風(fēng)電并網(wǎng)相關(guān)問題的研究

標(biāo)簽：智能電網(wǎng) 風(fēng)力發(fā)電 新能源

一：國(guó)內(nèi)外風(fēng)電發(fā)展的現(xiàn)狀

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

1、國(guó)外風(fēng)力發(fā)電發(fā)展概況：

20世紀(jì)初，法國(guó)出現(xiàn)了第一臺(tái)用現(xiàn)代快速風(fēng)輪驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)。到了20世紀(jì)30年代，各國(guó)已開始研制中型、大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。1973年由于受到“石油危機(jī)11的沖擊，許多發(fā)達(dá)國(guó)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(jī)的出現(xiàn)使得人們對(duì)新能源技術(shù)越來越感興趣。許多的個(gè)人和政府機(jī)構(gòu)都參與到了新能源事業(yè)中。當(dāng)時(shí)的美國(guó)能源部(Department of Energy)資助了許多風(fēng)能項(xiàng)目，并向企業(yè)提供試驗(yàn)設(shè)備。19世紀(jì)80年代，美國(guó)聯(lián)邦政府和州政府出臺(tái)了關(guān)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)備減免稅的政策，刺激了美國(guó)本士風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機(jī)容量每年增長(zhǎng)20%以上。國(guó)際能源署估計(jì)全球風(fēng)力發(fā)電機(jī)總安裝容量將會(huì)從1990年的200。兆瓦增加到2000年底的12000兆瓦。1997年，德國(guó)的總裝機(jī)容量己達(dá)到2000兆瓦，超過了美國(guó)躍居世界首位。到21世紀(jì)初，風(fēng)能依舊是世界上發(fā)展最快的能源。據(jù)新華社報(bào)道，2002年8月8日，德國(guó)下薩克森州一批新建風(fēng)力發(fā)電設(shè)備投入運(yùn)營(yíng)，德國(guó)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的總裝機(jī)容量己經(jīng)超過1萬兆瓦，占全球的一半左右。

據(jù)全球風(fēng)能協(xié)會(huì)(GWEC)公布的數(shù)據(jù),2008年全球新增風(fēng)電總投資達(dá)475億美元,新增裝機(jī)容量達(dá)27.26 GW,比上年增長(zhǎng)36%。目前,全球風(fēng)電總裝機(jī)容量累計(jì)已達(dá)121.19GW,與2007年相比增長(zhǎng)了30%。近幾年,全球總裝機(jī)容量快速增長(zhǎng),預(yù)計(jì)至2010年,風(fēng)電總裝機(jī)容量將達(dá)190 GW,將滿足全球12%的能源需求,并減排CO2達(dá)1×1010t。據(jù)世界能源委員會(huì)預(yù)測(cè),2020年全球的風(fēng)電總裝機(jī)容量將達(dá)到474 GW。

全球共有40多個(gè)國(guó)家使用風(fēng)力發(fā)電,其中2008年各國(guó)在新增裝機(jī)容量中的占有率如圖1所示。

圖12008年各國(guó)在風(fēng)電新增裝機(jī)容量中的占有率

2、中國(guó)風(fēng)力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀：

我國(guó)幅員遼闊，海岸線長(zhǎng)，風(fēng)能資源比較豐富。根據(jù)全國(guó)900多個(gè)氣象站陸地上離地10m高度資料進(jìn)行估算，全國(guó)平均風(fēng)功率密度為100W/m2，風(fēng)能資源總儲(chǔ)量約32.26億kW，可開發(fā)和利用的陸地上風(fēng)能儲(chǔ)量有2.53億kW，近?？砷_發(fā)和利用的風(fēng)能儲(chǔ)量有7.5億kW，共計(jì)約10億kW。如果陸上風(fēng)電年上網(wǎng)電量按等效滿負(fù)荷2000小時(shí)計(jì)，每年可提供5000億千瓦時(shí)電量，海上風(fēng)電年上網(wǎng)電量按等效滿負(fù)荷2500小時(shí)計(jì)，每年可提供1.8萬億千瓦時(shí)電量，合計(jì)2.3萬億千瓦時(shí)電量。

1986年建設(shè)山東榮成第一個(gè)示范風(fēng)電場(chǎng)至今，經(jīng)過近20多年的努力，風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)規(guī)模不斷擴(kuò)大截止2004年底，全國(guó)建成43個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，安裝風(fēng)電機(jī)組1292臺(tái)，裝機(jī)規(guī)模達(dá)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(fēng)電前期、建設(shè)和運(yùn)行規(guī)程，風(fēng)電場(chǎng)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(guó)新增風(fēng)電裝機(jī)容量約300萬千瓦，平均每年新增60~80萬千瓦，2010年底累計(jì)裝機(jī)約400～500萬千瓦。提供這樣的市場(chǎng)空間主要目的是培育國(guó)內(nèi)的風(fēng)電設(shè)備制造能力，國(guó)家發(fā)展改革委于2005年7月下發(fā)文件，要求所有風(fēng)電項(xiàng)目采用的機(jī)組本地化率達(dá)到70%，否則不予核準(zhǔn)。此后又下發(fā)文件支持國(guó)內(nèi)風(fēng)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(fēng)電市場(chǎng)保障，加快制造業(yè)發(fā)展。

目前國(guó)家規(guī)劃的主要項(xiàng)目有廣東省沿海和近海示范項(xiàng)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(fēng)電規(guī)劃容量。

2020年規(guī)劃目標(biāo)是2000～3000萬千瓦，風(fēng)電在電源結(jié)構(gòu)中將有一定的比例，屆時(shí)約占全國(guó)總發(fā)電裝機(jī)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(fēng)電則具備市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力，會(huì)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(fēng)電市場(chǎng)進(jìn)入大規(guī)模開發(fā)時(shí)期。

