黃云虹

（三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌443002）

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力行業(yè)突飛猛進(jìn)，電力系統(tǒng)的容量和覆蓋范圍日趨增大，我國電力系統(tǒng)已步入以大機(jī)組、超高壓和跨區(qū)域互連為特征的大電網(wǎng)時代。然而，一方面電力增長仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于電力需求的增長；另一方面這種電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的弊端也初現(xiàn)端倪。其弊端表現(xiàn)在：（1）對于偏遠(yuǎn)地區(qū)的負(fù)荷不能進(jìn)行理想的供電；（2）不能靈活跟蹤負(fù)荷的變化，發(fā)輸電設(shè)施的利用率下降；（3）大型互聯(lián)電力系統(tǒng)中局部事故容易擴(kuò)散，導(dǎo)致大面積的停電事故。

風(fēng)電大范圍接入電網(wǎng)既是解決傳統(tǒng)電網(wǎng)現(xiàn)有問題的途徑，也是國家發(fā)改委和國家電網(wǎng)公司的能源政策要求。其中，可再生能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃提出到2015年我國風(fēng)電總裝機(jī)容量達(dá)到1億千瓦，年發(fā)電量達(dá)到1 900億千瓦時的目標(biāo)［1］。據(jù)國家發(fā)改委發(fā)布的報告顯示：2014年中國風(fēng)電累計并網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)到9 637萬千瓦，占全國總裝機(jī)量的7%［2］。2015年4月，國家電網(wǎng)公司發(fā)布《國家電網(wǎng)公司促進(jìn)新能源發(fā)展白皮書》表明國家電網(wǎng)公司的新能源計劃：每年建設(shè)2 700萬千瓦新能源并網(wǎng)工程、光伏發(fā)電1 000萬千瓦裝機(jī)的并網(wǎng)；2015年開工建設(shè)7條新能源配套跨區(qū)輸電通道等。由此可見，大范圍風(fēng)電接入電網(wǎng)不僅是解決當(dāng)前傳統(tǒng)電網(wǎng)問題的需要，也是對國家發(fā)改委和國家電網(wǎng)公司相關(guān)政策的積極響應(yīng)。

1 國內(nèi)研究發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對輸電網(wǎng)的影響

我國風(fēng)電開發(fā)規(guī)模已居于世界首位，但對于大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)問題的研究還基本處于起步階段［3，6］。2010年開始的國家高技術(shù)研究計劃（863計劃），智能電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)部署了針對大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)的研究，主要包括電網(wǎng)規(guī)劃、運(yùn)行調(diào)度、柔性直流輸電技術(shù)應(yīng)用以及風(fēng)電場集群控制等內(nèi)容。隨后于2011年，國家重點基礎(chǔ)研究計劃（973計劃）部署了有關(guān)大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)基礎(chǔ)科學(xué)問題的研究，主要內(nèi)容包括風(fēng)電爬坡預(yù)測、電源靈活性規(guī)劃、基于不確定性的運(yùn)行調(diào)度、系統(tǒng)穩(wěn)定、故障穿越與保護(hù)以及大規(guī)模儲能需求與控制等方面。由于風(fēng)電出力本質(zhì)的波動性和不確定性，國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)也開展了對系統(tǒng)潮流重新分布、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)規(guī)劃和調(diào)度策略、運(yùn)行安全和緊急控制手段、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電壓穩(wěn)定性等方面的研究［7-9］。

1.2 大范圍風(fēng)電并網(wǎng)對配電網(wǎng)的影響

在可再生能源發(fā)電并入配電網(wǎng)的研究方面，國家重點基礎(chǔ)研究計劃（973計劃）于2009年部署了有關(guān)分布式發(fā)電供能系統(tǒng)的研究，主要內(nèi)容包括分布式電源與電網(wǎng)相互作用機(jī)理、配電網(wǎng)規(guī)劃、配電網(wǎng)控制與保護(hù)以及配電網(wǎng)能量管理等方面。同樣，國家高技術(shù)研究計劃（863計劃），智能電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究于2010年部署了針對分布式可再生能源發(fā)電并網(wǎng)的研究，主要包括區(qū)域電網(wǎng)接入可再生能源、建筑光伏發(fā)電并網(wǎng)以及含分布式電源的微電網(wǎng)等內(nèi)容。由于資源分布的因素，我國可再生能源開發(fā)以大規(guī)模高集中遠(yuǎn)距離方式為主［10-12］，相關(guān)研究工作無疑會受到現(xiàn)場運(yùn)行經(jīng)驗較少的局限［13-15］。

1.3 分布式電源并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)

