風電并網(wǎng)相關(guān)問題的研究

標簽：智能電網(wǎng) 風力發(fā)電 新能源

一：國內(nèi)外風電發(fā)展的現(xiàn)狀

作為一種新型的可再生能源, 現(xiàn)代風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)在20世紀80年代初始發(fā)于美國加利福尼亞州。風力發(fā)電具有環(huán)境友好、技術(shù)成熟、全球可行的特點, 并且具有超過20年的良好運行記錄, 越來越被人們所認可。隨著全球氣候持續(xù)變暖, 無論是在發(fā)展中國家還是發(fā)達國家都開始大力發(fā)展風電。

1、國外風力發(fā)電發(fā)展概況：

20世紀初，法國出現(xiàn)了第一臺用現(xiàn)代快速風輪驅(qū)動的發(fā)電機。到了20世紀30年代，各國已開始研制中型、大型風力發(fā)電機。1973年由于受到“石油危機11的沖擊，許多發(fā)達國家都在探索能源多樣化的途徑，以解決石油資源日益枯竭的問題。

能源危機的出現(xiàn)使得人們對新能源技術(shù)越來越感興趣。許多的個人和政府機構(gòu)都參與到了新能源事業(yè)中。當時的美國能源部(Department of Energy)資助了許多風能項目，并向企業(yè)提供試驗設(shè)備。19世紀80年代，美國聯(lián)邦政府和州政府出臺了關(guān)于風力發(fā)電機設(shè)備減免稅的政策，刺激了美國本士風力發(fā)電事業(yè)的發(fā)展。

從1990年到1996年間，全世界范圍內(nèi)安裝的總風力發(fā)電機容量每年增長20%以上。國際能源署估計全球風力發(fā)電機總安裝容量將會從1990年的200。兆瓦增加到2000年底的12000兆瓦。1997年，德國的總裝機容量己達到2000兆瓦，超過了美國躍居世界首位。到21世紀初，風能依舊是世界上發(fā)展最快的能源。據(jù)新華社報道，2002年8月8日，德國下薩克森州一批新建風力發(fā)電設(shè)備投入運營，德國的風力發(fā)電機組的總裝機容量己經(jīng)超過1萬兆瓦，占全球的一半左右。

據(jù)全球風能協(xié)會(GWEC)公布的數(shù)據(jù),2008年全球新增風電總投資達475億美元,新增裝機容量達27.26 GW,比上年增長36%。目前,全球風電總裝機容量累計已達121.19GW,與2007年相比增長了30%。近幾年,全球總裝機容量快速增長,預計至2010年,風電總裝機容量將達190 GW,將滿足全球12%的能源需求,并減排CO2達1×1010t。據(jù)世界能源委員會預測,2020年全球的風電總裝機容量將達到474 GW。

全球共有40多個國家使用風力發(fā)電,其中2008年各國在新增裝機容量中的占有率如圖1所示。

圖12008年各國在風電新增裝機容量中的占有率

2、中國風力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀：

我國幅員遼闊，海岸線長，風能資源比較豐富。根據(jù)全國900多個氣象站陸地上離地10m高度資料進行估算，全國平均風功率密度為100W/m2，風能資源總儲量約32.26億kW，可開發(fā)和利用的陸地上風能儲量有2.53億kW，近海可開發(fā)和利用的風能儲量有7.5億kW，共計約10億kW。如果陸上風電年上網(wǎng)電量按等效滿負荷2000小時計，每年可提供5000億千瓦時電量，海上風電年上網(wǎng)電量按等效滿負荷2500小時計，每年可提供1.8萬億千瓦時電量，合計2.3萬億千瓦時電量。

1986年建設(shè)山東榮成第一個示范風電場至今，經(jīng)過近20多年的努力，風電場裝機規(guī)模不斷擴大截止2004年底，全國建成43個風電場，安裝風電機組1292臺，裝機規(guī)模達到76.4萬kW，居世界第10位，亞洲第3位。另外，有關(guān)部門組織編制有關(guān)風電前期、建設(shè)和運行規(guī)程，風電場管理逐步走向規(guī)范化。

