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国外分散式风电关键技术研究及对我国的启示

[日期:2018-07-13]   来源:东北电力技术   作者:   [字体: ]

风电的大规模集中开发和分布式利用已是国内外广泛关注的两种风能开发形式。“十一五”期间,我国风电发展的主要模式是大规模集中开发并网,大规模风电的迅猛开发也带动了风电产业的快速进步,但同时也带来了风电消纳的难题,“弃风率”居高不下。

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在这种情形下,分散式接入模式应运而生,并且逐渐广泛地得到了应用。分散式风电系统具有规模小、见效快且能源利用率高的优势。所以我国“十二五”期间将“建设大基地,融入大电网”模式改为了“集中+分散”的方式,鼓励靠近负荷中心开发风场,分散接入。从技术和政策层面来说,我国对大规模风电并网和分布式电源接入都有了相应技术规定和营运模式,而对以“就地消纳、多点接入、集中监控”为特点的分散式风电还缺乏相关技术标准及系统性的研究。

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一、分散式风力发电技术

1.分散式风力发电的定义

分散式接入风电项目是指位于用电负荷中心附近,不以大规模远距离输送电力为目的,所产生的电力就近接入电网,并在当地消纳的风电项目。分散式接入风电项目应具备以下几个条件:

a.应充分利用电网现有的变电站和线路,原则上不新建高压送出线路和110kV、66kV变电站,并尽可能不新建其他电压等级的输变电设施;

b.接入当地电力系统110kV或66kV降压变压器及以下电压等级的配电变压器;

c.在一个电网接入点接入的风电装机容量上限以不影响电网安全运行为前提合理确定,统筹考虑各电压等级的接入总容量,并鼓励多点接入;

d.除示范项目外,单个项目总装机容量不超过50MW。

2.分散式风力发电的优点

分散式风力发电最明显的优点就是不用像大规模风电场一样新建高电压、远距离输电线路,由于其容量小,本地消纳的压力要小得多,还有如下几方面的优点。

a.对电力用户:①提高了电力供应的可靠性;②在电力用户附近,恰当的地点安装合适的风电机组,更加充分地利用了风能资源,不用新建长距离输电线路,进而大幅度减小了线路的损耗,提高了能量转换的效率;③依靠先进的电力电子设备进行有效地控制,满足了电力用户对电能质量的要求;④为我国输电线路、配电设施延伸不到的偏远地区,提供电力供应;⑤为电力用户使用电力提供多种选择的途径。

b.对风电开发商:①因为分散式风力发电选址灵活、体积小、投资小、建设周期短,风电开发商能够对投资形式进行有效评估,从而可以减小投资的风险;②以相对低的资金成本进入竞争的电力市场;③由于分散式风力发电属于可再生能源,可以享受可再生能源的一些优惠政策;④建在电力用户附近,一定程度地节约了输电线路和设备的资金花费;⑤紧密配合负荷增长,扩建周期短,避免了无谓的资金花费。

c.对电网公司:①风电机组就地安装,靠近电力用户,节省了远距离传输的输电线路和配电系统的投资;②在没有输配电网络的偏远地区,电网公司架设输电线路和配电设施的成本极高,所以分散式风力发电为电网公司缓解了压力;③分散式风力发电亦可以作为今后应对电网大面积停电的一种重要措施。通过设置和调节应用于分散式风力发电的风机可以具有容易自启动、恢复速度快等特点,当电力系统发生大面积停电事故后,这些发电机可作为电网“黑启动”的电源,减少停电造成的损失,因此,分散式风电是大电网的有益补充。

d.对社会大众的好处:①缓解了日益紧张的化石能源的压力,削减了温室气体的排放,既满足了人们持续增长的电力需求,又响应了环境保护的号召;②需要专业人才,可以一定程度地缓解就业压力;③亦可以是分布式发电或微网的一部分,在发展过程中可以与其他能源发电项目有效结合,进一步提高供电的可靠性;④对电能供应的可靠性和电能质量有更高要求,所以促进了我国风机产业的发展和技术升级,进一步提高了整个国家的劳动生产率。

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二、国外分散式风电得以发展的主要因素

根据中国可再生能源学会风能专业委员会统计数据,2016年,全国新增装机容量2337万kW,同比下降24%;截止2016年末,全国累计装机容量达到169亿kW。已经超越了美国,居世界首位,成为全球风电规模最大、发展最快的电网。

可见,我国风电在规模化发展取得了突出的成绩,但在分散式风力发电方面相比美国、德国、西班牙、丹麦等分散式风力发电激励政策相对完善的国家,我国还处于起步阶段,所以我们应该对以上国家的激励政策进行深入研读,以促进我国的分散式风力发电快速发展。

