发电厂并网后增加了电力系统的随机性，具体如下：

（1）风能不可控。风能以自然风为动力，受平均风速、脉冲风速、风向等气象条件影响较大。自然风的风能不可控、不利大量储存。因此，不能根据电网负荷的需求调整风电机组的出力来满足电网负荷的需求，它只能在有限的范围内进行调整。

（2）功率输出不稳定。由于风速的波动性、间歇性和不可预测性，功率输出不稳定和随机。一般认为风能只能提供电力，而不能提供有效的发电能力。功率输出与风机转速关系曲线图如1所示。

（3）从电网的角度来看，接入的风电场相当于影响电网可靠运行的随机干扰源。

（4）自身结构带来的不确定性，风机轴系变形或者扭曲、松弛以及谐振等都会影响风机的输出功率。

（5）风电系统除内部不确定性因素外，还会有一些外部不确定性因素如：风电场构建结构的布局排列和固有地形地貌、电网负荷的需求和调峰、设备本身故障、继电保护误动作以及人为误动作等。

综上分析所述表明：风电的内部不确定性主要体现在风速的波动性、间接性以及高度随机性，而外部不确定性体现在风电功率输出和风机故障等。不管是内部的不确定性还是外部不确定性都会直接或者间接的对电力系统产生不同程度的影响和增加随机性。

3 风电不确定性对电力系统影响分析

3.1 对频率偏差的影响

频率偏差的概念：供电系统总负荷或其部分负荷正常改变，导致供电频率偏离额定频率的缓慢变动，通常称为频率偏差。国标GB/T15945-1995规定我国供电频率允许偏差系统正常频率偏差允许值为±0.2Hz；当系统容量较小时，偏差值可以放宽到±0.5Hz；冲击性负荷引起的系统频率变动不得超过±0.1Hz[4]。频率偏差Δfd表述公式为：

式中：f为实际频率；f为额定频率（50Hz）。

风电机组会因为各种不确定性原因进行突然停机操作。这种相对频繁的投入和切出操作，使风电场所接入系统的潮流经常处于一种重新分配的过程，除影响电压外，也在一定程度上影响系统的频率。最严重的情况是整个风电场突然切出，造成瞬间电源和负荷的失衡，引起系统频率瞬时降低。频率降低的程度，与风电场装机容量占总电源容量的比例及其占总负荷容量的比例，以及风电场切出时的风速有关。

3.2 对电网电压偏差的影响

电力偏差概念为供电系统总负荷或者其部分负荷正常改变，导致供电电压偏离额定电压的缓慢变动。国标GB12325-1990规定我国供电电压允许偏差：35Kv及以上供电电压，正负偏差的绝对值之和不超过额定电压的10%；10Kv及以下三相供电电压，正负偏差的绝对值之和不超过额定电压的7%[5]。

电力偏差ΔUd表述公式为：

式中：U为实际电压；UN为额定电压。

风力发电的输出因风速降低等因素而变化。同时，目前国内大部分风电场都是建在电网末端，导致电力网络结构相对薄弱。风机的变化和风的扰动会导致电网的电压差产生冲击，尤其是在风速稳定性差和故障模式下特别明显，风能将影响电网的动态电压。如果电力系统的电压偏离额定值，则无功补偿显著降低。在此期间，风电场的无功功率需求超过电网，系统电压差的进一步拉大导致电压下降或者风机被迫停运。此外，若出现风电场整体输出功率过大会降低电网的电压安全性和稳定性，并容易导致故障停电或者系统瘫痪。以几种风速大小为例，分析风速对风电场升压站10千伏母线电压影响量化表1所示：

表1 典型风速大小对风电场升压站10千伏母线电压影响量化表

微风风速突然变化，平均风速上升速率为5米／秒 0.21-3.64%小风风速逐渐变化，平均风速上升速率为8米／秒 0.52-10.7%大风风速逐渐变化，最大峰值速率为5米／秒 1.21-19.89%

