大规模风力发电对电力系统的影响

大规模风力发电对电力系统的影响

时间:2009-11-25 11:04来源:网络作者:李锋,陆一川点击:562次

摘要:风电电源由于其自身特点,当风电装机容量占总电网容量的比例较大时对输电网的安全和经济运行都会带来冲击。德国的风力发电大部分位于海边风力资源充裕的地方,远离负荷中心,大风天气时风电出力增加,会造成严重的输电瓶颈。此外,大规模风力发电对系统小干

论文摘要:风电电源由于其自身特点,当风电装机容量占总电网容量的比例较大时对输电网的安全和经济运行都会带来冲击。德国的风力发电大部分位于海边风力资源充裕的地方,远离负荷中心,大风天气时风电出力增加,会造成严重的输电瓶颈。此外,大规模风力发电对系统小干扰稳定、频率稳定及电压稳定都有着不同程度的影响。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,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。

论文关键词:风力发电;输电瓶颈;系统稳定;经济运行;备用容量

一、风力发电现状

风力是一种取之不尽、用之不竭的可再生能源。近几年全球风力发电得到了迅速的发展。其原因一方面,是传统能源如石油和天然气等日益枯竭;另一方面,是在全球气候变暖的情况下,主要工业国家签署了关于削减温室气体排放量的《京都议定书》。这些国家都在尽力寻找替代的清洁能源,而风能正是其最佳选择。

截至2004年底,全球风力发电总装机容量为47.6GW。图1中给出了世界上风电装机容量最多的10个国家以及相应的装机容量[1]。

德国在风力发电方面遥遥领先于其他国家。

2004年德国风力发电量达26TW·h,足以满足850万个家庭的电力需求。当前其风电装机容量超过18GW。而德国其他常规电厂总装机容量也只有约100GW。在德国,凡是自然条件合适的陆地几乎都竖起了风力机组,人们开始把眼光瞄准风力充沛的海洋,德国北部的海域已经架起了风力机组。图2中给出德国风电装机容量的发展以及到2025年的预测。

有关风力发电的新材料和新技术也有长足的发展。20世纪80年代的单机容量仅几十千瓦,今天在市场上销售的商业化风电机组,单机容量一般均超过1MW。目前在德国安装的风电机组最大单机容量已达到了5MW。其旋翼区直径为115m,面积接近于2个足球场,旋翼最高点离地面180m,年发电量可达12GW·h。

早期风电机组大都是结构简单的异步感应发电机,无法直接调节电压和无功。随着电力电子元件性价比不断提高,双馈感应电机、直接驱动永磁式电机等新型机组开始推广使用[2]。2003年在德国所建的新风力机组中,90%都是后2种新机组。风电场可以在一定程度上承担起电压和无功调节的任务。

二、政策背景

风力发电在德国得到如此迅速的发展,是和德国政府的积极鼓励措施分不开的。德国国会在1991年通过了《强制购电法》,2000年又通过了《可再生能源促进法》。这些法律规定电网公司必须无条件接受在其电网范围内的风能、太阳能等各类可再生能源发电设备所生产的电力;并根据这些发电设备的技术条件、生产成本等因素,规定了相应的上网电价。以技术条件比较成熟的风力发电为例,风电的上网电价2000—2005年固定为8.7欧分/(kW·h),2005年后逐步降到5.5欧分/(kW·h)[3]。

目前风力发电的上网价格要比火力发电高出近30%,供电公司将多支出的费用计算进电网成本,最终以过网费的形式摊到所有用户身上。

《可再生能源促进法》从法律上规定了可再生能源价格,保证经营者可得到一定的利润,从而激发了人们开发可再生能源的热情。据测算,投资1座风力发电机只需几年就可收回成本,而风力发电设备的使用寿命最少有20多年,投资收益率很高。

