如何解决风电并网难题

丹麦高压电网分布图
欧洲四大电网正在致力于地区风电一体化研究。


　　风能是一种极为不稳定的资源，要使风电入网并保证良好的电网运行，需要的条件非常多。这其中包括电网建设规划、准确的风力预测、在无风的时候要有充足的电力后备资源、良性的电力市场、买卖双方供需平衡，而且电力消费者还必须看好风电。在这一方面，丹麦起步较早，技术比较成熟，有许多经验值得我们学习和借鉴。
　　　　　　

　　当前，风力发电占丹麦电力供应的20％左右。在丹麦，有近5200台风力发电机，总装机容量超过3100兆瓦。如果风速达到10米/秒，这些风机发的电可满足丹麦所有家庭高峰时段的用电量。丹麦已成为全球风电行业的翘楚，而其成功的秘诀就在于健全的体制和完备的条件。

　　电网规划和建设

　　丹麦早在1981年就制定了首个能源计划，提出到2000年风电装机约900兆瓦，满足10%电力需求。由于政府的支持、补贴，该目标于1997年提前实现。

　　1984年，丹麦出现了第一部有效期为10年，由风机制造商、风电开发商和电力公司三方共同签署的“自愿协议”。根据该协议，电网不仅要收购风电，同时要为并网提供方便，此外电网按销售价格的85%收购风电。1992年，政府用法律形式对该协议加以固定。

　　2003年，丹麦又提出到2030年风电占所有发电量50%的目标，新增的相当一部分将来自于近海风电。2005年在丹麦哥本哈根召开的决策研讨会明确了海上风力发电的发展阻碍，重点讨论了各职能部门之间解决方案的可行性、方法和结构合作。

　　风力发电需要有电网强有力的支撑，强大的电网可以把风电从发电的地方送到最需要电力的地方。丹麦国家电网公司每年都花费数亿克朗，用于扩展和加强丹麦电网的建设以及与其他国家电网之间的联系。在完成每一个具体的项目前，都会事先进行强有力的规划，例如评估风电场的位置以及估算新电网的铺设等。

　　在规划和建设电网时，丹麦特别重视与周边国家的合作。当丹麦的风电发电量超出其用电所需，多余的电力就输送到挪威和瑞典，以帮助这两个国家节省用以发电的水资源。而当无风的时候，位于挪威和瑞典境内的水电站开始运转，把电输送到丹麦。当然，实现这种电力的互送对电网的坚固程度有相当高的要求。北欧电力市场现在已经可以实现这种电力输送。

　　目前，为了更好地开发风电，欧洲各国正在积极合作，加强跨国电网建设。欧洲风电并网研究（EWIS）项目覆盖了欧洲所有的四个电力系统（TSO）——欧洲大陆互联电网、英国电网、爱尔兰电网和北欧电网。来自欧盟13个国家的15个输电运营商组成团队，共同负责此项研究。这是第一次由来自欧洲四个地区的国家共同打造未来的欧洲电力供应。

　　制定并网技术标准

　　丹麦在20世纪80年代就发布了第一个电网并网导则，那时，风电还被认为是一种边缘的、非主流的电力能源。风机多是小容量机组，或者是在同一点并网的风机数量较少。该并网导则的诞生是为了应对配电网络的安全运行，因此，那时，并网导则对风机执行控制功能并没有提出要求，只是要求风机在必要时可以退出运行，直到电网恢复正常的电压和电流状态时再并网。

　　这个情况一直持续到1997年丹麦公布了近海风力发电场的建设规划后，才开始有所改变。根据该规划，丹麦要在20年内建造一座装机容量为150兆瓦的近海风力发电场，然后接入电压等级在100千伏以上的电网。丹麦国家电网公司意识到，这种情况下需要对风机的发电量进行更好的控制。他们成立了一个小组，专门开发电网并网导则，并于1999年公布了第一个对风机提出控制功能要求的电网并网导则。

　　同时，陆上风电场装机容量的提高也带动了针对接入低压电网的风电场并网导则的发展，导则对这些风机提出了类似的要求。由于在许多地区发电量经常大于用电量，配电网络里的风力发电量要远远高于负荷用电量，因此，并入低压电网的风机的控制功能就显得非常重要。

