电网论坛 从欧美风电发展看我国风电基地建设
发布时间：2008-09-01
欧美国家电网对风电接入的要求
2007年底，全球风电装机达到9412万千瓦，其中欧洲总容量为5635万千瓦，美国为1682万千瓦。欧美国家大量开发风电的历史已近30年，之所以比较成功，第一是能源危机所迫，各国政府重视，制定了配套政策，特别是经济激励政策；第二是风电安装地点比较分散，单个风场容量不大（最大20万千瓦左右），大部分接入低压网络，加上欧美城市化比例高，各类用户用电量较大，风电就地消纳比较好；第三是电网联接紧密，电源分布比较合理，管理水平较高；第四是对风电特性研究比较深入，在风电功率预测、负荷跟踪、调度方式等方面有较先进的成果和经验。
目前，欧美国家不断提高风电注入电网的比例。欧洲风能协会提出，到2020年全欧风电装机达到1.8亿千瓦，占电网装机容量20%。美国也提出，到2030年全国风电装机达到电网装机的20%以上。实际上，对于风电的间隙性和随机性特点，欧美国家电网企业从抵制到接纳也经历了一个较长的过程。随着风电并网容量不断增大，各国电网企业都针对风电并网制定了技术要求，虽然技术指标各不相同，但总体上有五方面的重点内容。
一是强化风机的穿越故障能力（也称低电压过渡能力）。风机的穿越故障能力即在系统发生事故、电压水平降低的情况下，风电场依然能够联网运行，以保证系统的稳定。如德国最大的电力公司意昂电力公司规定，风电机应能承受的故障电压下降到零，持续时间150毫秒，电压恢复时间1500毫秒；北美电力可靠性委员会规定，对于装机2万千瓦以上的风电场，风机承受的故障电压为15%，持续时间625毫秒，恢复时间3000毫秒，同时准备提出更高的要求，即故障电压为零时持续时间167毫秒。
二是风机能够按照电网调度员的命令增加或减少发电出力，要求风电场出力变化速度低于一定限值，在极限风速条件下同一风场风机不能同时退出运行，以保证常规机组有足够反应时间。
三是为系统稳定提供无功功率支持，要求所有风机都能够发出或吸收无功功率，适应电网电压的变化。
四是能够响应系统频率变化自动调节功率输出，要求风电场实际出力水平下调一定百分点，以便于有一定有功备用参加一次调频。为防止突发的扰动，要求加强电网可调用储备容量，德国要求一级储备容量响应时间最高30秒；二级临时储备容量响应时间5分钟；分钟临时储备容量响应时间5～15分钟。
五是具备黑启动能力，一般要求大型风电场具备这一功能。
对我国建设千万千瓦级风电基地的思考
我国是能源资源缺乏的国家，大力发展可再生能源是必然趋势。我国对发展大型风电、太阳能和生物质能基地已有具体规划，而正在进行的甘肃酒泉千万千瓦级风电基地建设，无疑将成为大规模开发可再生能源的积极尝试。按照中国的资源禀赋特点、用电负荷特性和电网结构特征，我们不必刻意追求风电装机比例，而应着眼长远，从实际出发，扎实做好基础工作。
加强风电功率预测，建立完善的调度管理体系。风力和风电功率预测是非常关键的工作，目前国内外都有一些风电功率预测模型和方法，但对于千万千瓦级风电基地的风力预测，所选方法必须能够真正指导电网运行，结合预测理论和方法，乃至利用全国和全球的数据来支撑预测精度。发电商应同步开展风电功率预测，做到数据共享，共同保证电网安全稳定运行和发电商的利益。
同时，大量间隙性和随机性风电负荷注入电网，电网的调度管理将面临新的挑战。过去按照用电负荷来平衡发电出力的模式，将转变为既考虑用电负荷的变化，又考虑风力发电负荷变化来平衡，即在两个变量中找平衡点，也可以把风电看成“负的负荷”，但合成总负荷特性更为复杂，特别是在风电注入比例较大时。这就要求调度人员必须做更为细致的工作，对各类电源出力安排、备用安排精确到分钟级乃至秒级，并准备多项应急预案，尽最大努力消除风电的不确定性对电网的影响。
规划建设调峰火电机组，实现风火电外送。技术人员根据甘肃目前测风数据分析，以2010年规划500万千瓦风电装机水平，风电功率波动可达到300万千瓦。从理论上讲，如果用火电机组来调峰，则需要600万千瓦以上的火电装机。实际上，电网备用容量的安排，前提是精确风电功率预测，其次是结合用电负荷和电网结构电源分布来调整备用组合。按照国外的理论和实践，电网备用容量降低的潜力是可以挖掘的。这样可以设想结合西北能源外送规划，考虑风电、火电“打捆”外送。“十二五”期间，我国“三华”联网后“三华”网内总装机容量将超过4亿千瓦。如果“十一五”期间甘肃风电尽量在西北电网消纳，“十二五”及以后在“三华”落地，即可较好地解决甘肃千万千瓦级风电基地的电力电量消纳问题。
