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新的风电光伏并网关键技术要求(一)

新的风电光伏并网关键技术要求(一)

发布日期:2021-03-15 作者: 点击:

近十多年来,我国的新能源迅猛发展,风电、光伏的装机容量均达到了世界第一。新能源的发展为我国带来了大量的绿色能源,同时也因为其本身的波动特性被称为垃圾电。高比例的新能源对电网的安全稳定运行构成了很大的压力。对风电光伏等新能源,有许多需要探讨的问题:如何让风电光伏成为对电网运行友好的能源,从而降低弃光弃风的概率?如何提升新能源消纳和利用水平?如何在消纳新能源的同时保证电网的安全经济运行?

    鲜椒微电气特邀甘肃省电科院的教授级高工——何世恩对上述内容进行分析和介绍。何世恩高工是甘肃千万千瓦级风电基地的建设者,对风电光伏的并网管理调度运行等有着深厚的理论基础和实践经验,对新能源相关的标准和政策有深刻的理解。整个主题共分四个方面的内容:第一部分为甘肃风电光伏的发展及现状,第二部分介绍风电光伏并网运行存在的问题,第三部分讲述新的风电光伏并网关键要求,第四部分是结论与展望。

一、甘肃风电光伏的发展及现状

甘肃是国家的老工业基地,我国石化工业的摇篮。但是从本世纪初至今就面临资源枯竭的问题,主要指玉门油田。甘肃以重工业为主,单位GDP的能源消耗很高,因此能源结构面临变革。省委省政府敏锐地抓住时机,提出要建设千万千瓦级风电基地。2008年,省上提出的千万千瓦级风电基地项目获得国家发改委的批准。2009年8月8日,千万千瓦级风电基地一期工程开工。2010年底完成第一阶段的目标,风电装机达到516万千瓦。2011年,风电基地发生大规模脱网,主要原因是基地现场风大,气温低,施工条件恶劣,施工工艺不过关,电缆头发生爆炸事故。这是最大也是最严重的一次脱网。风机脱网100多万千瓦,当时西北电网的频率超出范围大约5秒钟。

2015年5月,酒泉-湖南特高压直流工程获得国家发改委核准。2015年6月3日,工程正式开工建设。2015年底,风电装机容量达到1262万千瓦,光伏装机达到了608万千瓦,这些装机容量在全国名列前茅。2015年的风电光伏装机容量都很大,但是不幸的是出现了比较严重的限电,弃风弃光现象比较严重。

从2017年起,国家发改委发布红色预警,对甘肃的风电光伏新能源装机下了红线:除了光伏扶贫项目不能再增加新的风电光伏装机容量。2017年6月,大家期待的±800kV祁韶特高压直流工程投入。2018年9月,配套的两台30万调相机投运,这是国家电网公司的重点项目。祁连换流站位于酒泉地区玉门市80公里外的戈壁滩,是首条落户甘肃的特高压直流线路,作为西北电力外送的关键组成部分,也是首条以输送新能源为主的特高压直流线路。

这几年的甘肃的风电光伏发展情况有以下几个特点: 

(1)新能源储量丰富,全省的风能资源技术可开发量达到6000万千瓦,太阳能资源技术可开发量超过4000万千瓦。在河西的戈壁和荒漠,开发条件优越;

(2)新能源占比大。截至2018年年底,甘肃风电并网装机容量达到1270多千瓦,光伏并网装机达到747万千瓦,新能源装机占全网装机的比例达到了42%;

(3)新能源刚开始快速发展就转缓。十二五期间风电装机容量和发电量的年均增长率分别为59.69%和53.83%,光伏相应的增长率为300.97%和355.40%。到了十三五的前三年,因为发改委不再批准,风电光伏几乎就没有新增装机容量;

(4)新能源运行水平有所提高,事故次数有所下降;

(5)新能源消纳实现双升双降。截至2018年年底,新能源消纳连续24个月实现发电量发电占比、弃电量弃电率的双升双降。2019年采取多种措施,力争弃风、弃光率分别降至10%和5%以内,到2020年全省的弃风弃光问题得到有效的解决。

二、风电光伏并网运行存在的问题

主要问题有三个:(一)特高压直流投入以后,核心电网的安全风险很大;(二)电网的调峰调频能力不足;(三)新能源并网消纳的矛盾仍然非常突出。

下面把这三个问题再解释一下。先讲第(一)个问题。祁韶直流是甘肃千万千瓦级风电基地送出的重要通道,投产的时候没有配套的常规电源,电压支撑能力弱,限制特高压祁韶直流输送能力。甘肃电科院在投产前后就对直流送电的无功运行情况、电压情况等等进行了实测和仿真分析,发现了一些问题。甘肃电科院负责特高压直流换流站交流部分的调试,辅助中国电科院进行直流的调试,图1为仿真的结果: 

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仿真结果表明,祁韶直流发生线路故障再启动、换相失败、直流闭锁等故障,就能在近区风机机端造成暂态过电压,其中换相失败造成的暂态过电压尤为严重,是主要的约束故障。 

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图2的仿真结果表明,随着近区风电出力增加,直流故障的暂态过电压情况逐渐恶化,进而对祁韶直流送电限额造成约束。一个隐形矛盾就是新能源发电出力越大,直流的送电能力越少。

简单把这一段的直流运行情况总结一下:

(1)祁韶直流送端近区交直流故障下的风电机组暂态压升在运行中实际存在; 

(2)仿真结果表明:祁韶直流发生线路故障再启动、换相失败、直流闭锁等故障,均能在近区风机机端造成暂态过电压,直驱风机暂态压升高于双馈风机,实测情况与仿真结论一致;

(3)实测及仿真结果均表明新能源场站SVC和SVG在解闭锁、故障过程中基本正确动作,但其动作幅值及响应时间并未达到理想状态;

(4)祁韶直流双极闭锁,将造成近区750kV变电站稳态压升较大,河西电网电压调整控制困难,河西电网主要断面潮流变化大,运行控制难度大;

(5)电网频率、电压调控能力下降,新能源机组大规模脱网、次同步振荡风险加大;

(6)甘肃电网动态稳定问题突出,开展新能源快速频率响应、调相能力改造,试点次同步振荡监测;做好常规机组涉网参数性能监督,改善系统阻尼特性。

第二个问题是调峰调频能力不足。从电源结构上看,十二五以来新能源装机容量增加约1800万千瓦,同时不参与系统调峰的机组容量增长过快,没有抽水蓄能,电站调峰能力达不到要求。目前,仅新能源并网容量就高达省内统调最大负荷的1.38倍,系统调峰能力缺口约350万千瓦,甘肃电网调峰十分困难。特别是夏季水电大发和冬季集中供暖期,全省调峰能力不足更加凸显。

第三个问题是新能源的并网消纳矛盾突出,弃风弃光矛盾很大。原因有多方面:新能源装机容量大;前面提到的调频调峰能力;祁韶直流与祁韶近区风电前述问题造成祁韶近区风电受限;电力输送通道少,通道检修加剧新能源消纳矛盾。

(未完,待续......)



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