智能电网背景下大规模风电接入技术探讨

智能电网背景下大规模风电接入技术探讨张爽１，董仕镇１，和识之２（１．广东省电力设计研究院，广东广州５１０６６３；２．中国南方电网有限责任公司，广东广州５１０６２３）摘要：大规模风电接入电网后，其自身的波动性叠加在电网中，使得调度目标由原来的系统总负荷变为除去风电出力后的系统净负荷；风电的容量可信度变化较大，将对系统的计划备用容量产生影响。

针对此，分析了所有风电机组同时停发的可能性，并指出当接入的风电场分布的地理范围较广时，功率骤降的速率会明显放缓，有利于调度平衡。

已有的运行经验表明，风电的接入不需要配备额外的备用电厂和储能系统。

关键词：风力发电；净负荷；容量可信度；容量系数；储能系统；风电穿透率中图分类号：Ｆ４２６ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００７－２９０Ｘ（２０１１）１１－００４８－０４Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ　ｏｎ　Ｌａｒｇｅ－ｓｃａｌｅ　Ｗｉｎｄ　Ｐｏｗｅｒ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｃｏｎｔｅｘｔ　ｏｆ　Ｓｍａｒｔ　ＧｒｉｄＺＨＡＮＧ　Ｓｈｕａｎｇ１，ＤＯＮＧ　Ｓｈｉ－ｚｈｅｎ１，ＨＥ　Ｓｈｉ－ｚｈｉ　２（１．Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　５１０６６３，Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｈｉｎａ　Ｓｏｕｔｈｅｒｎ　Ｇｒｉｄ　Ｃｏｒｐｏｒａ－ｔｉｏｎ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　５１０６２３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｍａｙ　ｂｅ　ｓｕｐｅｒｐｏｓｅｄ　ｔｏ　ｐｏｗｅｒ　ｇｒｉｄ　ａｆｔｅｒ　ｉｔｓ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ　ｃｈａｎｇｅｓ　ｔｈｅ　ｄｉｓｐａｔｃｈ　ｔａｒｇｅｔｏｆ　ｔｏｔａｌ　ｌｏａｄ　ｏｆ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎｔｏ　ｎｅｔ　ｌｏａｄ　ｗｉｔｈ　ｏｕｔｐｕｔ　ｐｏｗｅｒ　ｏｆ　ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｅｘｃｌｕｄｅｄ．Ｃｅｒｔａｉｎｔｙ　ｏｆ　ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｃｈａｎｇｅｓｅａｓｉｌｙ　ａｎｄ　ｉｔ　ｍａｙ　ｈａｖｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｎ　ｐｌａｎｎｅｄ　ｓｔａｎｄｂｙ　ｃａｐａｃｉｔｙ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｓｈｕｔｄｏｗｎ　ｏｆ　ａｌｌｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｕｎｉｔｓ　ａｎｄ　ｉｔ　ｐｏｉｎｔｓ　ｏｕｔ　ｔｈａｔ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｗｉｎｄ　ｆａｒｍ　ｒａｎｇｅｓ　ｆａｒ　ａｎｄ　ｗｉｄｅ，ｔｈｅ　ｒａｔｅ　ｏｆ　ｐｏｗｅｒ　ｓｅｔｂａｃｋ　ｍａｙｓｌｏｗ　ｄｏｗｎ　ｓｈａｒｐｌｙ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｇｏｏｄ　ｆｏｒ　ｂａｌａｎｃｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｉｓｐａｔｃｈ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ　ｉｎ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｉｎｄｉｃａｔｅｓ　ｔｈａｔ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｗｉｎｄｐｏｗｅｒ　ｎｅｅｄｓ　ｎｏ　ｅｘｔｒａ　ａｕｘｉｌｉａｒｙ　ｐｏｗｅｒ　ｐｌａｎｔｓ　ａｎｄ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ；ｎｅｔ　ｌｏａｄ；ｃｅｒｔａｉｎｔｙ　ｏｆ　ｃａｐａｃｉｔｙ；ｃａｐａｃｉｔｙ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ；ｓｔｏｒａｇｅ　ｓｙｓｔｅｍ；ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ　ｒａｔｅ　ｏｆｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ 智能电网技术要求电网可以灵活接纳各种间歇性可再生能源，包括风能、太阳能等［１］。

