风电接入电网后对系统运行产生一系列重要 影响，根据范围大小分为本地影响和全系统影响。 对本地电网而言，风电接入的影响主要考虑稳态 电压偏差、电能质量和本地电压控制。对于全系 统而言，风电接入影响到系统备用容量水平、电网 稳定性、输电系统效率、输电阻塞管理、传统发电 厂的发电效率和发电厂的排放以及系统的可靠 性。当风电场靠近负荷中心时，这种影响可能是 正面的； 相反，如果电网结构薄弱，缺乏先进的风 电机组的控制手段，影响也可能是负面的。
电力系统必须始终维持电力生产和消费之间 的平衡。系统中表征有功功率平衡的首要参数是 系统频率。如果电力供应和需求之间突然出现失 衡，会体现在发电机组转子转速变化上： 如果发电 量超过负荷需求，则转子的转速会增加，电网频率
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图 1 不同时间尺度的调频控制
会上升； 反之，发电量小于负荷需求，则转速会降 低，电网频率会下降。这类功率失衡可能是由于 某台发电机的继保装置跳闸或者某个大功率负荷 突然断开导致。一次调频和二次调频是输电系统 调度员（ Transmission System Operator，简称 TSO） 实第 h 小时的风电场预测出力；
ch ———第 h 小时的风电场实际出力。
平衡罚金是基于 MAPE 值计算的，如果预测
值偏离实际出力 20% 以上，则偏差部分要被处以 电价 30% 左右的罚金。基于上述规定，风电场的 规模越大，则在预测准确性方面越有优势。图 4 给出了风电场规模与预测准确性之间的关系，随 着风电场规模的增加，其 MAPE 值从 40% 降低到 25% 左右。
在一次调频自动激活之后一段时间，二次调 频通过自动发电控制（ Automatic Generation Control，简称 AGC） 来实施，其动作时间从 15 s 到 15 min。二次调频为一次调频提供支持，它会持续作 用直到系统投入三次调频（ 如图 1 所示） 。
在二次调频激活后，实施一次调频的机组会 回到正常运行状态，为下次调整做准备。二次调 频的备用容量包括旋转备用（ 保留部分容量的水 电厂或火电厂、燃气轮机、抽水蓄能电厂） 和非旋 转备用（ 可快速启动的燃气轮机发电厂和可中断 负荷） 。二次调频控制开始于系统出现功率不平 衡后 15 s，而且必须在 15 min 内完成部署。电网 的适当二次调频备用容量取决于峰值负荷的大 小，二者之间的关系可参考图 2。 1． 3 三次调频
电力系统的一次调频控制会自动响应于频率 波动，恢复发电和负荷之间的平衡，使频率回到额 定值的允许范围。
一次调频的特点如下： （ 1） 一次调频的功能 在互联电网中是共享的，互联系统越大，则调频能 力也越强； （ 2） 一次调频能力的共享也受到输电 阻塞的影响； （ 3） 一次调频的响应时间很短，一般 不会超过频率变化后 15s； （ 4） 一次调频功能应该 确保能持续 15min 以上； （ 5） 由于一次调频所需 要的响应几乎是即时的，这就要求运行中的发电 机必须留有足够的发电备用容量。 1． 2 二次调频
如果没有特别的控制措施，在不降低其发电 出力的前提下，风电几乎不能对一次调频作出任 何贡献。风能在 15 min ～ 1 h 的时间尺度的波动 性使传统形式的发电机组的负荷跟踪过程更加困 难，从而 影 响 到 其 调 频 控 制 能 力。这 一 点 对 于 TSO 来说是必须应对的问题。调频控制对于电力 系统的稳定运行非常重要，因而必须设法保证调 频控制所需的容量，这就需要系统提供更多的旋 转备用容量或者是对应的可中断负荷。
如果电力系统有功输出和负荷需求之间的失 衡持续较长时间，在二次调频作用之后一段时间
图 2 电网二次调频备用容量和峰值负荷之间的关系
仍然不能恢复平衡，则需要启用三次调频。 三次调频，又称 15 min 备用，通常是由 TSO
调度员人工调节，来替代二次调频。这样可以释 放被占用的二次调频备用容量。
电力系统中某些类型的发电机需要提前数 h 开 机，并 且 需 要 和 电 网 同 步 后 才 能 够 正 常 发 电。 也就是说为了在高峰负荷时段输出电能，TSO 必 须对负荷高峰的发生时间做出预测，并且要提前 数 h 启动发电机。此外，有的发电机关机的过程 也非常耗时，而重新启动则需要数 h 的冷却时间 间隔。考虑到经济性，做出启用这些发电机组的 决策一般要保证它能持续运行数天。确定投入运 行的发电机组及其运行时间的过程也称为机组组 合。
综上所述，风电出力的波动性、可预测性和可 控性会影响到电网所需要的旋转备用容量。随着 风电渗透率的增加，风电对系统调频控制和负荷 跟踪能力的影响也越严重。
1 电力系统功率平衡的基本原理
电力系统的运行涉及不同的时间尺度（ 本文 所涉及到的调频控制的时间尺度主要参考了欧洲 大陆联合电网（ Union for the Coordination of Transmission of Electricity，简称 UCTE） 的运行实践，不 同电网可能有所差别，从几秒到几天，分别对应于 电力系统控制的一次调频、二次调频和三次调频 （ 见图 1） 。 1． 1 一次调频
