隨筆之九-新能源併網

02-03

又過了好久才動筆總結，因為這些東西既是分享，更是對自己的總結積累，如果時間條件不滿足，不是很想濫造。

新能源併網，是一個比較敏感的問題，也是一個平時電力系統設計的時候經常遇到的問題，小到一個單體工程的接入系統，大到一個區域的新能源的電網消納，都是有很多注意的地方。

現在從事新能源的也越來越多了，這裡只是總結和電力系統關聯的併網部分，新能源本體部分涉及的比較少。

一、新能源併網對電網的影響

新能源其實是包含很多東西的，這裡主要討論風電、光伏和分散式電源，當然分散式電源可能有些包含小型光伏等，理解意思即可。

涉及對電網的影響，其實主要分為兩塊，一是風電這種接入主網的新能源，二是分散式電源這種接入配網的新能源，兩者的影響內容是不一樣的。

1）接入主網的新能源，以風電為例，主要有以下影響：

增大調峰、調頻難度：風電隨機性強、間歇性明顯。波動幅度大，波動頻率無規律性。風電的反調峰特性增加了電網調峰的難度。據東北、蒙西和吉林電網統計結果，風電反調峰概率分別為60%、57%和56%。吉林電網由於風電接入，一年期間峰谷差變大的時間達到210天。由於調峰容量不足，吉林、蒙西電網都出現了低負荷時段棄風的情況。下圖為風電出力與電網負荷表現出較強的反調節特性。（華北電網張家口地區）

加大電網電壓控制難度：風電場運行過度依賴系統無功補償，限制了電網運行的靈活性。據統計，受風電影響：蒙西電網錫盟灰騰梁風電基地沿線變電站220千伏母線電壓全年維持在額定電壓的1.1倍；蒙西塔拉地區500千伏無功補償設備停運時，220千伏系統電壓最高升至257千伏。
局部電網接入能力不足：風電場大多處於電網末梢，大規模接入後，風電大發期大量上網，電網輸送潮流加大，重載運行線路增多，熱穩定問題逐漸突出。甘肅酒泉地區2007年以來風電、小水電快速發展，送出矛盾加劇，儘管採用過負荷切機以及變電站分裂運行等措施來提高輸送能力，但風場棄風問題仍然長期存在。
增加電網穩定風險：風電的間歇性，隨機性增加了電網穩定運行的潛在風險。一是風電引發的潮流多變，增加了有穩定限制的送電斷面的運行控制難度；二是風電發電成分增加，導致在相同的負荷水平下，系統的慣量下降，影響電網動態穩定；三是風電機組在系統故障後可能無法重新建立機端電壓，失去穩定，從而引起地區電網的電壓穩定破壞。

2）接入配網的新能源，以分散式電源為例，主要有以下影響：

保護問題：潮流的改變，一會導致本線路保護的靈敏度降低及拒動；二會導致本線路保護誤動；三會導致相鄰線路的瞬時速斷保護誤動並失去選擇性；四回導致重合閘不成功。
應對措施n：一是限制分散式電源的併網容量；二是增加分散式電源隔離變壓器阻抗；三是分散式電源出口增設方向功率保護；其中最關鍵一點在於分散式電源併網之前，要在充分調查發電設備阻抗的基礎上，計算分散式電源可能帶來的短路電流的增加，以確定分散式電源的併網容量。
電壓問題：一是分散式電源啟停的影響，二是分散式電源供電間歇性的影響。
應對措施n：一是從電壓支撐角度，分散式電源有明顯積極作用。這取決合理選擇接入地點、合理選取容量並適當調度；二是正常情況下，分散式電源應多發有功少發無功，保持高功率因素運行；減少線路電壓對分散式發電依賴；三是在分散式電源接入地點，應安裝適當無功電壓支撐設備，在分散式電源退出運行時投運。
電能質量問題：分散式發電通過電力電子逆變器併網，易產生諧波、三相電壓/電流不平衡；輸出功率隨機性易造成電網電壓波動、閃變；分散式電源直接在用戶側接入電網，電能質量問題直接影響用戶的電器設備安全。

