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）１１－００４８－０４

Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ　ｏｎ　Ｌａｒｇｅ－ｓｃａｌｅ　Ｗｉｎｄ　Ｐｏｗｅｒ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｃｏｎｔｅｘｔ　ｏｆ　Ｓｍａｒｔ　Ｇｒｉｄ

ＺＨＡＮＧ　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

９

４

　第１１期张爽，等：智能电网背景下大规模风电接入技术探讨