　　从整体上看，丹麦的风电并网导则，经历了从早期不分电压等级的一项规定发展成为100千伏以上和100千伏以下电压等级并网的两项技术规定。目前，几乎所有小型风力发电机都并入配电网，例如电压在20千伏或更低的配电网。而大型陆上风机一般接入电压在30千伏-60千伏的电网。只有大型近海风力发电场才会直接并入132千伏-150千伏的输电网。

　　维持电力系统平衡

　　当丹麦国家电网公司的调度员置身于控制中心，力图维持电力系统的平衡时，有两件武器必不可少，一是完善的硬件系统，二是快速的人工干预。那么，这种控制是怎么实现的呢？

　　风速变化1米／秒，对于一个大型风电场来说就意味着发电量的剧烈波动。因此，风力预测是首要的控制工作。丹麦国家电网公司每天会从三个不同的气象预报公司接收四次天气预报，然后利用先进的软件系统预测何时天气预报所述的风力变化会影响到风机，以及分析这些变化对整个电力系统带来的影响。

　　不过，实际风速和预测风速完全吻合的情况很少。正如丹麦国家电网公司的总调度员拉尔斯·佛格特·安德森所说，30%到40%的预测误差都不奇怪。因此，控制中心的工作人员必须时刻关注风机的发电量。一旦实际发电量超出预测的范围，他们必须马上采取行动进行调整，从而把发电量的波动控制在可应对的范围内。

　　解决风电波动的问题，控制中心的工作人员主要采用两个办法，他们称之为上行调节和下行调节。这有点类似于开车：要加速时，就踩油门；如果开得太快，就踩刹车。在系统里，一些电厂起到油门的作用，可以把功率提高到需要的水平；另一些电厂起到刹车的作用，可以迅速降低功率。

　　当电力供给过剩时，工作人员可以通过远程遥控操作，把叶片从正常运转位置旋转90度，从而使风机在不到一分钟的时间里面停止转动。现在，丹麦所有新的风力发电机都安装了紧急制动装置。

　　风电与大规模蓄能装置的配套应用，也是重要的调节途径。例如，在热电联产发电站，电热锅炉可以把电能转化为热能。

　　在天气多变的时候，丹麦全国的风机发电功率可能在几小时内就从0上升到3100兆瓦，也可能从3100兆瓦下降到0。稳定而充足的供电有赖于后备电源的调节，一旦风变小或停止，就必须有其它后备电源及时补充。燃煤发电是一种选择，而挪威的水电也是很好的选择。

　　商业化运营风电

　　每天调配大量的风电，对于丹麦国家电网公司来说是必须面对的挑战。作为电力系统的运营商，丹麦国家电网公司应该时刻保证电力供需平衡。这种平衡还可以靠电力市场交易来实现。

　　“在丹麦，电价对于并网的风电量非常敏感，任何并网电量的变化，都会导致电价的上涨或者下跌。”北欧电力交易中心市场部总监安德斯·普雷德普·霍姆勒说。当风机快速运转，大量风电输入电网的时候，电价将随之走低。在丹麦，这种情况非常普遍，尤其在发电量超过用电量的时候。

　　至于风电可以在多大程度上左右电力市场的价格，安德斯·普雷德普·霍姆勒觉得很难估算。每天，北欧电力交易中心都要根据未来24小时的电力供需预测情况，逐个小时地给出电力报价。当风力发电量超过丹麦用电需求时，市场电价会下降。而当发电量超过整体用电量时，最终结算价格很可能跌到零。

　　从今年起，北欧电力市场推出了负电价制度，这意味着，当电力市场饱和的时候，供电商如果要发电，就必须付费。负电价制度旨在敦促发电厂及时停止发电，以便减轻维持电力供需平衡的工作。

　　不管电价如何变动，每年总有一次或两次，丹麦风电发电量会超过其用户所需。在这种情况下，为了尽量减少资源浪费，丹麦国家电网公司就会快速地找出这个时候欧洲什么地方电价最贵，并且确定丹麦电网能否把多余的电力资源输送到那里。