應對措施：一是分散式電源與直流注入問題，併網模式下，通過分散式電源控制功能，較大容量的逆變型分散式電源機組出口處設置隔離變壓器。二是電壓不平衡問題，對於採用單相併網的分散式電源機組，可以將其接入到帶負荷較多的一相，從而減少電壓的不平衡度。

接入配網的影響，其實還有很多：短路電流問題，通信計量問題，孤島問題等，但根本在於：分散式電源接入配網，潮流分布改變，配電系統從放射狀變為多電源結構。

二、新能源併網的技術要求

這塊的東西比較規程化，對照最新的規程簡單的總結一下，內容比較多，只列框架。

1）風電

《風電場接入電力系統技術規定》2012年版。

主要是以下部分：

2）光伏

《光伏電站接入電網技術規定》2011年版

3）分散式電源

《國家電網分散式能源接入系統技術規定》2010年版

其實，裡面很多相似的東西，對照規程看幾遍就可以了。

三、新能源併網關鍵問題（摘自我做的PPT）

1）風電

風電接入規模問題

基於大規模風電的電源規劃問題

系統友好型風電場

風電與電網協調發展的運行管理策略

2）光伏

併網逆變器控制n——最大限度提取電能

接入主網和接入配網n——接入電網的安全穩定問題

逆功率問題n——自發自用，多餘上網

光伏併網檢測技術n——併網標準和併網技術

3）分散式電源

這塊在前面已經提過（接入配網帶來的問題裡面），都是需要解決的關鍵問題。

四、大規模新能源消納能力分析

很多人都知道，新能源消納能力是影響新能源開發的一個關鍵制約，所以這裡並不想深入的舉例分析這種現象，而是總結下消納能力分析的一些要素，也是實際工程裡面用得到的。

1) 以風電為例，首先是影響消納能力的要素：

系統調節能力：風能具有問歇性、波動性、隨機性的特點。此外，從風電的年出力特性看，中國大部分地區的風電出力呈現春季、冬季較大，夏季、秋季較小的特點;而從日出力特性看，中國風電出力多數是在白天負荷高峰時段較小，後半夜負荷低谷時段較大，呈現明顯的反調峰特性。風電的大規模接入給電力系統的調頻調峰帶來了嚴峻的挑戰。

因此，良好的電源結構和充足的備用容量是風電消納的基礎，風電開發客觀上需要一定規模的靈活調節電源與之相匹配。歐美等國家在大力發展風電的同時，注重配套抽水蓄能、燃油燃氣等靈活調節電源的建設。美國、西班牙、德國靈活調節電源的比例分別達到了48.4%,36.4%以及22. 8%。充足的調節能力是這些國家風電開發和消納的力保障。調峰能力不足己成為制約中國風電消納的主要因素之一。

電網輸電能力：風電的隨機性和問歇性特點使得大規模風電併網後，系統對備用容量的需求大幅增加。通過提高電網輸電能力，可以擴大風電平衡區域範圍，充分利用系統備用容量，並可根據不同地區負荷峰谷的時間差消除風電出力波動性對系統的影響，提高風電併網消納規模。

中國風電富集的東北、華北、西北等地區，大部分省區系統規模較小，負荷水平較低，網架結構相對薄弱，限制了風電消納範圍。東北電網雖然區域內聯繫較強，但黑龍江、吉林、遼寧以及蒙東地區均為風能資源豐富地區，風電裝機規模較高、電源結構相近、調峰能力不足、區域內相互調劑能力有限，需要進一步擴大消納範圍;處於華北的蒙西電網與相鄰的京津唐電網之問僅有4 GW的電力交換能力，且河北北部也是國家規劃的千萬千瓦級風電基地，在現有通道上加大蒙西電網的風電送出規模會擠占河北風電的消納空問;西北的甘肅酒泉、新疆哈密是規劃的千萬千瓦級風電基地，但由於本地負荷小，距離負荷中心較遠，即使利用己建成的750 kV輸電通道，仍然不能滿足千萬千瓦級風電基地電力電量消納的需求。在電源結構、系統調峰能力短期內難以解決的情況下，跨省跨區的電網輸電能力，己成為中國風電消納的最主要制約因素。

