内蒙古电网大规模风电消纳问题分析研究

赵桂廷;李强;丛雨;公维炜

【摘 要】针对大规模风电接入给内蒙古电网带来的风电消纳问题,分析了风电并网对电网电压、暂态及频率稳定性,风电场短路电流、谐波对电网保护以及风电对系统备用容量和调度调峰的影响.结合内蒙古风电发展的实际情况,提出提高风电消纳能力的方法建议,即利用分布式能源互补、储能协调相关技术提高风电并网的友好性,以及通过增强风机并网特性和风电调度运行能力,更好地提高风电并网的安全性. 【期刊名称】《内蒙古电力技术》 【年(卷),期】2013(031)002 【总页数】4页(P1-4)

【关键词】内蒙古电网;风力发电;并网;消纳;电力系统;稳定性;分布式能源;风光互补;储能

【作 者】赵桂廷;李强;丛雨;公维炜

【作者单位】内蒙古电力科学研究院,内蒙古呼和浩特010020 【正文语种】中 文 【中图分类】TM614

截至2012年12月，内蒙古地区风电统调装机容量9.402 39 GW，占全网装机总容量的22%；2012年全年风电发电量17.8 TWh，占全网上网电量的9.78%，风电年平均利用小时数为1984 h。在风电发展规模逐渐扩大的同时，风电给内蒙古电网消纳带来的问题也更为突出。受内蒙古自治区内外电力市场消纳的制约因素影

响，内蒙古电网装机盈余，外送电力通道不足，风电电力无法向区外市场输送，风电消纳困难，弃风现象严重，影响自治区风电发展；内蒙古电网供热机组容量占火电机组总容量的50%以上，受电源结构制约，内蒙古电网调峰、调压能力不足，手段单一，特别是在冬季供热期，供热机组基本满发运行，不能参与调峰，风电大规模并网后，电网无法保证安全运行；内蒙古自治区规划多个百万千瓦级风电基地，规划建设的风电项目呈高速、大规模、大容量发展趋势，风电大量接入电网并且长距离输送，对电网结构、输送能力以及安全运行提出了更高的要求。

目前，内蒙古风电的发展与电力系统的电源结构、网架结构、负荷特性、电网运行方式、调度计划安排、风电并网管理政策和激励机制等方面的不协调性日显突出，因此，急需制定出一整套促进自治区风电与电网协调发展的综合解决策略。这不仅需要在管理和政策方面采取一定的措施，更应从深入研究风力发电特性技术层面积极寻找解决对策。本文从新能源并网发电及新型储能技术发展角度出发，论述了大规模风电并网存在的技术问题，并结合内蒙古风电现状，分析有效提高内蒙古电网风电消纳能力的技术路径。 1.1 对电网稳定性的影响 1.1.1 对电网电压稳定性的影响

大规模风电接入系统时风电场对无功功率的需求是导致电网电压稳定性降低的主要原因[1-2]。目前内蒙古电网存在的问题是网内风电场无功补偿容量不合理、部分风电场动态无功补偿装置投运情况差，而系统变电站的无功补偿容量并未得到相应的优化和改善，造成风电场电压调整困难，导致网内风电接入点电压波动幅度偏大，风电功率的波动对电网电压调整及稳定运行的影响突出，风电接入点电压越上、下限情况时有发生。因此大规模风电并网不仅需要风电场侧提高无功补偿能力，而且需要系统侧采取相应的无功补偿或电网补强措施，与风电场无功补偿措施相互协调控制，以提高大功率外送极限，改善电网接纳风电的能力。

1.1.2 对暂态稳定性的影响

风电场接入对电力系统暂态稳定的影响与网络拓扑结构、电网运行方式、风电场在系统中的位置、风力发电技术类型、电网故障条件等诸多因素有关[3]。电力系统中风电的接入既有可能改善电网暂态稳定性，也有可能降低电网暂态稳定性，这必须通过具体案例的仿真计算来确定。其中常用的做法是通过包含风电场动态模型的时域仿真，检查系统中同步发电机转速、转子角、电压等状态量的响应能力，或者通过求解电网暂态故障条件下系统的故障临界清除时间来判断风电场对暂态稳定的影响[4-5]。

1.1.3 对电力系统频率稳定性的影响

风电场有功出力随风速变化，具有随机性与有限可控性。当风电容量在系统中所占的比例较大时，其输出功率的随机波动性对电网频率的影响是显著的，影响了电网的电能质量和一些频率敏感负荷的正常工作。特别当风电由于停风或大风失速而失去出力后，大量风电脱网会影响到系统的频率稳定性。这就对电网中其他常规机组频率响应能力提出更高的要求，即能进行跟踪调节，抑制频率的波动。 1.2 对电网保护的影响