2006年到2010年。“十一五規(guī)劃”期間全國新增風電裝機容量約300萬千瓦，平均每年新增60~80萬千瓦，2010年底累計裝機約400～500萬千瓦。提供這樣的市場空間主要目的是培育國內(nèi)的風電設(shè)備制造能力，國家發(fā)展改革委于2005年7月下發(fā)文件，要求所有風電項目采用的機組本地化率達到70%，否則不予核準。此后又下發(fā)文件支持國內(nèi)風電設(shè)備制造企業(yè)與電源建設(shè)企業(yè)合作，提供50萬千瓦規(guī)模的風電市場保障，加快制造業(yè)發(fā)展。

目前國家規(guī)劃的主要項目有廣東省沿海和近海示范項目31萬千瓦;福建省沿海及島嶼22萬千瓦;上海市12萬千瓦;江蘇省45萬千瓦;山東省21萬千瓦;吉林省33萬千瓦;內(nèi)蒙古50萬千瓦;河北省32萬千瓦;甘肅省26萬千瓦;寧夏19萬千瓦;新疆22萬千瓦等。目前各省的地方政府和開發(fā)商均要求增加本省的風電規(guī)劃容量。

2020年規(guī)劃目標是2000～3000萬千瓦，風電在電源結(jié)構(gòu)中將有一定的比例，屆時約占全國總發(fā)電裝機10億千瓦容量的2～3%，總電量的1～1.5%。

2020年以后隨著化石燃料資源減少，成本增加，風電則具備市場競爭能力，會發(fā)展得更快。2030年以后水能資源大部分也將開發(fā)完，近海風電市場進入大規(guī)模開發(fā)時期。

二：風電并網(wǎng)的問題及研究現(xiàn)狀

1、主要問題：

風能由于其自身特性使得它未被人們充分利用。風能資源通常遠離負荷中心，風電場的輸出隨著風速風向的變化而變化，風力發(fā)電的特性目前尚未完全明確，所以制約了風力發(fā)電的發(fā)展。

由于風的不可控性和不可預知性，風電場不能像常規(guī)電廠一樣擁有穩(wěn)定的可靠性。同時，系統(tǒng)需要有與風電場額定容量相當?shù)膫溆萌萘浚陲L停時替代風電場。這樣的話，風電在電網(wǎng)中占的比率將會限制在較小的范圍內(nèi)，由于其與電網(wǎng)相聯(lián)成本較高，這往往會超出能量本身的價值。

隨著風電場的容量越來越大, 對系統(tǒng)的影響也越來越明顯。早期風電的單機容量較小, 大多采用結(jié)構(gòu)簡單、并網(wǎng)方便的異步發(fā)電機, 直接和配電網(wǎng)相連。而風電場所在地區(qū)往往人口稀少, 處于供電網(wǎng)絡(luò)的末端, 承受沖擊的能力很弱, 因此, 風電很有可能給配電網(wǎng)帶來諧波污染、電壓波動及閃變問題;風電的隨機性給發(fā)電和運行計劃的制定帶來很多困難;需要重新評估系統(tǒng)的發(fā)電可靠性, 分析風電的容量可信度;研究新的無功調(diào)度及電壓控制策略，以保證風電場和整個系統(tǒng)的電壓水平及無功平衡及對孤立系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響等。隨著電力電子元件的性價比不斷提高, 變速恒頻電機、雙饋電機等新型發(fā)電機組開始在風機上推廣應(yīng)用, 風電場可以像常規(guī)機組一樣,承擔電壓及無功控制的任務(wù), 正逐漸成為新的研究熱點。

2、研究現(xiàn)狀：

(1)潮流與網(wǎng)損

在電力系統(tǒng)中, 發(fā)電廠一般都接在輸電網(wǎng)上, 負荷則直接和配電網(wǎng)相連, 電能是從輸電網(wǎng)流向配電網(wǎng)的。輸電網(wǎng)一般呈環(huán)狀結(jié)構(gòu), 電壓等級高, 網(wǎng)絡(luò)損耗小;配電網(wǎng)則呈樹狀, 結(jié)構(gòu)松散, 電壓低, 網(wǎng)損較大。風電場接入配電網(wǎng)以后, 減少了輸電網(wǎng)向該地區(qū)輸送的電力, 既緩解了電網(wǎng)的輸電壓力, 一般也會降低系統(tǒng)的網(wǎng)損。

