我国风电现状与发展-秦皇岛网

我国风电现状与开展王丽宏〔内蒙古电力勘测设计院〕摘要：我国风能资源丰富区和较丰富区面积大，分布范围广，且具有稳定度高、连续性好的风能品位。按照规划，国家将力争用10多年时间在内蒙古、甘肃、新疆、河北、江苏等地形成几个上千万千瓦级的风电基地。近几年，风电开展速度越来越快，而且风电场的规模也越来越大，风电并网问题越来越受到各方面的重视。论文研究和探讨了影响风电接入容量的主要因素以及风电接入对电网的影响。66qhd秦皇岛网://bbs.66qhd/秦皇岛论坛关键词：风能资源；风功率；无功补偿；风电穿透功率极限0引言近年来，在能源消耗量迅速增长、价格不断走高和全球生态环境恶化的双重压力下，世界各国都把开发利用可再生新能源放到了重要位置。在众多可再生能源中，风能以其巨大的优越性和开发潜力受到人们的青睐，风力发电也开展迅速，成为一个具有强大生命力的产业。我国风能资源十分丰富，采用10米高度的风速测算，陆地风能资源理论储量为32.26亿千瓦，实际可开发资源为2.53亿千瓦；我国近海区域可开发利用的风能资源约为陆地的3倍，为7.5亿千瓦。因此，我国可开发的风能资源约为10亿千瓦。从总量上看，已远远超过我国可利用的水能资源3.78亿千瓦，具备大规模开展风力发电的资源条件。我国的风电事业也开展迅速，累计装机容量从1995年3.8万千瓦增加到2006年260万千瓦，年平均增长46.8％，特别是2006年《可再生能源法》实施以后，增长到达105.6％[1]。截至2008年底,全国风电装机已超过1000万千瓦,仅2008年新增风电装机就有400多万千瓦,我国风电装机总量已位居世界第五位。风电是一个有待开发的取之不尽、用之不竭的能源宝库，是满足可持续开展需求的理想能源。目前各有关职能部门正在研究和编制可再生能源法的实施细那么。根据年全国风电开展规划目标，我们将迎来一个风电高速增长的时期。1风能风能是取之不尽，用之不竭的优质能源，风能无污染但是不能运输。1.1风功率的计算空气运动具有动能，如果风力机风轮的断面积为，那么当一股体积为的空气在单位时间内流经风轮时，该空气单位时间风功率为[2]：〔1〕式中，——空气密度()；——风力机叶片旋转一圈所扫过的面积()；——风速()；如果风力机的风轮直径为D，那么〔2〕假设有效风速时间为，那么在时间内的风能为〔3〕由上式可知，风能与空气密度、风轮直径的平方、风速的立方和风速的持续时间成正比。一般说来，一定高度范围内空气密度可以认为是一个常数。因此，当风力机的风轮越大，有效风速时间越长，待别是风速越大，那么风力机所能获得的风能就越大。1.2风能资源普查分析对收集到的资料进行进一步分析，按标准风能区域、风功率密度等级，初步确定风能可利用区。有关风功率密度级及风能可利用区的划分方法见下列图，图1是中国年风速大于3m/s小时数分布图。从图中可以看到每种颜色代表年利用小时数的不同，我国年有效利用小时数均在3000以上，均属于可开发风电场区域。图1中国年风速大于3m/s小时数分布图1.3风力发电的特点风力发电和常规水电、火电和核电等相比，根本的区别有三点：〔1〕风电机组的有功功率输出是随机的，其大小取决于风的变化；而火电等常规发电机组输出的有功功率和无功功率都可以准确控制；〔2〕目前采用的风电机组绝大多数是异步发电机组，输出随机有功功率的同时，要吸收无功功率，而火电和水电机组全部都是同步发电机组；〔3〕具有相对容量较小的大量风电机组并列运行是风电场的一个重要特点。另外，风电机组是高度自动化的发电设备，可以无人职守、自动运行；当电力系统的运行参数〔如电压和频率等〕超过一定范围时，风电机组自动停机[3]。我国风电场运行水平与国际先进水平尚有较大差距，综合容量利用率为17.8%，而目前世界先进水平可达50％左右。影响这一指标的主要因素有：〔1〕风力资源的评估〔2〕机组运行可靠性及人员维修能力〔3〕机组发电效率〔4〕电网吸纳风力发电量的水平。2影响风电场接入容量的主要因素风电接入容量的大小不仅取决于风电场的运行特性和系统中其它发电设备的调节能力，还与风电接入的系统的网络结构等诸多因素密切相关[4]。