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湖南风电并网管理体系构建分析

作者:未知

  摘要:湖南省发电过程的部分用煤,全部用油、气均需从外省引入,能源资源紧张。目前湖南风电项目的核准与建设周期短,配套电网送出工程无论是核准还是建设进度都难以与风电场建设保持一致。从调峰电源建设、风电机组并网门槛、电网结构、风功率预测系统以及风电行业协调沟通机制等五个方面对湖南省境内风电建设与并网管理体系构建进行探讨,提出了湖南风电并网问题的综合解决方案,以促进“十三五”期间湖南风电安全、高效、优质发展转型。
  关键词:能源结构;风电;电网结构;发展转型;调峰电源
  中图分类号:TK89;TM732文献标志码:A
  截至2015年底,我国(不包括台湾地区)风电机组累计装机容量达到1.29亿kW,居世界第一位。落实国家大气污染防治行动计划与全球能源互联网战略部署,优化能源结构,在能源开发层面以清洁能源替代化石能源,要求我们走低碳绿色发展这一必由之路。截至2014年底,包括“十二五”期间核准的40个风电项目,国家能源局核准的湖南风电项目累计79个;2015年新核准的“十二五”第五批湖南风电项目共计35个,总计装机容量5800MW。湖南风电大多集中在湘南地区(郴州、永州、邵阳),绝大多数为分散接入电网的山地式风电。
  湖南风电项目核准与建设周期短,配套送出工程无论是核准还是建设进度都难以与风电场建设保持一致。此外,在省内负荷未明显增长时,将大容量风电接入湖南电网会给电网调峰带来较大困难。再者,风电并入地区配电网会给电网运行带来一定压力,例如風电并网系统发生短路故障会引起风电场内的电压跌落,如果所采用的风电机组不具备低电压穿越能力则会有大量风电机组脱网的风险;风电场周边的电压常出现一定程度的波动,风电的间歇性导致风电输出功率的波动,都将给电网安全稳定运行带来新的问题。
  湖南风电项目无论在建设还是并网技术管理方面均起步较慢,且要满足经济社会快速发展对能源电力和电能质量的要求。本文对湖南省内风电建设与并网技术管理体系构建进行分析,旨在逐步完善风电并网标准化体系,以便在“十三五”期间加快湖南风电安全、高效、优质发展转型。
  1我国风电发展现状概述
  化石能源的开发利用推动了近代工业的建立与发展,但其大规模开发利用使得资源紧张、环境污染以及气候变化等矛盾日益突出。
  近年来,以清洁低碳为主要特征的新一轮能源变革蓬勃兴起,清洁发展大势所趋。2015年,我国清洁能源产业持续快速增长,风电、太阳能发电新增装机容量均创新高,风电装机容量连续四年为世界第一,太阳能发电装机容量首次跃居世界第一。能源开发实施清洁替代,为我国能源结构的优化和绿色发展转型发挥了显著作用。
  以风电为首的清洁能源项目建设方心未艾。在经济增长乏力的背景下,加快推进风电产业快速建设,能够促进地方经济发展。但是风电产业井喷式大发展使得全国“弃风”现象较为严重,风电消纳成为首要难题;同时,风电机组技术性能和风能间歇性等特点,也将给电网安全稳定运行带来新的挑战。因此,加快推进风电与并网管理体系的构建势在必行。
  2湖南风电并网安全稳定性分析及并网技术管理规范
  并网风电场对电力系统稳定运行的影响主要包括:①当电网或风电场内部发生故障时并网风电系统及站内有一定的电压跌落,当电网暂态故障切除后风电场的无功补偿装置无法立即进行自动无功/电压调整,使得不具备低电压穿越能力的风电机组脱网,从而影响地区电网系统的频率以及电压稳定性;②大规模风电场并网产生的冲击电流将造成地区电网电压骤降;③风电场内风速的频繁变化引起风电场有功出力的变化及附近电网电压波动。此外,大规模并网风电将给局部电网电能质量带来一定影响,主要有:①并网启动冲击电流、风速变化以及风电机组塔影效应等带来的电压闪变;②风力发电机组配备的大量电力电子装备带来的谐波污染;③风电机组的并联补偿电容器和线路电抗发生谐振隐患。
  为避免大规模风电集中接入影响电网安全稳定性,并满足电网对风电的有功调度、无功控制以及电能质量的要求。根据相关文件,新建风电场必须完成技术层面的风电场并网检测工作。
  湖南并网风电场的检测工作主要包括:①风电场电能质量检测;②风电场有功/无功功率控制能力检测;③风电场动态无功补偿装置性能检测;④风电场并网性能评价;⑤其他并网测试项目(安全运行)。
  3湖南风电并网管理体系构建的必要性
  2015年湖南电网最大峰谷差已达1201.6万kW,同比增长5.0%,平均峰谷差899万kW,同比增长41.8%,电网调峰愈加困难。在全省用电负荷未明显增长,电网调峰问题愈发突出,尤其在省内水电大规模发电时期,风电面临弃风的困境。
  湖南风电事业起步较晚,风电行业科研较薄弱。风电等新能源投资规划仍处于无序状态,电网发展明显滞后于风电行业发展速度。风电场早于送出通道投产,存在弃风限电等矛盾,如郴州地区(后龙、水源、仰天湖)和邵阳地区(金紫山、寨子背)风电场消纳问题最为突出。
