风电并网相关问题的研究

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一：国内外风电发展的现状

作为一种新型的可再生能源, 现代风力发电产业在20世纪80年代初始发于美国加利福尼亚州。风力发电具有环境友好、技术成熟、全球可行的特点, 并且具有超过20年的良好运行记录, 越来越被人们所认可。随着全球气候持续变暖, 无论是在发展中国家还是发达国家都开始大力发展风电。

1、国外风力发电发展概况：

20世纪初，法国出现了第一台用现代快速风轮驱动的发电机。到了20世纪30年代，各国已开始研制中型、大型风力发电机。1973年由于受到“石油危机11的冲击，许多发达国家都在探索能源多样化的途径，以解决石油资源日益枯竭的问题。

能源危机的出现使得人们对新能源技术越来越感兴趣。许多的个人和政府机构都参与到了新能源事业中。当时的美国能源部(Department of Energy)资助了许多风能项目，并向企业提供试验设备。19世纪80年代，美国联邦政府和州政府出台了关于风力发电机设备减免税的政策，刺激了美国本士风力发电事业的发展。

从1990年到1996年间，全世界范围内安装的总风力发电机容量每年增长20%以上。国际能源署估计全球风力发电机总安装容量将会从1990年的200。兆瓦增加到2000年底的12000兆瓦。1997年，德国的总装机容量己达到2000兆瓦，超过了美国跃居世界首位。到21世纪初，风能依旧是世界上发展最快的能源。据新华社报道，2002年8月8日，德国下萨克森州一批新建风力发电设备投入运营，德国的风力发电机组的总装机容量己经超过1万兆瓦，占全球的一半左右。

据全球风能协会(GWEC)公布的数据,2008年全球新增风电总投资达475亿美元,新增装机容量达27.26 GW,比上年增长36%。目前,全球风电总装机容量累计已达121.19GW,与2007年相比增长了30%。近几年,全球总装机容量快速增长,预计至2010年,风电总装机容量将达190 GW,将满足全球12%的能源需求,并减排CO2达1×1010t。据世界能源委员会预测,2020年全球的风电总装机容量将达到474 GW。

全球共有40多个国家使用风力发电,其中2008年各国在新增装机容量中的占有率如图1所示。

图12008年各国在风电新增装机容量中的占有率

2、中国风力发电发展现状：

我国幅员辽阔，海岸线长，风能资源比较丰富。根据全国900多个气象站陆地上离地10m高度资料进行估算，全国平均风功率密度为100W/m2，风能资源总储量约32.26亿kW，可开发和利用的陆地上风能储量有2.53亿kW，近海可开发和利用的风能储量有7.5亿kW，共计约10亿kW。如果陆上风电年上网电量按等效满负荷2000小时计，每年可提供5000亿千瓦时电量，海上风电年上网电量按等效满负荷2500小时计，每年可提供1.8万亿千瓦时电量，合计2.3万亿千瓦时电量。

1986年建设山东荣成第一个示范风电场至今，经过近20多年的努力，风电场装机规模不断扩大截止2004年底，全国建成43个风电场，安装风电机组1292台，装机规模达到76.4万kW，居世界第10位，亚洲第3位。另外，有关部门组织编制有关风电前期、建设和运行规程，风电场管理逐步走向规范化。

2006年到2010年。“十一五规划”期间全国新增风电装机容量约300万千瓦，平均每年新增60~80万千瓦，2010年底累计装机约400～500万千瓦。提供这样的市场空间主要目的是培育国内的风电设备制造能力，国家发展改革委于2005年7月下发文件，要求所有风电项目采用的机组本地化率达到70%，否则不予核准。此后又下发文件支持国内风电设备制造企业与电源建设企业合作，提供50万千瓦规模的风电市场保障，加快制造业发展。

目前国家规划的主要项目有广东省沿海和近海示范项目31万千瓦;福建省沿海及岛屿22万千瓦;上海市12万千瓦;江苏省45万千瓦;山东省21万千瓦;吉林省33万千瓦;内蒙古50万千瓦;河北省32万千瓦;甘肃省26万千瓦;宁夏19万千瓦;新疆22万千瓦等。目前各省的地方政府和开发商均要求增加本省的风电规划容量。

2020年规划目标是2000～3000万千瓦，风电在电源结构中将有一定的比例，届时约占全国总发电装机10亿千瓦容量的2～3%，总电量的1～1.5%。

2020年以后随着化石燃料资源减少，成本增加，风电则具备市场竞争能力，会发展得更快。2030年以后水能资源大部分也将开发完，近海风电市场进入大规模开发时期。

二：风电并网的问题及研究现状

1、主要问题：

风能由于其自身特性使得它未被人们充分利用。风能资源通常远离负荷中心，风电场的输出随着风速风向的变化而变化，风力发电的特性目前尚未完全明确，所以制约了风力发电的发展。

