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风电并网难 并非是难题 ——谈中国风电场并网问题

2010-11-16 来源:风能世界杂志 浏览数:1431

  风力发电集中在西北部,而用电负荷集中在“三华”地区,这决定了风电必须走长距离集中输送的模式。风电相比传统发电方式,其更加依赖于电网整体的消纳能力。而目前电网在储能和补偿领域的建设远落后于以风电为代表的新能源装机容量的快速膨胀,从而导致了接入瓶颈问题。为了保障新能源装机进一步扩张,加大对解决并网方面的投资将是势在必行的一步。

  整机价格下降成为行业催化剂,缓解了并网投资的成本压力,由于风电并网设备一定程度上增加了风电场的投资成本,所以一直以来备受下游开发商的质疑。然而在整机产能快速释放的大背景下,整机价格已逐步由6200元/千瓦下降至4500元/千瓦。这直接推动了风场资本投资从接近9000元/千瓦下降至7000元/千瓦。而风电侧无功补偿设备投资只有100元/千瓦,即使考虑储能设备的投资也只是增加1000元/千瓦。这两块对成本造成一定增加,但是仍然小于整机价格的降幅。

  4.1电力骨干线“并网”要求

  我国目前采用的是50赫兹同步交流输电供电电网,电网在形成初期电网的特点和各种技术参数就已经基本确立。后期并入电网的各类电能资源必须符合电网初期形成的电位参数和变化规律。这个技术参数主要包括“频率、电压和交流相位”,在电网中起主导作用的“同步”电流成了同化各种入网电流的“主体”电流,其主要表现为电压稳定、频率稳定、相位稳定。电压、频率、相位就成了并网的主体条件。传统发电机用的是同步交流发电机,比如火力发电机在并网初期都有一个与电网合拍即相位相同的调节过程,每一台发电机都是被强大的电网强行拉入同步的。只要做到了“同步”,其相位角便一致,转速便恒定、“频率”相应恒定,电压也随之恒定。而稳定的电压和频率正是高质量的电网所要求的。所以,严格控制发电机发出电流的“相位”,对各类发电机的成功并网具有无可替代的“关键”作用。

  4.2“并网”难题的具体体现

  节能要求需要在投资上降低成本,异步风力发电机具有成本低、发电效率高的特点,所以我国前一段时间对风力发电机的引进和推广多是这种“异步风力发电机”,异步风力发电机也成了我国前一段时间风电场建设的主导产品。但是,异步风力发电机在目前没有充分改进的情况下并不适合我们国家主流电网的并网,原因有三:一是异步风力发电机的转子转速根据风力大小时刻处在“调节”状态,一旦转速不稳定,导致转子磁场与电网磁场“滑差率”改变,会导致频率突变、频率突变导致电压突变,只有当风力和风速恒定时,转子转速才稳定,发出电才符合“并网”要求,但风速极少处于恒定不变的状态,事实是风速基本上时刻在变。所以异步发电机发出电的“电能”本身并不适合与“电网”同步的并网要求。二是产生谐波和“无功”,因为转子磁场是消耗电网能量产生的磁场效应,转子磁场和电网磁场会有“互感”,由于转子磁场的感应电流没有设计成与电网同步或反相,因而会产生与电网频率不同的“谐波”,也会给电网带来“污染”和负担。三是不受电网节制。像火力发电厂的同步交流发电机的转速经与电网短时间的“磨合”后最后都是与电网“同步”,但异步风力发电机由于某些结构不能与电网保持“同步”,决定了不能像火力发电厂的发电机所发出的电那样成功并网。如果异步风力发电机运行在独立或者说是“离网”的状态,特别是用于电加热,其优势会得到充分发挥,但其必须依赖电网提供励磁又不与电网保持“同步”关系决定了“异步”在并网中的劣势。目前我们国家风力发电并网“难”题主要体现在许多风力发电机都处在“异步”状态。

  4.3同步交流发电机在并网中的优势

   同步交流发电机在在风力发电市场中主要存在成本较高的问题。但其“同步”的特点对于维护电网的稳定及提供“高质量”的电能具有无可替代的作用。所谓“高质量”电能就是能够产生和电网“同步”即同频、同压、同相的电流,这种电流是电网接受并欢迎的。但同步交流发电机必须具备足够大的容量,当风力增加、风速加快时不至于“失步”或“走步”。这就要求转子或进网相线在产生大力矩同时能够支撑强大的电流,这样势必会增加投资。像目前用的永磁发电机和直流励磁发电机都属于“同步交流发电机”。目前成功并网的风力发电机多是永磁同步发电机。如果说“风力发电并网难题是个伪命题”就是特指风力发电厂所用发电机为“同步交流发电机”。理论上说在一定容量范围之内的同步交流风力发电机发出的电完全符合电网要求,不存在并网“难题”。

