風電併網相關問題的研究

標籤：智能電網 風力發電 新能源

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201207.htm

一：國內外風電發展的現狀

作為一種新型的可再生能源, 現代風力發電產業在20世紀80年代初始發於美國加利福尼亞州。風力發電具有環境友好、技術成熟、全球可行的特點, 並且具有超過20年的良好運行記錄, 越來越被人們所認可。隨著全球氣候持續變暖, 無論是在發展中國家還是發達國家都開始大力發展風電。

1、國外風力發電發展概況：

20世紀初，法國出現了第一臺用現代快速風輪驅動的發電機。到了20世紀30年代，各國已開始研製中型、大型風力發電機。1973年由於受到「石油危機11的衝擊，許多發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。

能源危機的出現使得人們對新能源技術越來越感興趣。許多的個人和政府機構都參與到了新能源事業中。當時的美國能源部(Department of Energy)資助了許多風能項目，並向企業提供試驗設備。19世紀80年代，美國聯邦政府和州政府出臺了關於風力發電機設備減免稅的政策，刺激了美國本士風力發電事業的發展。

從1990年到1996年間，全世界範圍內安裝的總風力發電機容量每年增長20%以上。國際能源署估計全球風力發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展最快的能源。據新華社報導，2002年8月8日，德國下薩克森州一批新建風力發電設備投入運營，德國的風力發電機組的總裝機容量己經超過1萬兆瓦，佔全球的一半左右。

據全球風能協會(GWEC)公布的數據,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,並減排CO2達1×1010t。據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電,其中2008年各國在新增裝機容量中的佔有率如圖1所示。

圖12008年各國在風電新增裝機容量中的佔有率

2、中國風力發電發展現狀：

我國幅員遼闊，海岸線長，風能資源比較豐富。根據全國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，可開發和利用的陸地上風能儲量有2.53億kW，近海可開發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年建設山東榮成第一個示範風電場至今，經過近20多年的努力，風電場裝機規模不斷擴大截止2004年底，全國建成43個風電場，安裝風電機組1292臺，裝機規模達到76.4萬kW，居世界第10位，亞洲第3位。另外，有關部門組織編制有關風電前期、建設和運行規程，風電場管理逐步走向規範化。

2006年到2010年。「十一五規劃」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的風電設備製造能力，國家發展改革委於2005年7月下發文件，要求所有風電項目採用的機組本地化率達到70%，否則不予核准。此後又下發文件支持國內風電設備製造企業與電源建設企業合作，提供50萬千瓦規模的風電市場保障，加快製造業發展。

目前國家規劃的主要項目有廣東省沿海和近海示範項目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商均要求增加本省的風電規劃容量。

2020年規劃目標是2000～3000萬千瓦，風電在電源結構中將有一定的比例，屆時約佔全國總發電裝機10億千瓦容量的2～3%，總電量的1～1.5%。

2020年以後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，會發展得更快。2030年以後水能資源大部分也將開發完，近海風電市場進入大規模開發時期。

二：風電併網的問題及研究現狀

1、主要問題：

風能由於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，風力發電的特性目前尚未完全明確，所以制約了風力發電的發展。

由於風的不可控性和不可預知性，風電場不能像常規電廠一樣擁有穩定的可靠性。同時，系統需要有與風電場額定容量相當的備用容量，在風停時替代風電場。這樣的話，風電在電網中佔的比率將會限制在較小的範圍內，由於其與電網相聯成本較高，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, 對系統的影響也越來越明顯。早期風電的單機容量較小, 大多採用結構簡單、併網方便的異步發電機, 直接和配電網相連。而風電場所在地區往往人口稀少, 處於供電網絡的末端, 承受衝擊的能力很弱, 因此, 風電很有可能給配電網帶來諧波汙染、電壓波動及閃變問題;風電的隨機性給發電和運行計劃的制定帶來很多困難;需要重新評估系統的發電可靠性, 分析風電的容量可信度;研究新的無功調度及電壓控制策略，以保證風電場和整個系統的電壓水平及無功平衡及對孤立系統的穩定性影響等。隨著電力電子元件的性價比不斷提高, 變速恆頻電機、雙饋電機等新型發電機組開始在風機上推廣應用, 風電場可以像常規機組一樣,承擔電壓及無功控制的任務, 正逐漸成為新的研究熱點。

2、研究現狀：

(1)潮流與網損

在電力系統中, 發電廠一般都接在輸電網上, 負荷則直接和配電網相連, 電能是從輸電網流向配電網的。輸電網一般呈環狀結構, 電壓等級高, 網絡損耗小;配電網則呈樹狀, 結構鬆散, 電壓低, 網損較大。風電場接入配電網以後, 減少了輸電網向該地區輸送的電力, 既緩解了電網的輸電壓力, 一般也會降低系統的網損。

在潮流問題上, 主要的研究熱點在於風電場的模型。最簡單的是P-Q模型, 根據風電場的有功功率和給定的功率因數, 估算風電場吸收的無功功率,然後作為一個普通的負荷節點加入潮流程序。如果考慮感應電機的穩態等值電路, 那麼可以把無功功率寫成有功功率以及電機阻抗的函數, 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。還有人建立了所謂的R-X模型, 把感應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,給定初始滑差和風速, 計算風機的電功率和機械功率, 根據兩者的差值修正滑差, 反覆迭代, 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果, 而R-X模型的計算量較大。

(2)電能質量

①電壓閃變：

風力發電機組大多採用軟併網方式, 但是在啟動時仍然會產生較大的衝擊電流。當風速超過切出風速時, 風機會從額定出力狀態自動退出運行。如果整個風電場所有風機幾乎同時動作, 這種衝擊對配電網的影響十分明顯。不但如此, 風速的變化和風機的塔影效應都會導致風機出力的波動, 而其波動正好處在能夠產生電壓閃變的頻率範圍之內(低於25 Hz) , 因此, 風機在正常運行時也會給電網帶來閃變問題。

儘管研究電壓閃變可以採用專門裝置實地測量, 但是在實際中, 在風電場的設計階段就需要預測它可能給電網造成的閃變, 確定電網可以接受的最大風電容量。有文獻提出兩種預測模型: 一種是基於簡單潮流計算的模型, 該方法以等值阻抗表示風機併網點以後的網絡, 沒有考慮風力發電機組的動態特性, 僅以有功和無功功率表示, 採用這種方法可以判斷哪些節點的電壓閃變問題最嚴重;另一種方法是動態仿真, 以3 階感應電機模型表示風力發電機組, 考慮了實際電力系統的網狀結構, 進行了詳細的數字仿真, 並採用閃變算法分析仿真程序的輸出結果。除了採用數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都可能導致電壓閃變, 定槳距風機造成的後果更嚴重一些。

b、閃變對併網點的短路電流水平和電網的阻抗比十分敏感。

c、系統內常規機組的勵磁調節對削弱風電造成的閃變作用不明顯, 這可能取決於勵磁調節器的響應速度, 不同的勵磁調節時間常數會有不同的結果。

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