风电场与电网的匹配--风电场穿透功率极限的确定及其探讨

风电场与电网的匹配--风电场穿透功率极限的确定及其探讨

平新玮

(新疆新能源研究院有限责任公司)

一、引言

风是人们非常熟悉的一种自然现象，是地球表面大气层各处之间存在气压差的结果。

人类利用风能已有数千年的历史，在蒸气机发明以前风能曾经作为重要的动力，诸如埃及、荷兰、丹麦等国都是世界上较早普遍利用风能的国家。古埃及利用风能磨粮食；18世纪中叶，荷兰就有了2000多座用于抽水等用途的风车。

我国也是世界上最早利用风能的国家之一。早在2000年前,利用风能驱动的帆船已在水面航行。明代的灌溉用风力水车及相关风力机械都是我国早期利用风能的痕迹。

虽然，在蒸气机出现之前，风车是动力机械的一大支柱，但是在其后随着煤、石油、天然气的大规模开采和廉价电力的获得使曾经被广泛应用的各种风力机械,由于成本高、效率低、使用不方便等等原因逐渐被淘汰。

我国是一个风力资源非常丰富的国家之一，据研究资料介绍，全球可开发利用的风能达KW，而我国大陆地区就有KW。

东南沿海、内蒙古北部新疆甘肃等地区属于风能资源丰富的地区，平均风速不小于6m/s，有效风能密度不小于，有很好的开发利用条件和前景。

风能属于可再生能源。从可持续发展角度看,选择风力发电可以延缓煤、石油、天然气等常规能源日益严峻的枯竭趋势。目前能源的枯竭趋势日益严重，近些年发生的不必要的局部战争也消耗了大量的化石资源，从而导致有限的化石遗产的枯竭，给下一代只留下灾难和不幸，而不是幸福和美好的家园。

风电具有明显的环境效益，主要表现在它不排放任何有害气体和不消耗水资源。这些有害气体可引起人的各种疾病、产生酸雨、温室效应等毁灭性灾害。风电的环境效益取决于它所避免的火电电量的污染，污染程度与火电厂煤的质量、锅炉燃烧及发电技术有关，各地区不尽相同。如果按照以每KW.h消耗380g标准燃煤为例，评估装机容量10万KW，年发电量2.3亿KW.h的风电场环境效益来看，每年可以节约大约标准煤8.74万吨，大约相当于原煤18万吨，可减排烟尘1150吨、灰渣2.76万吨、二氧化碳26.5万吨、氮氧化物1035吨、二氧化硫1403吨。如果每KW.h风电可以避免的污染成本量为0.18元，则上述10万KW风电场的环境效益估计每年约4000万元，而且这不仅仅是它的环境效益，其社会效益更是无可估量。

目前，风力发电的主流形式是大型并网型风力发电机组，因而因为风能特有的特性，风力发电机组并网运行时，对电网有一定的影响。

风力发电机组单机容量很小，对于一个大电网影响可以忽略。但对于一个风电场来说，它由几十台、上百台机组组成，总装机超过几十万千瓦，对于一个容量不大的电网，就会造成不可忽视的影响。一般来讲，风电场对电网的影响程度与风电在电网中占的容量比例有关。

风力发电机组是一种特殊的发电设备，从而环境保护和可再生能源的角度考虑，希望尽量扩大风力发电的规模，而风电本身的特点使它并网运行对电网的电能质量以及安全稳定性构成一定的威胁。

一方面，风力发电的原动力是自然风，因此风电场的风资源分析、风能储量和风电场地理位置对风电场的规划建设的影响非常大。而风力资源较好的地区往往人口稀少、负荷量小、电网结构相对薄弱、风电功率的注入改变了局部电网的潮流分布，对局部电网的电能质量和稳定性有很大影响，限制了风电场接入系统的方式和规模。

另一方面，风力发电的原动力是不可控的，它是否处于发电状态以及出力的大小都决定于风速的状况、风速的不稳定性和间歇性决定了风电机组的出力也具有波动性和间歇性的特点。

为了保证电网安全可靠运行，风电场容量应占多大比例最为关键的问题。我国原电力部颁布的“风力发电场并网运行管理规定”中有一条：风电场容量与电网统一调度的原则是由稳态运行下的电能质量、最小线路损失和暂态稳定性等因素决定。建议当风电场容量占电网统一调度容量的5%以下时，一般无需装控制设备，当超过5%时，应与电网调度机构协商解决。