  风电比例较高的美国、丹麦和德国等发达国家高度重视风电能源并网管理工作。针对湖南风电资源无序并网的现状,须建立风电并网管理工作机制,优化风电并网管理工作流程,健全风电并网管理体系,最终实现对风电资源全过程高效管控。
  4风电工程开发与电网管理体系构建
  从早期的普通异步风电机组、双馈风电机组,到目前较为普遍的直驱式风电机组,风电设备在不断被改良中。新投产的风力发电机基本可以实现低电压穿越能力,不会轻易脱网。目前风电产业高速发展的主要矛盾并非风电机组等技术类层面,更多源于风电并网管理体系的健全性。
  传统化石能源从开发到成为电能包含能源规划、电厂建设、电厂并网、厂网系统运行和电能消纳五个环节。国外风电有序并网管理体系一般由组织机制、运行管理机制、协调机制、激励机制,保障机制等五个部分组成。   考虑到湖南风资源开发利用管理体系不完善这一现状,结合电网运行管理实际,本文从风电工程规划启动阶段、风电工程并网运行阶段两个层面对风电工程并网管理体系进行讨论。
  4.1风电工程规划启动阶段
  4.1.1协调风电、火电以及调峰电源的建设
  风电功率出力波动性使得“风电装机、出力容量可信度”并不高。北欧各国等风电技术较发達地区风电容量可信度因子一般在25%左右。目前湖南省内风电装机容量不断跃升,可信度因子不高。为适应风电并网后功率的陡增、骤降,要在电网中预留足够的旋转备用电量维持主网实时功率平衡。因此,在大型风电场规划设计阶段,优良的电源结构极其重要。要协调考虑风电与常规电源以及调峰电源的优化配置、配比。
  4.1.2严控并网风电机组技术准入门槛
  近年来国内外风电机组的研发得到了长足发展。通过配置变速运行系统、桨距角控制系统以及先进的变频器控制系统,现代化设计的风电场可实现风电有功、无功功率的独立动态控制。因此,加大新建风电场投资力度,鼓励新型风电机组研发,严格管控风电并网检测五项标准,力求风电能源基本具备常规火电能源的特性,可很大程度上缓解风电给电网运行带来的安全隐患。
  4.1.3有序规划坚强的电网结构
  风电资源的消纳一般分为就地消纳和远方负荷中心消纳。我国风资源较富余的“三北”地区,更多地依托特高压跨区互联电网对风电资源进行拓展消纳。湖南省内缺煤少油,一次能源缺乏,水电开发基本已达瓶颈,风电消纳以就地消纳为主。
  目前在政策层面多侧重于对风电电源开发的激励而忽略了配套电网工程的建设以及风电消纳市场等一系列问题。目前湖南风电电源建设与电网建设存在严重速度差异。
  应提前规划配套电网建设,并将风电场所在地区枢纽变电站通过220kV及以上跨区联络线与周边主电网进行互联,使风电消纳得到全省电网的有力支撑。因此,要满足湖南省内风电安全并网开发,电网应具备坚强的网架结构、强大的功率输送能力和先进的风电功率控制技术。
  4.2风电工程并网运行阶段
  4.2.1建立高精度风电功率预测系统
  要深入贯彻落实绿色发展思路,必须完善新能源优先调度机制,建立优化电网运行方式,积极拓展新能源消纳空间。
  波动的风能大规模并入电网给电力系统调度提出了更高要求。为了保证风电并网系统的安全可靠,一些发达国家甚至建立了专业的风电调控机构,以便和常规能源的调控机构同步监控。 从湖南实际情况出发,风电场应建立风电功率预测系统和信息监测系统,向省级调控中心实时提交风电功率预测信息。优化新投产风电场电源结构,灵活配置一定规模的调峰电源,保证调峰电源与波动的风电协调发展,确保运行过程的安全,使风电场满足“可控、能控、在控”的要求,真正成为电网友好型绿色能源。
  4.2.2建立风电并网系统各方协调沟通机制
  为保证并网风电场动态稳定性,满足电能质量以及供电可靠性要求,采取的常见技术措施是给风电场配备一定无功补偿装置。因此风能不断开发将导致配套电网建设成本的攀升。
  国家大力实施的风电补贴政策主要侧重在风电场建设方面,忽略了电网相关的公用设备相关补贴。因此,要科学管控风电项目,规范风电环评、用地审批,重点支持电网友好型、高技术型风电产业的发展。在此基础上建立风电设计规划部门、风电企业和电网公司三者之间的常态沟通机制,在风电上网电价、并网公用设备成本分摊以及配套电网建设补贴三者之间协调平衡。激励电网企业加快推进清洁能源消纳平台的建设,促进清洁能源有效开发利用与有效配置。
  5结论
  为保障能源安全、清洁、可持续发展,基于国家能源局“十三五”能源电力规划总体部署并结合湖南省能源电力发展现状,从风电工程规划启动阶段和风电工程并网运行阶段对湖南省内风电建设与并网技术管理体系构建进行了探讨,提出了湖南风电并网问题的综合解决方案。
  在风电并网技术管理层面提出要建立风电并网检测的标准化规范,保证并网的风电、地区电网系统安全稳定运行;在风电工程开发消纳与电网管理层面提出要建立风电功率预测、监控系统。
  本研究对电网友好型风电产业大规模开发和消纳平台的建设,并网风电系统的安全稳定运行具有参考意义,对继续推动新能源标准体系的建设、有序发展具有一定的借鉴作用。
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