2.1风电场接入点PCC〔PointofCommonConnection〕的负载能力的强弱国内外研究者普遍认为可用PCC的短路容量来表征，因为它决定了该网络承受风电扰动的能力。短路容量大说明该节点与系统电源点的电气距离小，联系紧密。短路容量越小，节点电压对风电注入功率变化的敏感度越大，系统承受风电功率扰动的能力也就越差。用这一指标表示风电场接入规模的大小，重点考察风电功率的注入对局部电网的电压质量和电压稳定性的影响。在我国，受风资源分布的影响，许多电网结构相对薄弱的地区，风能资源较好，从而风电场接入点的短路容量较小，风电场的规模受到很大限制。可以预测，大规模风电接入电力系统的电网结构问题将成为制约我国风电接入容量的主要因素。2.2风电场与电网的联接方式风电场接入中低压电网，改变了局部电力系统的潮流分布和电压水平，这些影响在原有的电网规划设计时是没有预先考虑的。因此在并网风电场的规划阶段确定风电场的接入容量时，从保证风电场和电力系统正常运行的角度而言，必须深入研究风电场的接入引起的局部系统节点电压变化。一方面防止风电注入引起的线路功率过载和节点电压越限，另一方面防止风电机组因端电压过低或过高而造成非正常停机损失发电量。此外，线路的X/R的大小不同也将会影响风电场和局部电网节点电压的分布，对风电场的接入容量也有一定的影响。2.3系统中常规机组的调节能力的大小由于风电具有不稳定性和间歇性的特点，需要系统具有一定的旋转备用容量以防止失去风电容量后造成系统频率的下降。同时增加系统中其它机组的频率和电压调节的相应能力可以改善风电功率变化造成的系统频率和电压的波动。因此，增加系统常规机组的旋转备用提高其电压和频率的调节能力，可以提高风电的最大接入容量。2.4地区负荷特性风电场附近地区负荷的电压频率调节特性以及负荷对电压和频率质量的要求对风电接入容量也有一定的影响。如果负荷对电能质量的要求过高将会限制该系统所能承受的最大风电功率。2.5风电机组的类型和无功补偿状况风电机组的类型不同，其风电系统的运行特性也不同。对于异步发电机组。由于其本身没有励磁环节，需要从网络吸收无功功率以建立磁场，因此，风电机组的无功补偿状况对风电场的输出特性有很大影响，进而影响风电的最大接入容量。安装动态无功补偿装置〔如SVC等〕，可以提高风电系统的电能质量和稳定性，也能够有效提高风电的最大接入容量。对于变速恒频风电机组，虽然本钱高，但是风能利用率高而且具有电压调节能力，与电网之间的相互影响较小。3风电场接入对电网的影响风力发电机的原动力是风，风的随机波动性和间歇性决定了风力发电机的输出特性也是波动和间歇的。此外，在我国，风力发电机多为异步发电机，其发出有功功率的同时还要从系统吸收无功功率，无功需求随有功输出变化而变化。当风电场的容量较小时，这种需求特性对电力系统的影响并不显著。随着大规模风电场的接入，风电容量在系统中所占比例的增加，风电场对系统的影响将不能被无视。3.1对电网频率的影响风电场对系统频率的影响取决于风电场容量占系统总容量的比例，也就是国内外学者和工程技术人员通常所说的风电穿透功率极限。风电穿透功率极限是从全网的角度出发，表征一个给定规模的电网最大可以承受的风电容量的大小，旨在考虑风电场对系统频率的影响。确定这一指标，首先要考虑到风电的随机性、间歇性，和不可控性，在风电投入和退出运行的两种情况下，电力系统的可调节容量应能保证电网频率的变化在允许的范围之内。3.2对电网电压稳定性的影响大规模风电场接入电力系统时风电场对无功功率的需求是导致电网电压稳定性降低的主要原因。风力发电出力随风速大小等因素而变化，同时由于风能资源分布的限制，风电场大多建设在电网的末端，网络结构比拟薄弱〔短路容量较小〕，所以在风电场并网运行时必然会影响电网的电压质量和电网的电压稳定性。另外，风力发电机多采用感应电机，感应发电机的运行需要无功支持，因此并网运行的风力发电机对电网来说是一个无功负荷。将会对电网电压有两方面的影响。〔1〕在故障和操作后未发生功角失稳的情况下，如果风电机组自身穿越低电压的能力较差，机组会因低电压保护动作而停机，风电场有功输出减少，相应地系统失去局部无功负荷，从而导致电压水平偏高，甚至使风电场母线电压越限。