在潮流問題上, 主要的研究熱點在于風電場的模型。最簡單的是P-Q模型, 根據(jù)風電場的有功功率和給定的功率因數(shù), 估算風電場吸收的無功功率,然后作為一個普通的負荷節(jié)點加入潮流程序。如果考慮感應(yīng)電機的穩(wěn)態(tài)等值電路, 那么可以把無功功率寫成有功功率以及電機阻抗的函數(shù), 甚至可以引入風速作為輸入量, 把有功功率表示成風速的函數(shù)。還有人建立了所謂的R-X模型, 把感應(yīng)電機的滑差表示成端電壓、有功功率和等值支路阻抗的函數(shù),給定初始滑差和風速, 計算風機的電功率和機械功率, 根據(jù)兩者的差值修正滑差, 反復迭代, 直至收斂。P-Q模型不需要額外的迭代步驟, 也可以得到相當滿意的結(jié)果, 而R-X模型的計算量較大。

(2)電能質(zhì)量

①電壓閃變：

風力發(fā)電機組大多采用軟并網(wǎng)方式, 但是在啟動時仍然會產(chǎn)生較大的沖擊電流。當風速超過切出風速時, 風機會從額定出力狀態(tài)自動退出運行。如果整個風電場所有風機幾乎同時動作, 這種沖擊對配電網(wǎng)的影響十分明顯。不但如此, 風速的變化和風機的塔影效應(yīng)都會導致風機出力的波動, 而其波動正好處在能夠產(chǎn)生電壓閃變的頻率范圍之內(nèi)(低于25 Hz) , 因此, 風機在正常運行時也會給電網(wǎng)帶來閃變問題。

盡管研究電壓閃變可以采用專門裝置實地測量, 但是在實際中, 在風電場的設(shè)計階段就需要預測它可能給電網(wǎng)造成的閃變, 確定電網(wǎng)可以接受的最大風電容量。有文獻提出兩種預測模型: 一種是基于簡單潮流計算的模型, 該方法以等值阻抗表示風機并網(wǎng)點以后的網(wǎng)絡(luò), 沒有考慮風力發(fā)電機組的動態(tài)特性, 僅以有功和無功功率表示, 采用這種方法可以判斷哪些節(jié)點的電壓閃變問題最嚴重;另一種方法是動態(tài)仿真, 以3 階感應(yīng)電機模型表示風力發(fā)電機組, 考慮了實際電力系統(tǒng)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu), 進行了詳細的數(shù)字仿真, 并采用閃變算法分析仿真程序的輸出結(jié)果。除了采用數(shù)字仿真方法研究閃變問題外, 也有文獻提出頻域分析方法。這些研究的基本結(jié)論主要有如下幾點:

a、風機啟動和退出、風速的紊流以及風機的塔影效應(yīng)都可能導致電壓閃變, 定槳距風機造成的后果更嚴重一些。

b、閃變對并網(wǎng)點的短路電流水平和電網(wǎng)的阻抗比十分敏感。

c、系統(tǒng)內(nèi)常規(guī)機組的勵磁調(diào)節(jié)對削弱風電造成的閃變作用不明顯, 這可能取決于勵磁調(diào)節(jié)器的響應(yīng)速度, 不同的勵磁調(diào)節(jié)時間常數(shù)會有不同的結(jié)果。

d、有文獻認為負荷的類型(靜態(tài)或動態(tài))對閃變的分析結(jié)果影響很小, 起作用的只是負荷水平的高低; 而有的卻認為動態(tài)負荷(以感應(yīng)電機代表)能夠顯著降低閃變的發(fā)生, 其作用相當于提高了網(wǎng)絡(luò)的短路電流水平。因此, 這個問題有待進一步研究。