近年来，风电在我国以及全世界范围内受到广泛重视，其装机容量与日俱增［２］。

研究大规模风力发电对于电力系统可靠性以及调度策略方面的影响就非常重要［３］。

本文主要从以下几个方面来探讨大规模风电接入对电力系统的影响，包括：风电接入后对调度目标的影响，分散在各处的风电场是否会因为突然无风而全部停发，风电的接入成本是否过高，风电的容量可信度与容量系数，风电是否需要备用容量或专门的储能设备，以及电力系统可接纳的风电容量（风电穿透功率）是否存在上限。

１　风电的可调度性风电场的出力随时间的变化而变化，当风电出力的变化叠加在电力系统本身负荷的变化上之后，系统调度员就必须要应对这种增加的可变性。

风电场每增加１　ＭＷ出力，其他发电厂就要减少相应量的出力。

因此，其他除风电场以外的电源需要提供的功率为总负荷与风电出力的差值，即净负荷。

图１为某电网１周（１６８　ｈ）内的总负荷曲线与风电场输出的有功功率曲线。

图１中２条曲线之间部分即为非风电电源需填补的功率差额，即净负荷。

图２进一步显示由于风电接入所带来的总负荷曲线与净负荷曲线之间的差异。

　第２４卷第１１期广东电力Ｖｏｌ．２４　Ｎｏ．１１ ２０１１年１１月ＧＵＡＮＧＤＯＮＧ　ＥＬＥＣＴＲＩＣ　ＰＯＷＥＲ　Ｎｏｖ．２０１１　收稿日期：２０１１－０７－０５图１　某电网总负荷与风电功率曲线图２　某电网总负荷与净负荷曲线从图１和图２可以看出：在存在较高风电穿透功率的情况下，风电的接入可降低其他发电机的出力水平；但同时大容量的风电接入也会使负荷曲线变陡，即净负荷的上升率和下降率相对总负荷来说都有所增加，从而对非风电机组的功率爬升速率提出了更高的要求。

２　风电容量可信度风电和其他电源一样会对电力系统的计划备用容量产生影响，因此风电也存在容量可信度的问题［４］。

根据文献［５］，风电容量可信度定义为：在可靠性水平一定的情况下，新增风电场可额外满足的负荷量由一定容量的常规发电机组承担，风电场的容量可信度即是这个常规发电机组的容量与风电场装机容量的比值，其数学表达式为：Ｃｃ＝Ｃｒ／Ｃｗｆ．（１）式中：Ｃｃ为风电场的容量可信度；Ｃｗｆ为风电场装机容量；Ｃｒ为与风电场承担的负荷相同的常规机组装机容量。

大多数情况下，风电的容量可信度为５％～４０％，其变化范围之所以较大，是因为风能产生的系统负荷水平具有一定的随机性。

３　所有风电同时停发的影响单个风电机组的输出功率具有很强的波动性，但当风电场容量逐渐扩大后，其规模效益也随即显现。

对于单个风电场，其１年内零功率输出的时间可达１　０００　ｈ；但如果将很大范围内的多个风电场输出功率联合起来考虑，则几乎不会有零功率输出的情况。

输出功率的变化也会随时间尺度的减小而减小。

大规模风电的输出功率在数秒至数分钟的范围内变化很小，但是在数小时的时间尺度下，其波动较大。

极端天气情况下当风速急剧增加时，出于对安全的考虑，风力机会停机。

由于风暴经过数百公里的范围需要４～６　ｈ，因此在较大的地理跨度范围内风电的规模优势便可体现出来。

对于单个风电机组，出力可能从额定值迅速降为零（如图３所示），但将多个风电场的出力联合起来后，输出功率的突然下降便可转变为持续数小时的缓慢下降过程（如图４所示）。

图３　单个风电场功率突降过程图４　多个风电场的出力之和下降过程４　风电接入成本风电接入成本是指当风电接入电力系统后，额９４　第１１期张爽，等：智能电网背景下大规模风电接入技术探讨外增加的非风电设备的设计与运行费用。