分散式风力发电项目在美国、德国、西班牙和丹麦这些国家得以快速发展,有其各自的特点,亦有其共性,对其共性进行总结主要包括以下几方面。

a.在这些国家分散式风力发电项目都得到社会各界的大力支持,特别是地方政府降低门槛,允许个人投资建设分散式风力发电项目,全民办风电的队伍进一步扩大,这将是分散式风电项目的主力军。

b.分散式风力发电项目的开发流程简单,从风电项目的评估到商业运行的周期较短。

c.分散式风力发电项目的规模多样,从50kW的小型家用风机到兆瓦级的大型并网型风机,以固定电价来满足政府、商业、工业、居民等不同种类用户的电力需求。

d.分散式风力发电项目入网门槛低,可直接通过当地配网实现电网接入。

e.国家制订了鼓励开发分散式风力发电项目的一系列政策和措施。

f.风机制造商致力于新型风机的研发,应用于分散式风力发电的风电机组技术相对成熟。

g.金融机构、能源供给企业以及政府都能为分散式风电项目的建设提供资金支持。

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三、我国分散式风电发展存在的技术问题

a.风能资源评估与选址技术

对于分散式风电项目的开发,风资源评估具有举足轻重的意义,因此怎样高效判断特定区域的风资源状况是非常重要的工作,其中最为关键的环节就是计算资源概率密度分布,并且将计算结果作为关键的指标,以此作为依据来分析并衡量此区域的风资源特点及现状。

美国以及西班牙等国家已经广泛开展了风资源评估工作,所涉及到的衡量指标也众多,主要有季风图以及额定误差值等,得到的相关数据结果极其细致且精确。此外,风资源评估运用的手段及技术也相对比较完善,充分考虑了基地条件以及电力系统条件等,为相关项目开发提供了全面系统的数据。但是我国在风资源评估方面却仍然有待加强。

风机容量和配置都会直接影响电网的稳定性,并且还会对电力系统短路电流以及电压分布造成一定程度的影响。通过选择适宜的安装位置能够有效降低电力系统的损害,同时提升整个系统的负荷率。假若安装位置不科学,也必然会带来不利的影响,使得配电网的可靠性大大降低。

在选址手段方面,我国和国外还存在明显差距,风资源评估的精准度很大程度上影响了分散式风电基地的科学性。需要注意的是,由于风资源评估是存在区别的,当前国内并未形成全面系统的评估体系,自然也无法很真实地判断分散式风电基地的状况,造成评估结果存在一定的误差。一般是通过气象台的相关统计数据来衡量风资源,然而数据无法准确反映出本地区的风资源现状,仅仅是发挥参考的作用。因此,现阶段国内在分散式风电场的选址方面仍然有待加强,应采取有效措施,有效提升风资源评估能力。

b.风功率预测技术与电力调度

目前,国外开发的风功率预测系统很多,如丹麦Ris国家实验室的Prediktor预测系统、德国的AWPT预测系统以及西班牙的LocalPred预测系统等。这些预测系统均是根据气象部门提供风向和风速等数据进行风功率预测的。丹麦Ris国家实验室的Precliktor预测系统,就是利用HIRLAM提供风电场所属位置的风速情况,综合考虑风电场附近障碍物、粗糙度变化等因素后用WASP进行精度更高的风速预测,然后由发电量计算模块RisPark根据预测的风速计算出该风电场的风电预测功率。西班牙的LocalPred预测系统采用了高分辨率中尺度气象模式MM5(或NWP模式)的气象数据,通过统计模块(MOS)对预测风速进行订正,最后利用历史气象数据建立起来的功率输出模型进行风功率预测。

目前,我国的风电功率预测主要是利用气象数据的风速预测和统计方法,预测技术比较局限,预测精度也不甚理想。文献介绍了一种利用时间序列法的短期风速预测技术,但并没有给出风电场输出功率的预测。而文献则主要是利用了时间序列法和神经元网络法进行风功率预测,能够实现提前一个观测时间段的风速以及风功率预测。文献基于神经网络法和时间序列法两种方法对风速预测进行了深入的研究,文章中的时序神经网络模型其实质还是以时间序列为基础,此方法不适用于较长时间的预测。所以我国的风功率预测的技术水平远远落后于美国、欧洲。

只有保证电力系统运行发用电的实时平衡,才能实现系统的安全与稳定。风电场并网后,由于目前的预测技术无法完全预测风电出力的波动,存在一定的误差。所以为了调峰,调度机构就必须为波动的风电留出相当的备用容量,这样就给电力调度机构带来了麻烦。随着电力系统中风电的比重日益增大,提高风功率预测能力,将是减少系统备用容量,减轻电力调度的最有效的途径。也是分散式风电大规模发展的必要条件之一。

c.分散式风电的无功优化技术

近些年,我国在风电场无功优化算法的研究方面也取得了一定的成果,无功优化算法主要是人工智能方法和数学规划方法。因为无功优化技术的非线性和复杂性,想要实现实时控制是非常不容易的,所以目前还没有比较理想的解决措施。负荷是影响传统配电网中无功优化效果最主要的不确定因素,配网中风电出力的波动性亦是一个影响较大的不确定因素。所以,无功优化方案和模型中要综合考虑风电出力波动性和负荷的变化等这些不确定因素的影响。为了考虑负荷变化的影响,传统的无功优化算法一般是假定一定时间内的负荷是固定不变的,然后把负荷预测的曲线分解成多个时段,用动态优化方法进行求解。而风电出力的波动比负荷的变化更加频繁,而目前的风功率预测技术和精度还不甚理想,所以采用动态无功补偿的方法来平抑风速的波动比较困难。

