风电在湖南电网中的发展现状分析

韩忠晖，邓小亮，马悦，胡家华，钱军

(1. 国网湖南省电力公司，湖南 长沙410007;2. 国网湖南省电力公司长沙供电分公司，湖南 长沙410015)

随着风电技术的成熟以及成本的大幅下降，风力发电得到了持续发展。截止到2012 年底，国内风电并网总容量达到6 083 万kW，发电量达到1 004亿kWh，风电已超过核电成为继煤电和水电之后的第三大主力电源。

湖南地处华中地区，受自然环境影响，风电总装机容量并不大，但发展势头迅猛。截止到2013年10 月底，湖南电网共有并网风电场8 座，分别为仰天湖风电场、南山风电场、后龙风电场、水源风电场、三十六湾风电场、岚桥风电场、花地湾风电场和天塘山风电场，并网装机容量287.8 MW，占统调装机容量的1.1%〔1〕。根据国家能源局“十二五”风电项目核准计划，湖南将重点在湘南、湘东南、湘西南和洞庭湖区等地建设一批风电场，共计43 个项目，总装机规模将突破2 000 MW。然而，风电作为一种绿色清洁能源在得到大力发展的同时，也给电网运行带来了一定的不利影响，涉及到电网的调峰调频、联络线控制、无功调压及电能质量等方面技术，给电力系统的安全稳定运行带来了新的挑战。

1 风电发电机的结构特点

风力发电机的工作原理就是通过叶轮将风能转变为机械转矩，通过主轴传动链，经过齿轮箱增速到发电机的转速后驱动发电机发电，有效地将风能转化成电能，主要可分为鼠笼异步型、双馈感应型和永磁同步型等3 种类型。其中鼠笼异步型风电机组结构简单，其采用鼠笼异步发电机转换能量，是风力发电中最早使用的机型，由于该类型发电机正常运行时速度仅在很小范围内变化，对风能的利用率低下，目前已逐步淘汰。双馈感性型与永磁同步型风电机组采用了变频恒速技术，对风能的利用率大大提升，是目前应用最广泛的机型。

目前在湖南各风电场中，所采用的风电机组类型见表1 所示:

表1 湖南省风电场风机类型

2 对电网的影响

2.1 对系统调峰的影响

风能是一种绿色清洁能源，我国的《可再生能源法》要求对风电等可再生能源优先收购。然而，风电运行具有很大的不确定性，其功率波动往往与用电负荷趋势相反，加大了电网的等效峰谷差。目前，湖南电网的峰谷差已经在逐年增大，至2012 年底，系统峰谷差最大已达9 000 MW 以上，在低谷时段，火电机组一般按50%负荷调峰，极端时候需要深度调峰、启停调峰，系统安全运行风险大。因此，可以预见，随着湖南风电装机容量的逐步扩大，系统调峰的难度将进一步加大。如何防止在低谷时段因调峰困难而导致弃水、弃风，需要引起进一步的关注。

2.2 对联络线调整的影响

与水电厂可以蓄水不同，风电场在当前尚无法存储风能。因此，风电场的输出受自然风的变化而变化，无法像传统电源那样进行实时功率调整，具有不可控性，当并网运行的风电机组切入、切出电网时，就需要其他可调节的常规电源与之匹配。否则，将不可避免的出现一定程度的功率波动，对鄂湘联络线乃至整个系统都造成一定的冲击。要求系统在运行时留出充足的正负旋转备用，在一定程度上降低了系统运行的经济性。

2.3 对发电方式的影响

湖南是一个水电大省，截止到2012 年底，水电装机容量9 165.93 MW，占统调装机容量的34.92%。受自然环境的影响，水库来水多集中在春、秋两季，并且有来水集中、分布范围广、持续时间长的特点。汛期时，省内各骨干水电厂如五强溪、凤滩、柘溪等，往往长时间满负荷运行，造成了火电机组发电方式一般维持在系统稳定要求的最小开机方式。

随着风电装机容量的进一步增大，水电与火电之间的矛盾势必会发展成水电、火电、风电三者之间的矛盾，尤其是水电与风电同为绿色环保能源，其中的取舍问题给发电方式的安排带来极大的困难。

2.4 对系统无功平衡的影响

风电场在正常运行时需要吸收大量的无功功率来建立旋转磁场，其无功功率需求一部分可通过自身的无功补偿设备来提供，另外相当一部分仍需通过主网来吸收。因此大规模风电场的集中运行，必将从电网中吸收大量的无功功率，进一步增加线路、变压器等设备的损耗，降低系统的无功储备度。一方面要求在风电场附近的厂站合理配备一定容量的无功功率补偿设备，另一方面则必须要提高风电机组以及系统的无功功率调节能力，从而增加了无功功率管理方面的难度。