國家電網(wǎng)公司出臺的《分布式電源接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》適用于35 k V以下配電網(wǎng)系統(tǒng)，適應(yīng)范圍內(nèi)的電源分兩類：10 k V（6 k V）～35 k V電壓等級并網(wǎng)和380 V電壓等級并網(wǎng)，分別在接入系統(tǒng)原則、電能質(zhì)量、功率控制和電壓調(diào)節(jié)、電壓電流與頻率響應(yīng)、安全、繼電保護(hù)與安全自動裝置、通訊與信息、電能計量和并網(wǎng)檢測方面提出不同的技術(shù)要求。

1.4 電網(wǎng)公司運(yùn)營機(jī)制

國內(nèi)也有過關(guān)于分布式電源接入后市場的競價機(jī)制等相關(guān)研究。但缺少從電網(wǎng)公司角度考慮的接入分布式發(fā)電的電網(wǎng)公司運(yùn)營模式的深入研究以及相關(guān)管理辦法制定的研究。

2 國外研究發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對輸電網(wǎng)的影響

歐美等國對于大規(guī)模風(fēng)電接入輸電網(wǎng)對供電充裕性以及運(yùn)行穩(wěn)定性影響進(jìn)行了大量的研究，包括相關(guān)國家和地區(qū)組織如國際能源組織（IEA）、歐共體研究開發(fā)框架計劃、歐洲風(fēng)能協(xié)會、美國風(fēng)能協(xié)會、美國能源部、美國電力可靠性協(xié)會（NERC）等，相關(guān)研究機(jī)構(gòu)如丹麥國家可持續(xù)能源實驗室（Riso）、挪威皇家科學(xué)院（SINTEF）、美國國家可再生能源實驗室（NREL）等，相關(guān)設(shè)備制造商如美國通用電氣（GE）、丹麥Vestas、德國西門子（SIEMENS）等。大規(guī)模的研究項目諸如歐洲的EWIS、TRADEWIND、TWENTIES、DENA GRID、ALL ISLAND GRID、WILMAR等，美國的EWITS、WWISS、IVGTF等。這些研究對于深入認(rèn)識風(fēng)電出力在不同時空尺度的特征，系統(tǒng)性地掌握風(fēng)電并網(wǎng)后對電網(wǎng)的影響，以及制定相應(yīng)的應(yīng)對策略都取得了大量的成果［16-18］。但由于歐美等國的風(fēng)電以分布式開發(fā)并入強(qiáng)電網(wǎng)為主，對于高集中度開發(fā)、遠(yuǎn)距離輸電情況下的并網(wǎng)問題則研究得較少。

2.2 大范圍風(fēng)電并網(wǎng)對配電網(wǎng)的影響

對于可再生能源發(fā)電并入配電網(wǎng)的情況，歐美等國的研究工作開展得更早，包括相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和制造商如德國太陽能研究所（ISET）、荷蘭能源研究所（ECN）、美國國家可再生能源實驗室（NREL）、美國通用電氣（GE）等都持續(xù)開展了大量的研究工作。大規(guī)模的研究項目諸如歐共體研究開發(fā)框架計劃的DISPOWER、美國能源部的 REGIS、加州能源局的CERTS等［19］。正是基于這些研究工作，目前對于可再生能源發(fā)電并入配電網(wǎng)的情況下所帶來的特殊問題的認(rèn)識及應(yīng)對措施已趨于成熟［20-22］。但由于主動孤島運(yùn)行的實際應(yīng)用尚少見，對這種運(yùn)行情況的研究還不夠全面。

2.3 分布式電源并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)

美國電氣與電子工程師協(xié)會IEEE 1547及其系列規(guī)范涉及所有有關(guān)分布式電源互連的主要問題，主要包括：分布式電源電能質(zhì)量、系統(tǒng)可靠性、系統(tǒng)保護(hù)、通訊、安全標(biāo)準(zhǔn)和計量標(biāo)準(zhǔn)等。其系列標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容是：與電力系統(tǒng)互連一致性測試程序、應(yīng)用、系統(tǒng)互連信息監(jiān)測交流和控制、分布式孤島系統(tǒng)的設(shè)計、操作和集成、大于10 MVA分布式電源與輸電電網(wǎng)互連技術(shù)準(zhǔn)則等。

2.4 電網(wǎng)公司運(yùn)營機(jī)制

國外如美國、歐洲、日本等國家針對分布式電源接入有相關(guān)的管理辦法，由于各國國情如對能源的需求程度、電力市場環(huán)境等的不一樣，對分布式電源接入的激勵機(jī)制和激勵程度不一。一些研究機(jī)構(gòu)對接入分布式電源后完全自由化的電力市場的系統(tǒng)運(yùn)營模式、接入分布式電源后電網(wǎng)公司的運(yùn)營模式以及增加盈利的措施進(jìn)行了探討，由于我國的電力行業(yè)環(huán)境和其他國家的差別，其成果是否適用有待研究。

