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深入探討風電大基地并網消納問題

“隨著我國新能源的快速發展,其對電網安全穩定的影響日益突出,必須引起我們高度重視。”國家電網調度控制中心教授級高級工程師裴哲義呼吁。時隔十年,大基地再次成為中國風電產業發展的焦點。在開發建設過程中,當千萬千瓦級基地風電大規模并入電網,并網點的電壓穩定、頻率穩定對電網安全至關重要。如何安全穩定的接入電網,對開發企業、整機商和電網將是一個巨大的考驗。

2020年5月16日,「麒麟學院」在線舉辦“大基地時代——決戰風電并網”思辯會。裴哲義與中國電科院電力系統所發電控制與電網工程實驗室主任李文鋒,清華大學電機系教授、博導謝小榮,華能集團新能源事業部技術管理處處長李國慶,金風科技電網技術總工程師喬元等多位電力并網專家同臺論道,共同探討大基地時代如何決戰風電并網。以下是嘉賓精彩觀點摘要:

切實重視特高壓輸電條件下風電并網的有關技術問題

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國家電網調度控制中心教授級高級工程師 裴哲義

中國能源生產和消費呈逆向分布,大規模風電基地等一次能源集中在西部,而用電負荷集中在中東部,客觀上需要長距離大功率遠送才能把西部豐富的綠色風電送到中東部的負荷中心,特高壓直流輸電作為一種有效手段應運而生,在全國范圍內實現了能源資源的優化配置。但特高壓直流輸電自有的技術特性也給新能源并網提出了新的要求。

風電涉網可能引發一些問題。例如,新能源機組電網適應性不足,不具備高電壓穿越能力,因而存在大規模脫網的風險;新能源高占比下系統頻率和電壓調節能力持續下降;多電力電子設備交互作用復雜,振蕩問題凸顯;風電頻率耐受及調節能力不足。這些都將成為未來大規模風電基地并入電網時的潛在風險點。

2020年將發布新版《風電場接入電力系統技術規定》。根據新修訂的標準(征求意見稿),新能源的故障穿越包括低電壓穿越和高電壓穿越,其中低電壓要求為0.2pu,高電壓要求為1.3pu;新能源的頻率適應性范圍為48-51.5Hz;新能源可以通過控制去實現慣量響應和一次調頻特性;根據實際電網需要開展風電場并網次/超同步振蕩分析及防控措施專題研究。

為了維護電網安全穩定,建議做好以下幾項主要工作:一是要落實《電力系統安全穩定導則》相關要求,不符合強制性標準要求的,依法承擔民事或刑事責任;二是加快《風電場接入電力系統技術規定(GB/T 19963-2011)》等國家和行業標準的修訂工作,指導和促進行業健康發展;三是加快完成存量風電涉網性能整改工作;四是配套開展無功補償裝置改造;五是不斷提高裝備制造水平。

未來我們面對的一個很大挑戰就是調節能力。風電和光伏都是波動性能源,它需要調節電源,其中儲能是一個很好的選擇。具體到一個電網需要配多少儲能,怎么配儲能,這與當地的電網情況和配儲能的功能有關,需要進行論證。但未來新能源場站配置儲能,應該是一個方向。

大基地風電并網必須關注慣量、電壓、頻率和阻尼控制,才能滿足電網電壓穩定要求

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中國電科院電力系統所發電控制與電網工程實驗室主任 李文鋒

新能源發電正加速由輔助電源向主力電源轉變。隨著新能源裝機占比不斷提高,以同步機為主導的網源協調特性逐漸向電力電子化特性方向演變。

同時,伴隨特高壓交直流快速發展,特別是特高壓直流輸電規模的階躍式提升,系統強直弱交矛盾突出,擾動能量沖擊增大,影響范圍廣,呈現全網一體化特征。

隨著電源和電網結構的變化,電力系統的慣量、電壓、頻率、阻尼控制等基本特性發生了深刻的變化,在特性認知、穩定控制、安全防御等方面,需要在標準上提出新要求,在工程上提出新措施。

就技術要求而言,新能源場站的電壓和頻率耐受能力原則上與同步發電機組的電壓和頻率耐受能力一致;含新能源場站應具備一次調頻、快速調壓、調峰能力,且應滿足相關標準要求;電力系統應具備基本的慣量和短路容量支持能力,在新能源并網發電比重較高的地區,新能源場站應提供必要慣量與短路容量支撐;接入35kV以上電壓等級的分布式電源應具備一次調頻、快速調壓、調峰能力,其電壓和頻率耐受能力原則上與同步發電機組的電壓和頻率耐受能力一致。