風電併網技術性能：能否保證風電大規模接入後不降低系統的安全穩定水平，是影響風電有效消納的重要因素。為保證系統安全穩定運行，丹麥、德國、愛爾蘭、英國等國家在2002年左右就己建立了完備的風電併網標準體系，對風電併網運行提出了詳細的技術要求，如有功和無功運行範圍、控制能力、低電壓穿越能力、信息監控等。德國最新的併網標準更是提出了零電壓穿越的要求，要求風電場、光伏電站在電網電壓跌落到。的時候，仍能併網運行150 ms。在併網標準約束下，製造企業不斷提高風電設備併網運行的技術水平，減少大規模風電對電網的衝擊。

中國風電發展起步相對較晚，也沒有強制性的風電併網技術標準。大部分設備製造企業依靠引進國外設計圖紙生產組裝風電機組，自主研發能力不足，己併網的風電機組有部分不具備有功、無功調節功能和低電壓穿越能力（目前併網的都滿足），風電場自動化水平較低，給電力系統安全穩定帶來了隱患。甘肅千萬千瓦級風電基地一期5GW風電場建成以來，由於不具備低電壓穿越能力，多次發生風電大發期間風電場局部故障導致大規模風電機組脫網事故，給電力系統的安全穩定運行帶來了嚴重影響。

風電調度運行水平：做好風電的調度管理，合理安排系統中其他電源的運行模式，是實現風電電量最大化消納的關鍵。而建立完善的風電運行監測體系和風電功率預測預報機制，是實現風電優化調度的前提條件。

從功率預測系統覆蓋範圍的角度而言，中國則與國外風電發達國家存在明顯差距。一般地，電網調度部門和風電場端都應該安裝滿足精度要求的風電功率預測系統，中國風資源豐富的省級電網均安裝了風電功率預測系統，可根據預測信息進行-定程度上的優化調度。但絕大多數風電場還沒有配置風電功率預測系統，也不具備風電發電計划上報和執行功能（目前併網的已做要求），不利於系統的優化調度，也影響了風電的消納。

2) 其次是風電消納能力的分析方法：

在計算風電消納能力時，需首進行調峰能力計算，得出考慮系統調峰能力約束的風電接納能力範圍；
然後計算地區風電場穿透功率極限用以表徵風電送出問題；
最後對風電場併網後的電網進行穩定性分析。

綜合以上三方面的分析，得出電網風電接納能力的，這三點其實也是比較好理解。

調峰能力計算：對於電網而言，風電的出力波動更像一個負的負荷擾動。因此，電網中常規電源不僅需要為負荷波動留出足夠備用，當有大量風電注入電網後，還需要考慮為風電場留出一定備用以平衡風電場出力的變化。在風電場出力產生較大波動時，需調度電網內其他電廠改變出力水平以平衡風電出力的變化。特別是在負荷較低時，常規電廠機組已經調到較低出力，如果此時風電場出力大幅增加，那麼常規機組能否進一步壓出力讓風電來帶負荷決定了電網接納風電的能力，也就是說常規機組在低谷負荷時的調峰能力是限制電網接納風電能力的關鍵條件。這裡面有公式計算，可以找論文細看，很多論文裡面都有。

風電場穿透功率極限：風電場穿透功率極限是表徵一個給定規模的電網最大可以承受的風電功率。目前，多以風電場穿透功率極限來描述系統風電接入容量極限。關於風電場穿透功率極限的定義有多種形式，但考慮到我國的實際情況，將其定義為系統能夠接受的最大風電場裝機容量和系統最大負荷的比值。

這個指標和系統的備用容量、風電場的併網性能、電網的短路容量和輸送能力、電網調度方式都有關係，一般的計算方法有動態模擬法，數學優化法，頻率約束法等。這塊一般採用數學優化法比較多。

接入後的穩定分析：風電場在短時間內完全切除是大規模風電接入給電網帶來的最嚴重的擾動，在這種情況下極可能發生系統頻率和電壓的同時失穩；風速的大幅波動會造成風電場出力的大幅度波動，從而惡化系統的調峰調頻性能；線路短路故障會影響風電機組的暫態調節性能，故障切除後風電場的恢復速度影響風電場的出力。為此，工程中多數考慮風電場切機、風電場陣風擾動和線路短路故障下相關母線和電站的暫態穩定性。下圖為風場切機後相關電站的頻率情況。

總結大概就這麼多吧，很多東西新能源專業的人員寫可能會更好些。