  4.4异步风力发电机在并网前需做的改进工作

  已经存在的不能“并网”的异步风力发电机并不是在“并网”上无能为力的。异步风力发电机完全可以通过改进,变成与电网“同步”的“同步交流发电机”。“异步”对于“同步”而言在表现形式上是转速不同,在磁场变换上转子磁场与电网磁场的是否能够保持稳定不变的关系。只要通过技术革新完全可以把异步风力机结构做某些修改而变成与电网磁场“同步”的关系,表现在外在也是转速恒定、频率恒定、电压恒定,当风速改变时,力矩改变只会导致电流增加而电压和频率不变,专利申请文件201010251688.2减少异步风力发电机对电网产生谐波污染的一种方法所述正是这个内容,请大家密切关注。

   5讨论

  5.1风电并网难,难在技术还是观念

  千瓦不等于千瓦时,装机容量不等于实际发电量。正像丹麦国家电网公司电力市场部副总监莱娜·索那说的:“只有当电网有效地把电力从风机传递到终端用户时,风能才有价值。”

  国家能源局新能源和可再生能源司副司长史立山说:“风电要想更大规模地发展,现在要解决的问题比过去难度大得多,过去是设备研发等前期工作,现在涉及生产关系的调整,利益的调整,所以这个难度会更大。怎么解决电网?我觉得还是电网公司的认识。如果能够像认识特高压和智能电网一样认识风电,解决不了风电并网吗?大家如果真的从国家民主这个长远的利益、根本利益出发,抛弃一些企业小的算盘,我觉得这个事情可以解决。现在没有解决是没到火候。我国经济的发展将越来越面临资源环境的束缚,电网公司必须要有所作为。”

  中国水电工程顾问集团公司副总经理王民浩说,在风电场招标、建设施工、竣工验收、安全运行、风能机组设备制造和检测认证等方面仍缺乏相关的配套技术规范和标准,特别是目前国家正在准备大规模发展海上风能,海上风能场工程前期工作和建设施工有关的技术标准和规程规范亟须制定。风电规划考虑资源和工程建设条件较多,对电网研究相对欠缺,现有的电源结构、电网输配能力与风电发展规划难以适应,加之一些地方不考虑电网建设周期,风电发展不按规划执行,电网建设进度难以满足项目的总体建设要求。另外,国内关于风电对电网的影响研究依旧薄弱,对风电的调度和运行缺乏有效的对策和措施,王民浩也承认,部分地区存在弃风现象。

  华锐风电技术总监陈党慧说:“风电并网,最难的是利益调整,其次是观念,再次才是技术。并网困难表面看受制于技术因素,但更深层次的症结在于利益驱动,电网企业在风电上网和远距离输送方面需要大量投入,但收益不大,缺乏利益驱动和变革的动力。技术上的困难是可以克服的,管理体制尚未捋顺、利益分配不均衡才是造成风电并网困难的首要因素。”

  6借鉴:丹麦

  丹麦的“发输售电分开、重新定位电网性质的模式,”丹麦目前实行的是发电、输电与售电三个环节完全分开的管理体制。丹麦国家电网公司汉斯·摩根森说,“上游发电企业和下游售电公司是完全市场化的竞争主体,负责中间输电环节的国家电网公司变成了一个隶属国家气候与能源部的非盈利机构,最体现公平交易的电力调度中心则划归国家电网公司管理。科学的电力体制为风电等可再生能源的并网和发展奠定了基础。”

  可见,丹麦国家电网的性质定义为公共机构,不以盈利为目的,这与我国电网公司的性质不同,我国电网公司更多的涵义是企业、是利益集团,以追求利润为主要目标,再加上被赋予了强大的垄断力量,在没有建立好“游戏规则”的情况下进入市场,必然会出现“以大欺小、以强凌弱”的现象,难以体现其应承担的公共责任和社会责任。

  6.1支招一

【延伸阅读】

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