三、大规模风力发电对电力系统的冲击

随着风电规模占全网容量比例的激增,原有常规电源对电网运行的调整与控制能力被削弱。而风电电源由于其自身的特点,很难像常规电源一样,执行系统的调频、调压任务和抑制系统的功率震荡。此外风力发电功率输出随机性很强,波动很大且不可控。图3给出了2003年春季1个星期之内全德国境内的风力发电功率曲线。从图3中可以看到,从5月2日到3日的24h之内,风电功率从593MW 变化到11.976GW。

德国电网是西欧互联电网(UCTE)一个部分。

UCTE电网由西欧20多个国家同步互联组成,当前最大负荷为350GW。大规模的风力发电对整个UCTE电网的安全运行造成了影响(请参考：《风力发电对电力系统运行的影响》)，当然对德国的电力系统的冲击要更大些。本文将着重于此展开讨论。

四、输电瓶颈问题

当前的德国输电网架构很大程度上是基于负荷和电源就地平衡的原则,避免长距离重载的电力传输。由于风力发电大部分位于德国北部海边风力资源充裕的地方,而负荷中心在西部和南部内陆地区,大风天气时风电出力增加,会造成严重的南北轴向输电瓶颈。这迫使电网公司采取措施加强输电系统。

目前在发达国家中,由于环保的压力,新建线路走廊已经几乎没有可能,只有在运行上采取措施和通过改造现有线路,来提高输电容量。

由于其紧密的环网结构及相对较低的电压等级(380kV/220kV),德国电网的输电容量主要是受热稳定(受架空线弧垂高度)的限制。目前德国线路载流量是根据空气温度35°C、风速0.6m/s、导线温度不允许超过80°C来校核的。而实际运行中,如假定冬天里最高气温为15°C,则可提高20%线路载流量,无须作任何线路改造[4]。目前有电网公司考虑根据季节的不同,每年划成5个时间段,各采用不同的线路载流限。

德国输电网安全运行主要是依据n-1准则,即任一电气元件的退出运行,其他任何设备都不允许超过额定载流限。而实际线路过载时,温度上升是需要一段过程的。在一段时间内(比如15min),如果采取措施将线路负载降到允许范围内,

一般不会造成事件的进一步扩大。通过重新诠释n-1准则,也可进一步提高输电容量。

改造线路的措施包括加高杆塔或拉紧导线,以提高线路应力,进而提高弧垂高度。此外,还可用低弛度耐热新材料导线来更换传统钢芯铝绞线等。

五、稳定问题

常规电力系统中,发电厂有义务根据电网的电压波动和频率波动随时调节发电机的无功及有功输出。这对维持系统电压和频率的稳定及抑制系统电压和功率振荡有着重要的意义。然而现行的电网运行规程在这一点上一般对风电场并没有要求。

德国和丹麦在建的以及规划中的多座大规模海上风电场多集中于北海沿岸。这种电源点远离负荷中心的电网结构以及风力机组的特点有可能对电网稳定造成显着的冲击。

5.1频率稳定UCTE电网中的一次调频是由各发电机组的调速器进行。整个UCTE电网的一次调频要能满足3000MW的偏差,这是根据枢纽变电站母线事故时连接在该母线上全部发电机组跳机而校核出的。

在一次调频时域范围内,分布在大片区域内的风力机组其风电功率波动的相关性是很小的。对于一次调频来说,相对于常规发电厂跳机影响,整个德国区域的风电功率短时波动完全可以忽略不计。

早期风电机组的电压保护一般设计为在母线电压有小幅扰动的情况下就简单切除机组以保护设备。其低压保护的动作电压一般设置为0.7~0.9倍额定电压。而当输电网中发生三相短路时,会造成大面积电网中电压下降,从而会造成一大片区域内风电机组瞬间与电网脱开。经过仿真计算,在最坏情况下,在德国风力发电集中的北部输电网中的三相短路会造成瞬间失去接近5GW的风电功率,从而超过UCTE电网承受能力。

为此,德国2003年8月启用的新的风电机组接入标准规定,在电压骤降后,在图4中实线的上方不允许风电机组跳开[5]。