2.5 对电能质量的影响

风电机组的运行会给系统带来一定的谐波影响。湖南境内风电机组多为双馈感应型和永磁同步型，均采用了整流和逆变装置等电力电子设备，机组投入运行后变频器都将始终处于工作状态，因此风电机组的并网运行可能会引起谐波注入问题。如果电力电子装置的切换频率恰好在产生谐波的范围内，则会导致比较严重的谐波问题〔3〕。

2.6 电网运行风险的增加

近年来，从其他省的运行经验来看，风电运行还是存在着一定的风险，国内先后发生了数起大规模风电脱网事故。根据国家电监会2011 年12 月初发布的《风电安全监管报告》，2010 年全国共发生80 起风电机组脱网事故，2011 年前8 个月发生脱网事故193 起。其中较为典型的是2011 年2 月24日，甘肃桥西第一风电场35 kV 开关间隔电缆终端单相故障发展为三相短路，造成598 台风电机组脱网，损失出力84.04 万kW，西北电网主网频率由50.03 Hz 降至49.85 Hz。

事故暴露出国内风电存在以下问题:

①部分早期投运的风电机组不具备低电压穿越能力，在电网出现故障导致系统电压降低时容易脱网;

②部分风电机组保护以及频率电压保护不满足系统安全运行要求，风电场单独故障不能快速切除，最终扩大为较大事故;

③风电设备制造市场竞争激烈，部分风电设备制造企业采用价格较低的替代部件，造成设备质量下降。

这些问题的存在，在风电建设环节以及运行环节均需提高警惕。

3 应对措施及建议

面对风电快速发展的现状，国家能源局及国网公司先后出台了一系列的技术规范如《风电功率预测及系统协调运行管理办法》、 《风电并网检测管理办法》、 《风电并网运行服务指南》等，有效地加强了对风电机组运行的安全管理。针对湖南电网的现状，建议以下几点:

1)加强对风电场的安全管理，避免出现大规模的风电脱网事故。主要做到以下几点:并网运行风电场要加强设备设施的运行维护，严格执行调度命令，及时准确向调度机构汇报机组运行情况;并网运行风电场应满足接入电力系统的技术规定，风电机组必须具备低电压穿越能力;并网运行风电场的无功容量配置和有关参数整定应满足系统电压调节需要，同时加强风电场二次系统监督管理，须按电网要求进行涉网保护定值整定;风电场建设单位要加强工程质量过程管理，严格落实工程质量检查、检测、控制和验收制度。

2)做好风电功率预测工作，合理安排水火电机组运行方式。尤其是在汛期，在保证火电最小开机方式的前提下，统筹考虑水电、火电、风电上网的相互影响，提前做好负荷预测与来水、来风预测工作，合理安排湖南电网月度发电计划与日发电计划。在负荷低谷以及调峰困难的其他时段，用好抽水蓄能电厂以及时消纳清洁能源电力，降低弃水、弃风的风险。

3)加强电网的建设。目前，湖南风电多集中于邵阳、郴州地区，受当地地理环境与经济水平等因素影响，所在地区电网相对比较薄弱，负荷就地消纳能力有限，对风电场功率外送及转移均有一定的影响。因此，在风电集中的地区，考虑加强对电网的建设，避免出现风电场弃风的情况。

4)加强调度监视。随着全国特高压电网的建设，局部电网对整个电网的影响也越来越大，在此种情况下，需要尽量控制湖南电网与华中电网联络线的负荷波动。因此，需要确保系统运行时正负旋转备用充足，以减少风电机组输出波动对系统的冲击，避免对特高压线路产生不利影响。

4 结束语

目前，风电作为一种新兴的清洁能源在湖南的发展越来越快，在电网装机容量中的比重持续上升，但与此同时也带来了一定的运行安全隐患。面对这种情况，需要电力部门既要借鉴已有的成熟经验，又要结合区域电网具体现状，制定适合本网特点的风电运行管理方案，从而继续保证电网的安全稳定运行。

〔1〕湖南省电力公司. 2013 年度湖南电网运行方式〔R〕. 2012.

〔2〕Vladislaw Akhmatov. 风力发电用感应发电机〔M〕. 北京:中国电力出版社，2009.

〔3〕白鸿斌，王瑞红. 风电场并网对电网电能质量的影响分析〔J〕. 电力系统及其自动化学报，2012，24 (1):120-124.