1.2.1 风电场短路电流对电网保护的影响

风电机组作为一种电源，在系统发生短路后，同样会产生短路电流。内蒙古电网风机多采用双馈型，部分地区仍使用异步机。由于双馈电机存在励磁系统，其转子励磁电流可通过变流器及其控制系统进行控制，在电网发生短路故障后，变流器及其控制系统继续运行，对系统短路容量将产生一定的影响。而对于异步机组，无独立的励磁系统，若发生线路三相短路故障，可使风电机组的机端电压大幅度下降，机组提供的短路电流将持续衰减，在故障点保护跳开其他断路器后，风电机组提供的短路电流最终将衰减至零。同时由于对异步机组缺乏快速的电磁控制，短路瞬间电流的急剧增加对电网造成的冲击比较大。

1.2.2 风电场产生的谐波对电网保护的影响

风电机组采用的大功率电力电子变频设备将向电网输入谐波电流，注入谐波电流后在节点处产生的谐波电压大小与电网结构强度和短路容量相关。在电网结构薄弱且短路容量较小的节点，风电机组产生的谐波电流将会被放大，不但影响电网中设备的寿命、效率，还将对电网中的继电保护设备造成影响。谐波对继电保护的影响主要表现为使继电器动作特性畸变或效果降低，其后果通常是保护装置拒动或误动，并且由于不同类型继电器的设计性能和工作原理不同，谐波对保护的影响程度也不相同[6]。

1.3 对电网调度的影响 1.3.1 对系统备用容量的影响

风电场并网后，对于电网的可用调峰容量，在保证用于平衡负荷波动的备用容量后，剩余的可用调峰容量能够用于风电调峰。由于在实际运行中无法排除整个装机容量规模的风电功率短时间内波动情况，因此一般系统会留有与风电场容量相当的备用容量，以保障电网的安全稳定运行。对内蒙古电网而言，由于风电装机比例较大，系统调峰能力不足，因此无法满足风电全额上网要求。2012年新机组的陆续投运使内蒙古电网电力供需基本处于供大于求的局面，旋转备用容量按有关规定留2%～5%，电网机组正常运行时一般留有5%的旋转备用容量，由于受风电的影响，旋转备用容量留至8%左右。 1.3.2 对电网调峰的影响

风电由于其出力的间歇性和不确定性，不具备火电厂的输出稳定、可调度能力，因此，风电并网要求系统留出一定备用容量来平衡其出力变化。对于内蒙古电网而言，调峰机组主要以常规大型火电机组为主，调峰手段单一，调节速度难以适应风电大幅度快速变化特点，特别是在冬季供热期和大风期，电网供热机组占火电机组比例超过70%，相应火电机组调峰能力下降，供热和接纳风电的矛盾凸现。

根据2012年统计数据，冬季供热机组低谷按65%～75%的负荷率运行，基本不能参与深度调峰，而且在此期间内蒙古电网已多次出现为保电网安全、保城市供热而控制风电出力的情况。预计2013年大规模风电并网后，无论夏季还是冬季，都将会出现大范围控制风电出力的情况。 2.1 利用分布式电源互补发电系统

分布式电源互补发电系统可利用不同分布式能源互补特性，通过优化容量配置和系统控制策略获得比较稳定的电能总输出，从而有效提高风电系统供电的稳定性和可靠性。例如风光互补发电系统可以根据用户的用电负荷情况和资源条件进行系统容量的合理配置，优化系统设计方案，在满足较大的供电能力条件下保证系统的可靠性。另外，在保证同样供电的情况下，风光互补发电系统所需的调峰容量远小于单一风力或太阳能发电系统，因此可通过系统匹配的优化设计，合理配置太阳能电池板容量，大大降低系统的成本[7]。 2.2 合理利用储能技术 2.2.1 储能技术的作用

储能技术在消纳风电领域的主要作用有以下几个方面。

（1）利用储能系统能够快速吸收或释放有功和无功功率，改善系统功率平衡状况，还可以减少日前风电功率预测误差对实际发电量的影响以及电网调度中心对发电计划的修正，提高风电稳定性。

（2）利用储能系统短时功率动态调节能力，降低电压波动，改善风电的电能质量。 （3）利用储能可以有效改善弃风现象，而且可通过在负荷高峰期间储存风电、负荷低谷期间释放电力的方法实现削峰填谷的目的。

（4）在内蒙古地区开展风电供热项目，有利于解决冬季风电弃风问题，并在一定程度上缓解供热期调峰问题。 2.2.2 储能技术的分类及选择

目前储能技术应用较多，在能量密度和功率密度方面具有不同的表现，功率型储能可进行功率快速调节、平滑风电输出，参与系统的一次调频及快速的无功控制，改善电能质量，提高系统可靠性；能量型储能可对系统能量进行优化管理，参与系统削峰填谷、二次调频及无功控制。很难有一种储能技术可以完全胜任在电力系统中的各种应用，通常为了平稳风电场功率输出，改善风电场的电能质量和并网稳定性，同时配置功率型和能量型两类储能设备，构成混合储能系统。 2.3 提升风电机组的并网特性