3 關(guān)鍵技術(shù)及難點

（1）風(fēng)電接入輸電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括風(fēng)電出力預(yù)測、電網(wǎng)備用容量規(guī)劃、電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度等三個方面對供電充裕性的影響，以及電網(wǎng)故障特征辨識、風(fēng)電動態(tài)響應(yīng)特性與電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性、電網(wǎng)安全防御等三個方面對運(yùn)行穩(wěn)定的影響。供電充裕性方面的研究難點在于風(fēng)電出力爬坡及其不確定性的預(yù)測、應(yīng)對爬坡的常規(guī)電源調(diào)節(jié)靈活度規(guī)劃、以及應(yīng)對不確定性的電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度策略三個方面。運(yùn)行穩(wěn)定性方面的研究難點在于高注入率情況下電網(wǎng)擾動的快速辨識、復(fù)雜擾動情況下電網(wǎng)穩(wěn)定性分析控制、電網(wǎng)安全防御控制三個方面。

（2）可再生能源發(fā)電并入配電網(wǎng)的一般關(guān)鍵技術(shù)主要包括配電網(wǎng)的電壓水平控制、電能質(zhì)量控制、繼電保護(hù)算法，以及孤島運(yùn)行四個方面。研究難點主要包括可再生能源發(fā)電與無功補(bǔ)償及電壓調(diào)節(jié)裝置的協(xié)調(diào)控制、可再生能源發(fā)電設(shè)備之間及其與各種非線性負(fù)載間的動態(tài)相互作用及控制、低成本繼電保護(hù)配置、以及主動孤島運(yùn)行及恢復(fù)控制等方面。通過對大規(guī)模風(fēng)電接入配電網(wǎng)后在系統(tǒng)電壓、電能質(zhì)量、繼電保護(hù)和網(wǎng)損等方面的研究，協(xié)調(diào)優(yōu)化含風(fēng)電的配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。研究的主要難點在于接入配電網(wǎng)的風(fēng)電最大安裝容量和安裝位置的確定、為維持電壓和頻率穩(wěn)定的風(fēng)電有功和無功的控制以及電能質(zhì)量檢測治理技術(shù)。

（3）探討包括交流110 k V以上的輸電網(wǎng)的更廣泛電壓等級并網(wǎng)的分布式電源并網(wǎng)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，在不同并網(wǎng)點以及即插即用的電源運(yùn)行方式下，對分布式電源的不同技術(shù)要求、技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)充分保證分布式電源的靈活性和電網(wǎng)的可靠性。主要難點包括已有的標(biāo)準(zhǔn)是否適合深圳地區(qū)電力網(wǎng)絡(luò)，輸電網(wǎng)與配電網(wǎng)不同并網(wǎng)點和運(yùn)行方式的技術(shù)規(guī)范等。

（4）結(jié)合實際情況，研究綜合考慮相關(guān)法規(guī)、政策、經(jīng)濟(jì)性等多方因素約束下的電網(wǎng)公司對分布式電源的管理辦法，以及在新環(huán)境下電網(wǎng)公司的業(yè)務(wù)拓展方式，達(dá)到兼顧多方利益，保障電網(wǎng)的可靠安全運(yùn)行，促進(jìn)電網(wǎng)公司積極主動參與分布電源的接入并盈利的目標(biāo)。

4 結(jié) 論

大力發(fā)展可再生能源發(fā)電是我國低碳發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。本文對大范圍接入分布式風(fēng)力發(fā)電對區(qū)域輸電網(wǎng)以及配電網(wǎng)在穩(wěn)定性、電能質(zhì)量以及故障保護(hù)等方面的影響進(jìn)行研究。從國內(nèi)和國外兩個方面對大范圍風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)運(yùn)行的影響進(jìn)行了調(diào)研和總結(jié)。從大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對輸電網(wǎng)的影響、大范圍風(fēng)電并網(wǎng)對配電網(wǎng)的影響、分布式電源并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)以及電網(wǎng)公司運(yùn)營機(jī)制這四個具體方面進(jìn)行了說明。最后，針對這四個方面，總結(jié)和討論了大范圍接入分布式風(fēng)力發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)和難點，為工程應(yīng)用提供一定的參考。

［1］國家能源局.可再生能源發(fā)展“十二五”發(fā)展規(guī)劃［R］.北京：國家能源局，2012.

［2］國家能源局.2014年風(fēng)電產(chǎn)業(yè)監(jiān)測情況［EB／OL］.http：／／www.nea.gov.cn／2015-02／12／c-133989991.htm.

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