由于风的不可控性和不可预知性，风电场不能像常规电厂一样拥有稳定的可靠性。同时，系统需要有与风电场额定容量相当的备用容量，在风停时替代风电场。这样的话，风电在电网中占的比率将会限制在较小的范围内，由于其与电网相联成本较高，这往往会超出能量本身的价值。

随着风电场的容量越来越大, 对系统的影响也越来越明显。早期风电的单机容量较小, 大多采用结构简单、并网方便的异步发电机, 直接和配电网相连。而风电场所在地区往往人口稀少, 处于供电网络的末端, 承受冲击的能力很弱, 因此, 风电很有可能给配电网带来谐波污染、电压波动及闪变问题;风电的随机性给发电和运行计划的制定带来很多困难;需要重新评估系统的发电可靠性, 分析风电的容量可信度;研究新的无功调度及电压控制策略，以保证风电场和整个系统的电压水平及无功平衡及对孤立系统的稳定性影响等。随着电力电子元件的性价比不断提高, 变速恒频电机、双馈电机等新型发电机组开始在风机上推广应用, 风电场可以像常规机组一样,承担电压及无功控制的任务, 正逐渐成为新的研究热点。

2、研究现状：

(1)潮流与网损

在电力系统中, 发电厂一般都接在输电网上, 负荷则直接和配电网相连, 电能是从输电网流向配电网的。输电网一般呈环状结构, 电压等级高, 网络损耗小;配电网则呈树状, 结构松散, 电压低, 网损较大。风电场接入配电网以后, 减少了输电网向该地区输送的电力, 既缓解了电网的输电压力, 一般也会降低系统的网损。

在潮流问题上, 主要的研究热点在于风电场的模型。最简单的是P-Q模型, 根据风电场的有功功率和给定的功率因数, 估算风电场吸收的无功功率,然后作为一个普通的负荷节点加入潮流程序。如果考虑感应电机的稳态等值电路, 那么可以把无功功率写成有功功率以及电机阻抗的函数, 甚至可以引入风速作为输入量, 把有功功率表示成风速的函数。还有人建立了所谓的R-X模型, 把感应电机的滑差表示成端电压、有功功率和等值支路阻抗的函数,给定初始滑差和风速, 计算风机的电功率和机械功率, 根据两者的差值修正滑差, 反复迭代, 直至收敛。P-Q模型不需要额外的迭代步骤, 也可以得到相当满意的结果, 而R-X模型的计算量较大。

(2)电能质量

①电压闪变：

风力发电机组大多采用软并网方式, 但是在启动时仍然会产生较大的冲击电流。当风速超过切出风速时, 风机会从额定出力状态自动退出运行。如果整个风电场所有风机几乎同时动作, 这种冲击对配电网的影响十分明显。不但如此, 风速的变化和风机的塔影效应都会导致风机出力的波动, 而其波动正好处在能够产生电压闪变的频率范围之内(低于25 Hz) , 因此, 风机在正常运行时也会给电网带来闪变问题。

尽管研究电压闪变可以采用专门装置实地测量, 但是在实际中, 在风电场的设计阶段就需要预测它可能给电网造成的闪变, 确定电网可以接受的最大风电容量。有文献提出两种预测模型: 一种是基于简单潮流计算的模型, 该方法以等值阻抗表示风机并网点以后的网络, 没有考虑风力发电机组的动态特性, 仅以有功和无功功率表示, 采用这种方法可以判断哪些节点的电压闪变问题最严重;另一种方法是动态仿真, 以3 阶感应电机模型表示风力发电机组, 考虑了实际电力系统的网状结构, 进行了详细的数字仿真, 并采用闪变算法分析仿真程序的输出结果。除了采用数字仿真方法研究闪变问题外, 也有文献提出频域分析方法。这些研究的基本结论主要有如下几点:

a、风机启动和退出、风速的紊流以及风机的塔影效应都可能导致电压闪变, 定桨距风机造成的后果更严重一些。

b、闪变对并网点的短路电流水平和电网的阻抗比十分敏感。

c、系统内常规机组的励磁调节对削弱风电造成的闪变作用不明显, 这可能取决于励磁调节器的响应速度, 不同的励磁调节时间常数会有不同的结果。

d、有文献认为负荷的类型(静态或动态)对闪变的分析结果影响很小, 起作用的只是负荷水平的高低; 而有的却认为动态负荷(以感应电机代表)能够显著降低闪变的发生, 其作用相当于提高了网络的短路电流水平。因此, 这个问题有待进一步研究。