风电场对电网稳态频率的影响是指电网受到扰动后，从一个稳态频率到另一个稳态频率的情况，而不考虑期间的频率变化过程。

风力发电的不稳定性表现在间歇性和难以预计性。阵风、从有风到无风等都会对电网频率产生影响。

当风电场出力突然增加时，电网频率会有所上升，电网对这种变化的调整能力还是比较强的。当风电出力减少或负荷增加时，电网原有平衡状态被破坏，这时当其他电厂的旋转备用容量经过一次调频和二次调频后，若还不能达到平衡状态，即仍存在功率缺额则系统频率肯定下降，这样系统只能通过负荷的频率静态特性来达到新的平衡状态。

由此可见，确定电网中风电的最大比例是很有必要的。本文首先提出问题，然后介绍风电场最大比例容量的几种计算估计方法并结合实际系统计算该比例，最终对结果数据进行分析并作一定的前景的展望。

随着风电机组单机容量和风电场规模的增大，大型风电场并网运行对电力系统的影响也越来越明显。电力公司十分担心大规模的风电并网运行将会影响系统的供电质量和可靠性。因此，如何确定系统在正常运行前提下可以接受的最大风电装机容量，即系统的穿透功率极限计算成为十分紧迫的研究课题。

大量的研究结果表明，风电的穿透功率水平受到许多因素的影响，比如系统的运行方式、网络约束、常规机组的出力限制和系统的旋转备用要求等。确定风电穿透功率极限的常用方法是首先设想一个风电功率，然后选取几种典型的系统运行方式，通过动态仿真检验系统在该水平的风电冲击下是否会失去安全性和稳定性，进而确定穿透功率极限。实际上这是一种验证性的间接计算方法，而且受计算量的限制，无法全面考虑系统的各种运行方式和风况条件。为了克服上述方法的不足。本文进一步考虑了风电和负荷的随机性，建模时采用了两个假设：风电场的风速服从Weibull分布；系统各节点负荷服从正态分布，并且相互独立（对其它类型的随机分布同样适用）。由于风电场的输出功率是一个随机变量，不宜作为决策变量，而风电场的装机容量是一个确定量，因此本文选取风电场的装机容量和常规机组的出力作为优化变量，并以风电场的装机容量最大化作为优化目标。约束条件主要是输电线路的功率传输极限、常规机组的出力约束及系统所要求的旋转备用水平。由于风电场的出力是随机变化的，导致输电线路的功率、部分常规机组的出力和系统的旋转备用也发生相应的变化。由于系统存在多种运行方式，风况条件也千差万别，在个别时候可能有某些约束条件无法满足，但是发生的概率又很低，如果以确定性的方法处理约束条件，得到的优化结果将趋于保守。机会约束规划为解决这类问题提供了可能，它允许在观测到随机变量的实现之前做出决策，只要该决策使得约束条件成立的概率高于给定的置信水平。

二、问题的分类

风电场穿透功率极限的计算按照风电场所在区域可分为：

（一）局部电网风电场穿透功率极限：分析比较方便，算法适应性较好，可为局部电网所接入的风电场建设等问题提供直接的参考数据，不用进行二次数据处理。

（二）大电网分散式风电场穿透功率极限：分析比较复杂，算法适应性较差，需要进行二次数据处理。大电网所并接的风电场，因为风能资源在空间、时间上的分布不一致，因此在计算大电网风电场穿透极限时，需要进行二次数据处理或需要综合分析。从概率统计角度上考虑，在某一特殊的条件下，大电网分散式风电场对电网的影响可能非常小，风电穿透功率极限也就比较大。

风电场穿透功率极限的计算按照对电网的时间段冲击来可以分为：

（一）短时间风电场穿透功率极限：在风电场自身具备相应调节能力的条件下，按照风电场风资源规律变化，可以采用风电场最差（不是按照严格计算）穿透功率极限。即在某以时间段（最长不可超过半月）可以让风电场按照最差穿透功率极限来发电。当然该方法不可行的，但是理论上可以实现。

（二）长期风电场穿透功率极限：相对固定的风电场穿透功率极限，也是比较可行的穿透功率极限。

三、问题的研究意义及国内研究现状

（一）研究意义：

通过引言和上面诸多论述不难可见，风电场穿透功率极限的计算和方法研究具有如下显著的学术和实际意义：

1、风电场最大穿透功率极限的研究可为大至政府部门，小至风电场运行方和电力系统电源建设规划部门提供有利的计算数据，以避免资源浪费、规划不合理、电网运行不安全等许许多多的实际问题。