此外,應研究、實測和建立電力系統計算中的各種元件、裝置及負荷的詳細模型和參數。計算分析中應使用合理的模型和參數,以保證滿足所要求的精度。計算數據中已投運部分的數據應采用詳細模型和實測參數,未投運部分的數據采用詳細模型和典型參數。

雙饋機組和直驅機組在大基地的電壓穩定上都能通過自身特點和系統配合,實現系統性能最優,滿足大基地條件下的電網電壓穩定要求。

隨著未來電網發展,常規電源的慣量基本保持在一定水平,只能從新增的新能源來增加。因此,風電可以參與調頻,我國前五大風電機組廠家都具有慣量和一次調頻技術能力。

避免次同步振蕩要重視前期風險評估

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清華大學電機系教授、博導 謝小榮

次同步振蕩主要有三大危害。電磁振蕩會造成風電機組撬棒電路損壞,危及風電場中電氣設備的正常運行;電磁振蕩會造成機組過電壓/電流,引起保護裝置動作,導致風電機組脫網事故的發生;諧波和間諧波會影響電力系統的電能質量,可能造成風電場不能順利并網,從而造成一定的經濟損失。

為避免次同步振蕩,建議在電源規劃和建設方面,要重視機組選型與控制參數設計、風電次同步振蕩風險評估;要布置必要控保裝備;在大基地投產運行后,要有廣域監測、預警與保護(緊急控制)系統。

從電網側看,直驅風機以變流器特性為主;雙饋風機則約70%是一個異步機,還有約30%是電力電子變流器。

雙饋風機對電網的作用有兩個,第一是感應發電機效應,這個對次同步振蕩有一點影響。嚴重時,一個串補輸電系統,雙饋風機的感應發電機效益與控制的相互作用,可能會使得風險增加。

對于特高壓交流串補場景,雙饋電機的負電阻特性會產生次同步振蕩風險。但是對弱電網來講,直驅和雙饋,都有電力電子的控制,可能都會有次同步振蕩的問題,需要相關方采取足夠關注,在技術改進上采取措施。

所以對風電設備電網接入場景要綜合分析,這其中控制產生的感應發電機效應占主導地位,還是由變流器的控制占主導地位?沒有一個標準答案,要根據具體的系統分析來看。

開發商需要系統處理平價上網與新導則的雙重要求

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華能集團新能源事業部技術管理處處長 李國慶

從開發商角度來看,新導則頒布將會進一步提升新能源發電設備的電網適應性,有利于行業健康發展。平價上網政策環境下,需要在項目的各個環節都能夠節約成本降低造價,要做到從前期資源測試、微觀選址、設備選型、工程建設和生產運維全生命流程的科學管控。

對于占主要成本的主機價格,需要從設計、制造、運輸、施工等環節跟開發商一起讓主機既符合并網導則的技術要求,又要讓造價符合平價上網的經濟要求。各開發商的招標文件中提出導則技術要求,主機廠商要快速推進符合并網導則的各種認證試驗工作,才能進入招標范圍。

提到儲能,建設電網友好型新能源項目,這是行業發展的需要。目前配合新能源電源建設的儲能技術標準還不完善,接入技術標準、容量比例、新能源加儲能建設模式的項目經濟型平價等還需要技術和政策的協調配合,需要網源設備等各方通力合作。

風機設計要有裕量和一定的升級空間

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金風科技電網技術總工程師 喬元

平價上網時代大家越來越重視成本。但是這個賬如果細算下來,為了維持20年全生命周期的安全穩定運行,風機不能只滿足眼下標準要求來設計,應該預留一定空間來應對未來可能的升級需求。

我認為光伏和風電在新能源比例較高的電力系統環境應該參與系統的調頻,例如像大基地這類場景,新能源電源局部占比較高,如果能夠參與系統調頻對系統的安全穩定更有意義。

一次調頻在系統中應用,應該區別對待新能源和傳統電源的特點,發揮各種的優勢,就像排兵布陣一樣。以新能源一次調頻為例,它的特點是響應速度快,可以第一時間響應系統的頻率變化,彌補傳統電源在一次調頻方面的響應速度,但是要注意到新能源本身源端不受控的問題。所以要揚長避短做到與傳統電源的優勢互補,實現電網系統的頻率最優調節。

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