二：風(fēng)電并網(wǎng)的問題及研究現(xiàn)狀

1、主要問題：

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

由于風(fēng)的不可控性和不可預(yù)知性，風(fēng)電場(chǎng)不能像常規(guī)電廠一樣擁有穩(wěn)定的可靠性。同時(shí)，系統(tǒng)需要有與風(fēng)電場(chǎng)額定容量相當(dāng)?shù)膫溆萌萘?，在風(fēng)停時(shí)替代風(fēng)電場(chǎng)。這樣的話，風(fēng)電在電網(wǎng)中占的比率將會(huì)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(huì)超出能量本身的價(jià)值。

隨著風(fēng)電場(chǎng)的容量越來越大, 對(duì)系統(tǒng)的影響也越來越明顯。早期風(fēng)電的單機(jī)容量較小, 大多采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、并網(wǎng)方便的異步發(fā)電機(jī), 直接和配電網(wǎng)相連。而風(fēng)電場(chǎng)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(fēng)電很有可能給配電網(wǎng)帶來諧波污染、電壓波動(dòng)及閃變問題;風(fēng)電的隨機(jī)性給發(fā)電和運(yùn)行計(jì)劃的制定帶來很多困難;需要重新評(píng)估系統(tǒng)的發(fā)電可靠性, 分析風(fēng)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(fēng)電場(chǎng)和整個(gè)系統(tǒng)的電壓水平及無功平衡及對(duì)孤立系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響等。隨著電力電子元件的性價(jià)比不斷提高, 變速恒頻電機(jī)、雙饋電機(jī)等新型發(fā)電機(jī)組開始在風(fēng)機(jī)上推廣應(yīng)用, 風(fēng)電場(chǎng)可以像常規(guī)機(jī)組一樣,承擔(dān)電壓及無功控制的任務(wù), 正逐漸成為新的研究熱點(diǎn)。

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(fù)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(jí)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(fēng)電場(chǎng)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(huì)降低系統(tǒng)的網(wǎng)損。

在潮流問題上, 主要的研究熱點(diǎn)在于風(fēng)電場(chǎng)的模型。最簡(jiǎn)單的是P-Q模型, 根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)的有功功率和給定的功率因數(shù), 估算風(fēng)電場(chǎng)吸收的無功功率,然后作為一個(gè)普通的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)加入潮流程序。如果考慮感應(yīng)電機(jī)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(jī)阻抗的函數(shù), 甚至可以引入風(fēng)速作為輸入量, 把有功功率表示成風(fēng)速的函數(shù)。還有人建立了所謂的R-X模型, 把感應(yīng)電機(jī)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(fēng)速, 計(jì)算風(fēng)機(jī)的電功率和機(jī)械功率, 根據(jù)兩者的差值修正滑差, 反復(fù)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(dāng)滿意的結(jié)果, 而R-X模型的計(jì)算量較大。

(2)電能質(zhì)量

①電壓閃變：

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大多采用軟并網(wǎng)方式, 但是在啟動(dòng)時(shí)仍然會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊電流。當(dāng)風(fēng)速超過切出風(fēng)速時(shí), 風(fēng)機(jī)會(huì)從額定出力狀態(tài)自動(dòng)退出運(yùn)行。如果整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)所有風(fēng)機(jī)幾乎同時(shí)動(dòng)作, 這種沖擊對(duì)配電網(wǎng)的影響十分明顯。不但如此, 風(fēng)速的變化和風(fēng)機(jī)的塔影效應(yīng)都會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)出力的波動(dòng), 而其波動(dòng)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(fēng)機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)也會(huì)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(shí)地測(cè)量, 但是在實(shí)際中, 在風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)計(jì)階段就需要預(yù)測(cè)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(fēng)電容量。有文獻(xiàn)提出兩種預(yù)測(cè)模型: 一種是基于簡(jiǎn)單潮流計(jì)算的模型, 該方法以等值阻抗表示風(fēng)機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)以后的網(wǎng)絡(luò), 沒有考慮風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的動(dòng)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(diǎn)的電壓閃變問題最嚴(yán)重;另一種方法是動(dòng)態(tài)仿真, 以3 階感應(yīng)電機(jī)模型表示風(fēng)力發(fā)電機(jī)組, 考慮了實(shí)際電力系統(tǒng)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu), 進(jìn)行了詳細(xì)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(xiàn)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(diǎn):

a、風(fēng)機(jī)啟動(dòng)和退出、風(fēng)速的紊流以及風(fēng)機(jī)的塔影效應(yīng)都可能導(dǎo)致電壓閃變, 定槳距風(fēng)機(jī)造成的后果更嚴(yán)重一些。

b、閃變對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)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(jī)組的勵(lì)磁調(diào)節(jié)對(duì)削弱風(fēng)電造成的閃變作用不明顯, 這可能取決于勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的響應(yīng)速度, 不同的勵(lì)磁調(diào)節(jié)時(shí)間常數(shù)會(huì)有不同的結(jié)果。

d、有文獻(xiàn)認(rèn)為負(fù)荷的類型(靜態(tài)或動(dòng)態(tài))對(duì)閃變的分析結(jié)果影響很小, 起作用的只是負(fù)荷水平的高低; 而有的卻認(rèn)為動(dòng)態(tài)負(fù)荷(以感應(yīng)電機(jī)代表)能夠顯著降低閃變的發(fā)生, 其作用相當(dāng)于提高了網(wǎng)絡(luò)的短路電流水平。因此, 這個(gè)問題有待進(jìn)一步研究。