3.3 对电压波动的影响

电压波动的概念：电压波动为一系列电压的周期性变化波动。电压波动值ΔU为两个极值Umax和Umin之差与额定电压UN比值的百分比。国标GB/12326-1990规定我国电力系统公共并网点允许的电压波动：10kV及以下为2.5%；35-110kV为2%；220kV及以上为1.6%[6]。电压波动值ΔU表述公式为：

在可变风速的影响下，风电机组的功率输出具有可变性，基于这一特性让电力系统上局部节点（例如并联节点）上引起电压峰值波动，较为明显的就是在风速变化明显的微风和阵风情况下。并入电网的风电机组如果输出功率产生波动必然对电网的电压产生影响，风电机组输出功率要主要因素归结为：风速的骤变、塔影效应、风切变、偏航误差等。

3.4 对电网经济运行的影响

由于风电功率的随机波动和风电功率的变化，为了确保电网用电用户有保障，则电网必须增加并入电网风电场整体装机容量保证有一定的备用，也就是并入电网风电机容量越多，则备用容量也就越大。2006年1月1日实施的《可再生能源法》规定，电网公司必须全额购买可再生能源。高于常规电力生产平均上网价格的成本差额计入销售价格。据统计，风电场电价水平在（0.45-1.1元/kWh）之间，目前国内风电并网电价大致分为：成本利润价；每次特许的投标价格；全省单一电价。与火电相比，风电上网的价格更高。风力发电生产的随机性和不确定性会增加电网辅助服务的成本，如负荷跟踪、频率控制、备用容量、无功功率和电压等，从而影响电网公司的业绩[6]。

3.5 对电力系统自动控制的影响

由于风电场的性能不确定且无法非常准确地预测，导致电网系统计划出现不确定性。因此，根据调峰调频公司要求并入电网的风电场的运行发电机组提出了精细化的要求，一方面要求并入电网的容量要有充裕的备用，另一方面要求具备快速响应电网的调峰调频能力。如果这两方面均不符合要求，这将导致电力系统的频率产生一定程度的波动。此外，火电机组出现故障需要电力系统调整系统频率或者输出功率时，并入电网的风电场也要做出一定调整，这对风电机组设备会产生不同影响或者损耗。

3.6 对电网稳定性的影响

风能接入电网系统引起的稳定性问题主要是电压的稳定性，其原因包括以下四个方面：

（1）无功补偿的常用方法是电容器补偿，补偿量与接入点电压的平方成正比。当系统电压降低时，无功补偿量也随之大大减少，而风电站至电网的无功需求增加，进一步恶化电压质量。若严重时，将导致电压崩溃和风机被迫停机。

（2）在故障和运行后功率角没有不稳定的情况下，一些风机涡轮机由于其自身的低压保护而停机，风电场的有功输出减少，因此系统失去一些无功负载，导致电力质量增加，甚至超出风电场母线的电压范围。

（3）如果不及时消除异常，将发生暂态电压不稳定。

（4）风电的出力富裕会降低电网的安全裕度，容易导致系统电压崩溃。

总之，风电场并入网对风电网络稳定性的主要威胁是体现在两方面：一是风机风速的波动性和随机性导致风电场的出力随时发生变化并难以准确预测，导致风能接入系统时存在安全隐患；二是向弱电网络注入过高的功率会降低系统电压的稳定性。

4 结束语

风能是一种重要的可再生清洁能源，在新能源电力系统中发挥着重要作用。但波动性、间歇性与随机性是风力发电的固有的不确定性，这些不确定性给电力系统的安全性、稳定性经济性等带来了影响。目前在新能源电力系统中为了让风电能能够让风能得到高效利用，必须全方位对风电的不确定性对电力系统的影响分析降低风险，才能进一步提高风电系统的稳定性，为国家的风电系统做出贡献。