建设坚强电网，提升技术水平。甘肃地形狭长，地域环境复杂，电网结构非常特殊，加之风电接入区域属甘肃电网末端，远离负荷中心。大规模风电集中接入在理论上正在研究，在实践上将面临未曾遇到的技术难题，其中最为重要的是系统稳定。如果能够解决这些问题，将会对落实国家能源战略、推动西北区域经济发展起到积极作用。我们需要按照更高的标准、更高的质量建设风电基地配套电网工程，实现风电基地建设和电网建设的相互支撑。在具体措施上，应抓好四个方面的工作：一是提高设备可靠性，尽最大可能降低事故发生机率；二是提高风机制造水平，满足电网接入要求；三是采用可控高抗、可控串补、静止无功补偿装置等新技术，其中750千伏可控高抗的研发既是重点、又是难点，应加快工作进度；四是加强系统稳定措施，安装可靠的稳控设备，防范在突发严重故障时，保证电网安全，使损失影响最小。
进一步研究风电发展的管理机制。目前，国家出台了风电配套加价政策，按照当前甘肃的电价水平，对于500万千瓦风电装机，当风电电量为100亿千瓦时时，需要发电补贴约28亿元，相应接网工程补贴约3亿元，这将占全国可支配数额较大比例。若考虑全国情况，按照目前的加价水平，到“十一五”末补偿费用可能发生赤字。所以，应进一步研究促进风电发展的金融、财税政策，比如增加收费比例、减少发电及电网企业投资贷款的利率和延长还贷期等。另外，火电、水电机组参与风电调节，将导致成本增加，应考虑制定辅助服务费补偿标准和实施办法。
在技术层面，鉴于目前我国电网的特点，应修订和完善我国风电场并网技术要求。如为了保证长距离电网通道输送较稳定的功率，减少故障风险，应对风电场实施发电曲线控制，以使风场发电功率波动控制在一定的范围内，这样虽然会降低一些风电场利用小时数，但可以对电网安全起到积极作用。■
（作者系甘肃省电力公司副总经理）
2007年底，全球风电装机达到9412万千瓦，其中欧洲总容量为5635万千瓦，美国为1682万千瓦。欧美国家大量开发风电的历史已近30年，之所以比较成功，第一是能源危机所迫，各国政府重视，制定了配套政策，特别是经济激励政策；第二是风电安装地点比较分散，单个风场容量不大（最大20万千瓦左右），大部分接入低压网络，加上欧美城市化比例高，各类用户用电量较大，风电就地消纳比较好；第三是电网联接紧密，电源分布比较合理，管理水平较高；第四是对风电特性研究比较深入，在风电功率预测、负荷跟踪、调度方式等方面有较先进的成果和经验。
目前，欧美国家不断提高风电注入电网的比例。欧洲风能协会提出，到2020年全欧风电装机达到1.8亿千瓦，占电网装机容量20%。美国也提出，到2030年全国风电装机达到电网装机的20%以上。实际上，对于风电的间隙性和随机性特点，欧美国家电网企业从抵制到接纳也经历了一个较长的过程。随着风电并网容量不断增大，各国电网企业都针对风电并网制定了技术要求，虽然技术指标各不相同，但总体上有五方面的重点内容。
一是强化风机的穿越故障能力（也称低电压过渡能力）。风机的穿越故障能力即在系统发生事故、电压水平降低的情况下，风电场依然能够联网运行，以保证系统的稳定。如德国最大的电力公司意昂电力公司规定，风电机应能承受的故障电压下降到零，持续时间150毫秒，电压恢复时间1500毫秒；北美电力可靠性委员会规定，对于装机2万千瓦以上的风电场，风机承受的故障电压为15%，持续时间625毫秒，恢复时间3000毫秒，同时准备提出更高的要求，即故障电压为零时持续时间167毫秒。
二是风机能够按照电网调度员的命令增加或减少发电出力，要求风电场出力变化速度低于一定限值，在极限风速条件下同一风场风机不能同时退出运行，以保证常规机组有足够反应时间。
三是为系统稳定提供无功功率支持，要求所有风机都能够发出或吸收无功功率，适应电网电压的变化。