通常在风电穿透率达到２０％的电网中，用以维持功率平衡所需增加的成本一般小于风电并网后电价收益的１０％。

风电出力水平的变化与负荷的变化并不相关，这意味着电网中已有的功率波动可以抵消部分风电出力的波动。

也就是说，当风电的波动叠加在电网的功率波动中后，并不一定会使总的波动增加。

因为二者波动的最大值往往不会同时出现，即接入风电后，用来平衡净负荷波动的备用容量要小于单独用来平衡总负荷波动或风电功率波动的备用容量。

风电接入所增加的运行成本对于不同规模的电网是不同的。

大区域电网接入风电后所增加的运行成本要小于接入小规模电网的情况。

同样，如果风电电源是分布在很广的区域内，则功率波动量的标幺值便会下降，与此同时，风能的预测效果会更好，从而使整个接入成本下降。

虽然可能会需要额外的运行费用，但并不需要增加新的发电厂。

５　风电所需的备用发电容量为了维持发用电平衡，调度中心需要控制各电厂跟随总负荷的变化来增减出力。

当风电接入电网后，调度中心的运行目标变为跟随净负荷的变化。

由于一般不会将１个用户负荷的变化作为调度目标，因此单独为某个风电场设置专门的备用发电厂来跟随风电场自身的功率波动也是不经济且没有必要的。

但是，风电的接入确实会增加系统对已有电厂备用容量的需求，包括旋转备用和非旋转备用，从而使原有的调频调峰机组的运行效率下降，而这些电厂消耗的化石燃料及排放的温室气体量也将有所上升。

但从整体上来说，风电的接入还是会减少化石燃料的总消耗量及温室气体的总排放量。

因为对于一定量的电能，可以考虑３种情况：一是仅由化石燃料电厂供应；二是仅由风电场供应，且这些风电场不需要增加系统的备用容量；三是仅由风电场供应，且这些风电场需要增加系统的备用容量。

对于第１种情况，假设所消耗的化石燃料量为Ａ，那么对于第２种情况，即可减少Ａ单位的化石燃料消耗量，而实际情况却更趋向于第３种。

假设增加的这部分备用容量需要３％Ａ的化石燃料来提供，且其使用效率为７５％，则第３种情况化石燃料的实际总消耗量为４％Ａ。

总的来说，第３种情况相比第１种情况而言，虽然节省的化石燃料量没有达到１００％Ａ，但还是可节省９６％Ａ的化石燃料。

因此，认为风电接入会导致系统备用容量增加，从而增加化石燃料消耗量的说法是不准确的。

６　风电场的容量系数容量系数Ｆ定义为某电源年平均输出功率Ｐａ与额定功率Ｐｒ的比值［６－７］，即Ｆ＝ＰａＰｒ。

不同类型电厂的容量系数如图５所示。

一般来讲，火电厂和核电厂的容量系数为６０％～９０％，位于优质风资源区域的风电场的容量系数只有３０％。

火电１是指容量大于３００　ＭＷ的机组；火电２是指容量小于３００ＭＷ的机组。

图５　不同类型电厂的容量系数虽然风电的容量系数比核电和火电低，但不同容量系数的电厂却在系统运行中发挥着不同的作用，并分别承担负荷曲线中的基荷、腰荷和峰荷部分。

比如，核电厂和火电厂因具有较高的容量系数而大多用来承担基荷；而风电和水电则可相对较自由地调配，风电在有风时发出功率，而水电则按计划来承担电网负荷的最大值，并用来调峰；具有更低容量系数的机组（比如燃气轮机等）则可用来跟随负荷的变化。

总之，有很多种电源都在低于额定功率的情况下工作，其容量系数较低，但却在保证系统可靠运行方面发挥着巨大的作用。

因此，不能单一地靠容量系数的高低来评价某种电源的优劣。

７　储能装置与风电的关系由于风能具有不确定性，因此有学者指出需要为风电设置专门的储能装置以平滑其输出功率的波动。

实际上，这种观点忽略了大电网自身运行的特０５广东电力第２４卷　点，以及大容量风电电源在空间上的分散性。

根据已有的运行经验，对于由系统负荷、发电机启停、调度指令的变化以及网络拓扑的改变等带来的一系列功率波动状况，现有系统完全可以应对。