2.3.1 风电机组应具备良好的低电压过渡能力

为避免风电机组在电网发生故障时与电网解列情况出现，风电并网技术规范要求并网风电机组须具备低电压过渡能力，在电网发生故障时风电机组能够维持一段时间与电网连接而不解列，并在这一过程中提供无功功率，支持电网电压的恢复。因此通过要求风电机组具有低压过渡能力提高风电机组性能，可有效解决风电并网所产生的电压稳定性问题，进一步增强系统的稳定性。 2.3.2 加装ms级功率动态储能系统，改善电能质量

风电机组输出功率的波动是引起电压波动和闪变的根本原因[8]。虽然通过静止无功补偿器可以维持风电场接入点电压的稳定，但它不能调节风电场输出的有功功率。因此可通过加装具备ms级功率动态调节能力的储能系统，平抑风电场的有功与无功功率波动，能更好地抑制电压波动、电压暂降，提高短时功率的动态补偿，从而改善电能质量。

2.4 利用调度进行大规模风电优化控制

做好风电调度管理，优化系统电源的运行模式，是提高风电消纳能力的关键，需要从以下几个层面进行深入工作。 2.4.1 建立完善的风电功率预测预报机制

通过预测风电场的出力，可合理有效地安排常规机组与风电场的发电计划，不仅能

够提高系统运行的经济性，还能提升风电的消纳能力。功率预测应能提供中长期、短期、超短期多个时间尺度的预测结果，建议对风电集中的“三北”区域进行统一预测。风电场应建立发电出力计划申报机制，并根据电网运行情况参与调峰；同时，应不断积累数据进行修正，努力提高预测精度，尤其要提高大的气候变化过程的时间点准确率、风电功率极低值的准确率和大幅度波动的准确率。 2.4.2 控制风电机组及风电场有功功率

充分结合风电功率预测信息，以最大化风电出力为目标，考虑当前电网运行方式下的运行约束，同时参考常规机组的发电计划，优化风电机组或风电场的分配方案，制定风电机组和风电场长期和日前发电计划，从风电机组和风电场两个层面实现风电的有功功率控制。

2.4.3 控制风电机组及风电场无功功率

风电场内部通常需要安装无功补偿装置以实现就近无功功率补偿，同时风电场运行时需要从电网吸收无功功率以维持场内及并网点电压稳定。因此提高风电场的无功支撑能力需充分利用风电场内的各种无功源，寻求合理有效的协调优化调控策略，实现风电场的无功优化控制。另外，对于集中大型风电集群，研究其无功补偿和控制的系统解决方案，以便增强该区域的电压稳定性。 2.4.4 建立风电统一调度模式

充分发挥大电网运行优势，建立大电网风电运行的统一协调调度模式，调用更大范围电网调峰能力以适应风电大幅度波动。不同区域电网间的联络线潮流应根据风电变化特性进行灵活调整，挖掘大电网中的抽水蓄能、水电、燃气发电的灵活调整能力，以弥补局部电网接纳能力的不足。

风电的快速发展给内蒙古电网消纳风电带来的问题越来越突出，由于风电本身波动性、随机性的特点，大规模风电接入将对系统电压、频率的稳定性，对电网保护，电网调峰、调压以及调度等方面产生不同程度的影响。探寻提高风电消纳能力的有

效途径，需要根据内蒙古地区风电目前存在的实际问题，从不同角度分析大规模风电并网存在的技术问题，并从新能源、新技术方面，即分布式能源互补、储能技术应用角度，以及如何提高风机并网特性和风电调度运行水平方面进行分析探讨。

【相关文献】

[1]Le Thu ha,Tapan Kumar.Investigation of Power Loss and Voltage Stability Limits for Large Wind Farm Connections to a Subtransmission Network[J].Power Engineering Society General Meeting,IEEE，2004（2）: 2251-2256.

[2]ZHOU F Q,JOOS G,ABBEY C.Voltage stability in weak connection wind farms[J].Power Engineering Society General Meeting,IEEE,2005（2）：1483-1488.

[3]迟永宁，王伟胜，刘燕华，等.大型风电场对电力系统暂态稳定性的影响[J].电力系统自动化，2006，30（15）：10-14.

[4]孙嘉，高亮，陈磊，等.大型风电场接入输电网的系统稳定性研究[J].华东电力，2012，40（5）：822-825.

[5]申洪，梁军，戴慧珠.基于电力系统暂态分析的风电穿透功率极限计算[J].电网技术，2002，26（8）：8-11.

[6]Elmore,Walter A.Effects of harmonics on equipment [J].IEEE Trans.Power Delivery,1993（8）：672-680.

[7]王志新，刘立群，张华强.风光互补技术及应用新进展[J].电网与清洁能源，2008，24（11）：40-45.

[8]孙涛，王伟胜，戴慧珠，等.风力发电引起的电压波动和闪变[J].电网技术，2003，27（12）：62-66，70.