四是能够响应系统频率变化自动调节功率输出，要求风电场实际出力水平下调一定百分点，以便于有一定有功备用参加一次调频。为防止突发的扰动，要求加强电网可调用储备容量，德国要求一级储备容量响应时间最高30秒；二级临时储备容量响应时间5分钟；分钟临时储备容量响应时间5～15分钟。
五是具备黑启动能力，一般要求大型风电场具备这一功能。
对我国建设千万千瓦级风电基地的思考
我国是能源资源缺乏的国家，大力发展可再生能源是必然趋势。我国对发展大型风电、太阳能和生物质能基地已有具体规划，而正在进行的甘肃酒泉千万千瓦级风电基地建设，无疑将成为大规模开发可再生能源的积极尝试。按照中国的资源禀赋特点、用电负荷特性和电网结构特征，我们不必刻意追求风电装机比例，而应着眼长远，从实际出发，扎实做好基础工作。
加强风电功率预测，建立完善的调度管理体系。风力和风电功率预测是非常关键的工作，目前国内外都有一些风电功率预测模型和方法，但对于千万千瓦级风电基地的风力预测，所选方法必须能够真正指导电网运行，结合预测理论和方法，乃至利用全国和全球的数据来支撑预测精度。发电商应同步开展风电功率预测，做到数据共享，共同保证电网安全稳定运行和发电商的利益。
同时，大量间隙性和随机性风电负荷注入电网，电网的调度管理将面临新的挑战。过去按照用电负荷来平衡发电出力的模式，将转变为既考虑用电负荷的变化，又考虑风力发电负荷变化来平衡，即在两个变量中找平衡点，也可以把风电看成“负的负荷”，但合成总负荷特性更为复杂，特别是在风电注入比例较大时。这就要求调度人员必须做更为细致的工作，对各类电源出力安排、备用安排精确到分钟级乃至秒级，并准备多项应急预案，尽最大努力消除风电的不确定性对电网的影响。
规划建设调峰火电机组，实现风火电外送。技术人员根据甘肃目前测风数据分析，以2010年规划500万千瓦风电装机水平，风电功率波动可达到300万千瓦。从理论上讲，如果用火电机组来调峰，则需要600万千瓦以上的火电装机。实际上，电网备用容量的安排，前提是精确风电功率预测，其次是结合用电负荷和电网结构电源分布来调整备用组合。按照国外的理论和实践，电网备用容量降低的潜力是可以挖掘的。这样可以设想结合西北能源外送规划，考虑风电、火电“打捆”外送。“十二五”期间，我国“三华”联网后“三华”网内总装机容量将超过4亿千瓦。如果“十一五”期间甘肃风电尽量在西北电网消纳，“十二五”及以后在“三华”落地，即可较好地解决甘肃千万千瓦级风电基地的电力电量消纳问题。
建设坚强电网，提升技术水平。甘肃地形狭长，地域环境复杂，电网结构非常特殊，加之风电接入区域属甘肃电网末端，远离负荷中心。大规模风电集中接入在理论上正在研究，在实践上将面临未曾遇到的技术难题，其中最为重要的是系统稳定。如果能够解决这些问题，将会对落实国家能源战略、推动西北区域经济发展起到积极作用。我们需要按照更高的标准、更高的质量建设风电基地配套电网工程，实现风电基地建设和电网建设的相互支撑。在具体措施上，应抓好四个方面的工作：一是提高设备可靠性，尽最大可能降低事故发生机率；二是提高风机制造水平，满足电网接入要求；三是采用可控高抗、可控串补、静止无功补偿装置等新技术，其中750千伏可控高抗的研发既是重点、又是难点，应加快工作进度；四是加强系统稳定措施，安装可靠的稳控设备，防范在突发严重故障时，保证电网安全，使损失影响最小。
进一步研究风电发展的管理机制。目前，国家出台了风电配套加价政策，按照当前甘肃的电价水平，对于500万千瓦风电装机，当风电电量为100亿千瓦时时，需要发电补贴约28亿元，相应接网工程补贴约3亿元，这将占全国可支配数额较大比例。若考虑全国情况，按照目前的加价水平，到“十一五”末补偿费用可能发生赤字。所以，应进一步研究促进风电发展的金融、财税政策，比如增加收费比例、减少发电及电网企业投资贷款的利率和延长还贷期等。另外，火电、水电机组参与风电调节，将导致成本增加，应考虑制定辅助服务费补偿标准和实施办法。
在技术层面，鉴于目前我国电网的特点，应修订和完善我国风电场并网技术要求。如为了保证长距离电网通道输送较稳定的功率，减少故障风险，应对风电场实施发电曲线控制，以使风场发电功率波动控制在一定的范围内，这样虽然会降低一些风电场利用小时数，但可以对电网安全起到积极作用。■
（作者系甘肃省电力公司副总经理）