d.发展模式及电网接纳能力

与西班牙、丹麦、德国等欧洲国家相比,我国风电的发展模式具有大规模集中开发、高电压等级远距离输送等特点。千万kW风电基地以高电压等级的输电线路集中送出。规模稍小(10万kW以内)的风电场则以110kV(或220kV)电压等级接入本地区电网,几乎没有直接接入35kV及以下配电网的,这与欧洲国家风电场多接入配电网的模式有很大差别,所以分散式风电在我国现在的并网方式下要发展还需要相当长的时间。

欧洲有些国家风电的发展模式由陆地小规模开发转向海上规模化发展。因为这些国家内陆的分散式风电已经将近饱和,不得不向远离负荷中心的近海地区转移。根据德国风能协会(BWE)预计,2020年德国在波罗的海和北海等海上区域规划的风电装机容量将达到1000万kW,这些风电将利用直流输电线路送至南部地区的负荷中心。西班牙北部和南部沿海地区的风资源是未来几年的主要开发方向,风电场以规模化开发为主,但东部的巴塞罗那和中部的马德里是主要的负荷中心,绝大部分风电需要跨区输送。所以我国的由大规模向分散式的发展模式和思路,刚好与欧洲一些国家相反。发展的经验亦可以相互借鉴。

近些年我国风电的规模化开发,就地消纳存在困难时,输送容量不足的问题已逐步显现,需要逐步建设区域间输送网络实现风电跨区消纳。而且不仅是我国,世界各国均是如此,如德国北海岸地区风能资源丰富,而南部地区是负荷中心,所以存在风电无法就地消纳的问题。目前,由于德国南北电网联络线的限制,北电无法南送,导致北部地区的风电场在部分时段会按照调度命令关停掉部分风电机组。德国2015年的风电发展规划目标是装机容量达36000MW,新建850km、改造更新400km的380kV线路,增加输电线路长度约5%。南北走向的输电走廊可以充分利用南部负荷中心来消纳北部富余的风电。所以我国要发展大规模分散式风电需要加强网架结构,增加输电线路,以满足部分地区消纳能力不足的问题。

e.风电上网电价与相关政策

目前,风电发展较早的国家针对风电的电价政策主要包括固定电价政策、电价补贴政策以及绿色能源许可证政策。德国实行固定电价政策;丹麦则是电价补贴政策;而西班牙采用固定电价和电价补贴两种选择,风电企业可以任意选择,但其设定的电价使得固定电价的收益期望小于电价补贴,所以可以用此来引导风电企业,因此目前绝大部分的风电企业选择了电价补贴。

针对风电,目前我国实行的是标杆上网电价的政策。国家发展改革委2009年发布的《关于完善风力发电上网电价政策的通知》中将我国的风能资源区分为4类,对应的风电标杆电价分别为每kWh 0.51元、0.54元、0.58元和0.61元。继续实行风电费用分摊制度,通过全国征收的可再生能源电价附加费来分摊风电上网电价高出当地燃煤机组标杆上网电价的部分。所以目前我国风电的电价政策与欧洲国家固定电价的政策是一致的,无需面对远期市场价格波动的风险,全额保障性收购风电;风电出力的波动所带来的平衡和调峰问题均由电网公司负责,而其成本最终由用户分摊。

固定的风电标杆上网电价,可以保障风电场的利益,但风电场无法针对市场价格信号做出反应,没有主观灵活性,使得反调峰作用明显。所以这种电价政策无法正确引导风电的市场行为。

因为风电的反调峰作用明显,所以可以针对风电实行峰谷标杆上网电价,用市场价格信号来引导风电参与系统调峰。例如凌晨风资源较好,正是负荷较低时刻。若此时电力市场的电价较低,风电场完全可以合理“弃风”,从而引导风电参与调峰。

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四、结论

本文介绍了分散式风力发电技术和优点,对美国、德国、西班牙、丹麦等国分散式风电得以迅速发展进行了深入的分析,在此基础上,对我国分散式风电发展存在的技术问题进行了总结,我国分散式风电发展还需要解决以下几个问题。

a.提高风能资源评估能力,进而提高分散式风电场选址的合理性和准确性。

b.提高风电功率预测技术,进而减轻电力调度的压力。

c.提高分散式风电场无功优化能力,以减少对电网的负面影响。

d.加快转变我国由“集中开发”向“分散接入”的发展思路,进一步促进我国分散式风电的快速发展。

e.针对分散式风电制定更加合理的价格政策,如实行针对风电的峰谷标杆上网电价,以市场价格信号引导风电场参与调峰。 (作者赵君,国网黑龙江省电力有限公司)





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