为了评 价 风 电 并 网 对 二 次 和 三 次 调 频 的 影 响，需要考虑 TSO 对二次、三次调频备用容量的 使用方式。在容量较大、风电分布较为分散的电 网中，即使在极端天气状况下，所有风电的集合出 力的功率波动也很少超过 10% 装机容量 / 小时； 而小型的电网，比如丹麦西部的电网，所有风电的 集合出力的功率波动通常很少超过 25% 装机容 量 /h。如果风电在二次调频时间尺度的波动超出 事先的预测，则会影响系统的净不平衡功率。风 电出力的预测偏差和其它的调度计划功率偏差 （ 主要是负荷预测偏差） 结合起来构成了系统的 总的不平衡功率并决定着备用容量水平。研究表 明，只有在风电的极限穿越功率达到 10% 以 上 时，风电才会对二次调频备用容量产生明显影响。 这方面，风电最显著的影响是如何调度传统调峰 电厂的容量跟随负荷的变化和波动。
预测的价值高度依赖于电网规程、技术水平和风 电场所在地点的气象、地理条件。不同国家的法
规的差别导致风电出力预测工具的投资主体有很
大区别。 （ 1） 在德国和丹麦，输电网和配电网运营企
业对系统功率平衡和电能质量负完全责任，并且 有义务全额收购包括风电在内的可再生能源发电 量。因而，风电出力预测工具主要由输电网和配 电网运营企业投资。
图 3 电力系统的调频和备用
大容量风电场对系统的影响延伸到不同的时 间尺度： 秒、分钟、小时和天。这些影响体现在额 外增加的备用容量、电能成本的增加和系统运行 的新技术措施等方面。
2 平衡风电场、负荷和传统电厂的出力
2． 1 备用容量的调度和运行 为了平衡发电和负荷，电厂根据事先预计的
负荷趋势安排发电计划。如果实际负荷与事先的 预计有任何偏差，则会反映在系统频率偏离额定 值上，此时一次调频和二次调频发挥作用，使系统 频率恢复到额定值。
在早晨时段由于负荷处于上升阶段，应该提 前调度更多的电厂投入运行。如果在此时段，能 准确预测风电出力的增加，则可以减少调峰电厂 的容量。相反，如果风电出力的预测可靠性不高 的话，则不能减少投入的传统调峰电厂的容量，可 能不得不切除部分风电机组，造成风能的浪费。
如果风电场的出力可以提前 1 ～ 2 d 作出准 确预测，对于 TSO 确定投入的机组非常有帮助。 如果缺乏风电出力的可靠预测，则 TSO 的机组组 合决策不可避免的带有不确定性。 2． 2 风电出力的短期预测
（ 2） 在英国，由于现行的电力交易法规 NE-
TA 要求发电企业应确保出力在约定的范围内，而 如果风电场无法将输出的波动限制在要求的区域 内，将会被处以罚金。因而，风电出力预测工具由 运营企业出于自身的利益而投资购买使用。
（ 3） 在西班牙，风电预测误差以平均绝对误 差百分比来表示。
MAPE = ∑ | eh － ch | / ∑ch × 100 （ 1）
Research on the Influence of Wind Power on Power Balancing and Reserve Capacity
WU Chun （ Shanghai Municipal Power Co． ，Shanghai 200120）
Abstract： In order to integrate wind power efficiently at higher levels of penetration，changes are necessary in the operating methods in various parts of the power system—such as reassessing power balancing demand and reserve capacity． This paper analyzes the influence of grid-in wind turbines on the frequency modulation and reserve capacity and its responses based on the experiences of the industrialized countries，introduces the principles of power balancing， especially how to balance the output of the traditional power plant and the load of the wind farm． Then the system capacity and cost assessment are presented． Key words： Wind Power； balancing power； Reserve capacity； Power System
第 39 卷 第 6 期 2011 年 6 月
Vol． 39 No． 6 Jun． 2011