风电波动对电网的影响及衡量指标

风电波动对电网的影响及衡量指标

作者：田茹 张东英

来源：《中国科技博览》2012年第26期

[摘要] 大规模风电并网在给人们提供清洁能源的同时，也给电网带来了一系列的不良影响。随机波动性是其根本原因。本文先总结了风电并网对电网造成的影响，重点说明了有功平衡问题及相应的“弃风”，然后探讨了可能的解决之道，最后从电网的角度出发，分析了不同时间尺度下，风电波动性的衡量指标。以期能够为减轻风电波动对电网的影响提供参考。 [关键词] 风电波动 衡量指标 解决措施

中图分类号：R181.2+1 文献标识码：R 文章编号：1009-914X（2012）26- 0355 -01 1. 风电接入对电网的影响

截止2010年底，我国风电装机容量达到3107完千瓦，主要集中分布在“三北”地区。对于由风电本身的随机波动特性给电网带来的不良影响，归纳起来，有以下几个方面：

1）. 对电能质量的影响：电压波动、电压闪变、跌落、周期性电压脉动、电压不平衡、谐波畸变、频率调整。特别是引起风电场及其附近局部区域的电压波动超过安全范围，严重时会导致区域电网电压崩溃。

2）. 对继电保护的影响：风电与配电网中原有继电保护的配合可能存在问题、致使重合闸不成功、保护区缩小、继电保护误动作等。

3）. 对电网稳定性的影响：风电接入会改变配电网原有的潮流分布和功率流向，这可能会导致联络线功率超出安全范围等问题。而风电功率的不稳定性也会给电网带来功率冲击，严重时会导致系统动态失稳直至瓦解。

4）. 对系统调度的影响 ：传统的发电计划依据电源的可靠性与负荷的可预测性，来确定机组组合和备用容量。随着风电规模的不断扩大，国网公司已规定所有风电都要参与调度计划，这就要求充分考虑到风电的反调峰特性和波动性，留出足够的备用容量。至少提前2小时的风功率预测，特别是对波动性由较为准确的把握，有助于调度来确定机组组合和备用容量。 2. 有功平衡与“弃风”

由上面的归纳可以看出，风电对电网的影响最主要的是有功平衡问题，风电功率波动会给调峰、调频、确定备用容量、机组组合、调度计划等带来很多问题。事实上，由风电功率波动引起的这种有功不平衡已经越来越严重地影响到了系统对风电的接纳能力，造成“弃风”。因

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此，对于接入风电的区域电网来说，弃风是有功平衡问题的一个突出表现。事实上，随着风电规模的扩大，风电强国和我国“三北”、蒙西都出现了不同程度的弃风现象。

1）.国外弃风现状。以美国的得克萨斯州为例，2009平均每天弃风100～200MW，最大达3900MW，全年弃风电量达到潜在发电量的17.1%。而对于互联电网坚强、灵活电源所占比例较大的德国、丹麦等也相继出现了弃风现象。德国在局部地区，特别是夜间风电大发阶段，弃风情况时有发生。即使作为世界风电领头羊的丹麦，也出现了“弃风“现象。

2）.国内弃风现状。“三北”地区是我国风电发展具有规模的地区。然而，“三北”基地的部分地区存在风电消纳困难、弃风严重，迫切需要扩大风电消纳范围的问题。而其它风电资源丰富的地区也同样存在着严重的弃风问题。例如，在我国电力缺口高达3000万千瓦以上的2011年夏天，最大的“电源”内蒙却出现了严重的“窝电”、“弃风”现象，蒙西电网有一段时间，甚至有超过42%的风电机组弃风。 3. 有功平衡问题的解决措施

对于风电接入电网的有功平衡问题，有两种途径可以有效地减少由于风电波动引起的功率差额。

1）. 改善电源结构，增加灵活电源所占的比例。德国、西班牙、丹麦等风电强国风电接纳能力较高的主要原因就是具有相当规模的燃气、燃油和抽水蓄能电站，为风电消纳提供了充裕灵活的电源支撑。而我国的电源结构以煤电为主，燃气、抽水蓄能等灵活电源比重小，这种电源结构在短时间内很难得到实质性的改变。结合我国的实际情况，对于“三北”、蒙西、蒙东、哈密等风电和火电资源都很丰富的地区，可以采用风火协调开发的策略。同步规划建设风电基地和煤电基地，借助于风电输送通道，联合输送风电和煤电。利用这种风火联合网的形式，克服了风电单独外送风险大，弃风容量多的缺点。然而，这需要同步建设煤电基地和相应的输送通道，不但有违于利用清洁能源减少环境污染的初衷，还存在建设花费大、建设周期场的问题。

2）. 把握风电功率波动的规律，结合电网对于风电波动的要求，采取相应的措施，减轻风电波动对电网造成的不利影响。具体地说，一方面，从风电场及研究人员的角度来说，需要把握风电波动的规律，比如区域风电场集群功率波动的频率分布、最值、变化趋势等；另一方面，从电网的角度来说，需要给出一些衡量风电波动的指标，来评价风电功率波动对电网造成的影响。比如，由区域电网给出了所能提供的用于平滑风电波动的备用限值，再根据风电波动特性统计或是建模来判断平滑风电波动可能需要的备用，如果这个备用大于区域电网所能提供的最大备用，就需要采取“弃风”、平抑波动或是其它措施。这样，就如同把握了负荷的变化规律后，能够采取有效的措施来跟踪负荷的变化一样。相比于改善电源结果来说，把握波动性的规律和衡量指标，具有成本较小，周期较短的优点。 4. 风电波动的衡量指标

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从电网的角度出发，给出了一些不同时间尺度下风电波动的衡量指标如下： 1）. 规划尺度：可以用风电接纳能力或渗透率、风电价值系数来衡量波动性。

a.风电接纳能力是技术上的指标：指在保证系统安全运行的前提下，能接纳的最大风电容量占系统额定容量或是负荷容量的比例。由于规划尺度下的波动性会影响系统的短路容量、潮流分布、有功、无功平衡，进而影响风电场的选址、电网规划。风电接纳能力是综合考虑这些因素下，系统所能承受的风电波动极限的反映。

b.风电价值系数是经济上的指标：指波动的风电真正能代替的稳定能源（比如火电）的容量与风电装机容量的比例。比如，配套建设火电厂，以“风火打捆”的方式来送电，或是长时间的“弃风”造成风能资源的损失，风电的价值系数都会下降。

2）. 运行尺度：可以用备用容量和系统当天所能平衡的风电容量来衡量波动性。 a.备用容量：风电波动引起的根本问题是功率平衡问题，留出备用容量就是为了维持系统的功率平衡。确定调度方案、日前交易计划等都要以备用容量作为依据。

b.系统当天所能平衡的风电容量：调度在统筹全网运行情况的基础上，首先要确定当天系统所能平衡的风电容量，之后才能根据风功率的限制来分配其他各厂的发电计划。分配不优化会导致实际总出力和实际总限值差距较大，浪费风能资源，不利于经济调度。

3）. 控制尺度：爬坡率是控制尺度下风电波动性的一个重要的衡量指标。爬坡率可以用一段时间到另一段时间均值变化来计算，即，其中表示一定时间尺度下的爬坡率，、分别表示当前时间段、上一段时间段的功率均值。爬坡率能够反映功率突然的大幅变化，这种突然的功率大幅上升或下降，可能引发机组电气、动力多方面的故障，也可能使系统在短时间内出现大的功率缺额。爬坡率可以为数分钟尺度下的功率调整市场和实时调度提供参考。 5. 结语