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大规模风电接入下电力辅助服务的变革与发展研究

一、引言

1.1研究背景与意义

在全球能源转型的大背景下，大规模风电接入电力系统已成为必然趋势。随着传统化石能源的日益枯竭以及环境问题的愈发严峻，以风能为代表的可再生能源因其清洁、可持续的特性，受到了世界各国的广泛关注与大力发展。国际能源署（IEA）的数据显示，近年来全球风电装机容量持续高速增长，从2010年的198GW增长至2023年的超过900GW，预计到2030年将突破1500GW。我国同样高度重视风电发展，《“十四五”可再生能源发展规划》明确提出，要加快风电等可再生能源的大规模开发利用，推动能源结构向绿色低碳转型。截至2023年底，我国风电装机容量已达365GW，稳居世界首位，风电在电力供应中的占比也不断提升。

然而，大规模风电接入也给电力系统带来了诸多挑战。风能的随机性和间歇性使得风电出力难以精准预测和有效控制。当风速发生变化时，风电机组的输出功率会随之产生较大波动，这种波动可能在短时间内对电力系统的功率平衡造成冲击，进而影响系统的频率稳定。例如，在某些地区，当风速突然增大或减小时，风电出力的大幅变化导致电力系统频率出现明显偏差，威胁到系统的安全运行。同时，风电的反调峰特性也给电力系统的调峰带来困难，传统的电力系统调峰方式难以适应风电出力与负荷需求反向变化的情况。

风电场的大规模接入还会对电力系统的电压稳定性产生影响。由于风电机组通常通过长距离输电线路接入电网，在风电出力较大时，线路上的功率传输会导致电压降落增大，可能引发局部地区电压过低的问题。若风电场附近的无功补偿设备不足或配置不合理，当风电出力波动时，还可能出现电压大幅波动甚至电压崩溃的风险。而且，风电接入还会改变电力系统的潮流分布，使得原有的继电保护装置整定方案不再适用，可能导致保护装置误动作或拒动作，影响电力系统的可靠性。

面对这些挑战，深入研究大规模风电接入后的电力系统辅助服务具有至关重要的意义。从电力系统稳定运行的角度来看，完善的辅助服务能够有效应对风电的随机性和间歇性，保障电力系统的频率和电压稳定。通过快速响应的调频、调峰辅助服务，可以及时调整电力系统的有功功率平衡，抑制风电出力波动对频率的影响；而合理的无功补偿和电压控制辅助服务，则能确保电力系统在不同工况下的电压稳定，提高系统的运行可靠性。从经济运行的角度出发，优化辅助服务市场机制可以降低电力系统为接纳风电所付出的成本。通过市场化手段激励各类电源参与辅助服务，能够提高资源配置效率，减少因风电消纳困难而导致的弃风现象，提升风电的利用效率，从而降低电力系统的整体运行成本。对风电产业自身发展而言，良好的电力系统辅助服务支撑能够为风电的大规模开发和利用创造有利条件。这有助于吸引更多的投资进入风电领域，促进风电技术的研发和创新，推动风电产业的可持续发展，加快能源结构的绿色低碳转型进程，实现经济、环境和社会的多赢局面。

1.2国内外研究现状

在大规模风电接入对电力系统影响的研究方面，国内外学者已取得了丰硕成果。在国外，欧盟的一些研究项目深入分析了风电出力的随机性和间歇性对电力系统频率稳定性的影响机制。研究表明，风电出力的快速变化会导致系统频率偏差增大，当风电渗透率达到一定程度时，传统的频率控制手段可能无法有效维持系统频率稳定。例如，德国在其风电大规模发展过程中，通过对实际运行数据的监测和分析，发现当风电出力占比超过30%时，系统频率波动明显加剧，对调频辅助服务的需求大幅增加。美国的相关研究则侧重于风电接入对电力系统电压稳定性的影响，通过建立详细的电力系统模型，模拟不同风电接入场景下的电压变化情况，结果显示，风电接入会改变系统的无功潮流分布，在某些工况下可能导致节点电压越限，威胁系统的安全运行。

国内学者同样对风电接入电力系统的影响展开了广泛研究。文献通过对我国多个大规模风电场接入电网的实际案例分析，揭示了风电的反调峰特性给电力系统调峰带来的严峻挑战。在我国北方部分地区，冬季风电出力高峰与电力负荷低谷时段重合，使得火电机组调峰压力巨大，甚至出现弃风现象。还有研究运用先进的仿真软件，对风电接入后的电力系统潮流分布进行模拟，发现风电接入会使原有输电线路的潮流发生改变，部分线路可能出现过载风险，影响系统的可靠性。

针对大规模风电接入带来的挑战，国内外在电力系统辅助服务方面也进行了深入研究。国外在辅助服务市场机制方面进行了诸多探索。例如，北欧电力市场建立了完善的辅助服务市场，通过市场化的竞价机制，激励各类电源参与调频、调峰和备用等辅助服务。在这个市场中，发电企业可以根据自身的成本和能力，自主申报提供辅助服务的价格和容量，电网运营商则根据系统的需求进行统一调度和优化配置，从而提高了辅助服务的效率和质量。美国PJM电力市场则采用了容量补