〔2〕为满足风力发电场的无功需求，对于风力发电机应配有无功补偿装置。目前无功补偿装置最大无功补偿量是根据异步发电机在额定功率时的功率因数设计的，即在额定功率时无功补偿量必须保证功率因数到达设计的额定功率因数，一般为0.98。总之，并网型风电场对于电网稳定性的主要威胁一方面是风速的波动性和随机性引起风电场出力随时间变化且难以准确预测，从而导致风力发电接入电力系统时存在平安隐患。另一方面是弱电网中风电注入功率过高引起的电压稳定性降低。4双馈电机风电场无功功率分析及控制策略4.1风力发电机组的高新技术及其开展方向目前在风电机组中应用得最多、容量最大的电机仍是大型异步电机，特别是双馈变速恒频交流异步电机，开展最快，占据主导地位。其最大的优点是减小了功率变换器的容量，降低了本钱，且可以实现有功、无功的独立灵活控制。异步电机并网时，由于启动将会产生巨大的冲击电流，特别是由于风速变化，频繁启动，对于较小的或弱系统电网将会产生极大的影响。由于风速变化的随机性，为了提高机组效率，风力发电机按最大效率跟踪，最大限度的捕获风能。为了适应风速变化所引起风机转速的变化，扩大风机的转速运行范围；减少对电力系统的干扰和影响，提高风机并联运行的稳定性。变速恒频成为风力发电机的关键技术。双馈变速恒频风力发电机组通过控制转子侧变频器的输出电压的幅值、频率、相位，调节发电机的有功、无功及转速，可使电机处于次同步速、同步速、超同步速运行[5]。4.2风力发电中的无功功率分析电网公司通常会在风电购置合同中确定无功的限额，且通过测量有功在总功率中所占的比例来确定风力发电机的效率。这就涉及到风力发电机的功率因数，当风力发电机的功率因数下降时，它带负荷的能力也随之下降。风力发电机是以消耗无功知名的，人们认为它会消耗本地电网资源。风电公司一直在试图通过安装发电机、同步调相机、低压电容器和静止无功补偿器来限制无功消耗[6]。4.3双馈电机风电场无功功率控制策略通过控制电网中的无功功率可以对电网电压进行调整。风电场的有功功率控制策略仍以最大捕捉风能为目标，各风机根据实际风速大小按一定转速控制规律由各自的控制系统实现，而无功功率那么由风场的监控系统统一控制[7]。由双馈电机风电机组组成的风电场，具备一定的无功功率吸收和发出能力，不但作为有功电源向电网发出电能，也可作为无功电源稳定电网电压或对相邻无功消耗用户起无功补偿作用。当并网电网为弱电网时，大规模风电场输出功率的变化对电网电压的影响较大。此时可以通过控制风电场的无功功率来实现对电网电压的调整，维持整个电网的稳定。当并网电网为强电网时，为了充分发挥双馈电机风电场的无功处理能力，可以考虑其对当地无功用户就近补偿的作用。风电场由假设干双馈电机风电机组组成，每台风电机组有自己独立的控制系统，实现变速恒频运行条件下最大风能捕捉的同时，具备系统有功、无功的独立调节能力。风电场内所有风电机组的控制系统通过内部网络与风场的监控系统相连。电网调度系统通过风电场整体的运行数据信息和电网无功需求，向风场监控系统下达无功功率参考命令。://66qhd/article-263-1.html秦皇岛开发区胡英杰://66qhd/article-262-1.html秦皇岛乡间柴火://bbs.66qhd/thread-302-1-1.html秦皇岛公积金查询://66qhd/article-264-1.html秦皇岛区号://bbs.66qhd/forum-43-1.html秦皇岛美食5风电场并网存在的问题由于风电不能参与电网调频和调压，所以大规模风电接入电网后，风电对电网的影响将会比拟突出，风电引起电网的稳态频率和电压偏移很可能超出电压允许范围，特别是在大的风速扰动、故障和操作下，风电还将可能使得电网动态电压失去稳定。如果电网现有调频和调压手段不良好，电网平安稳定受到威胁，电网将切除局部风电机组，甚至要求整个风电厂退出运行，对风电厂造成电能损失。风力发电和电力系统的相互影响将成为制约风电场建设规模的决定因素，如德国装机容量已达16000MW，他们在安装了12000MW后也开始重视起来了风电机组对电力系统影响的研究工作。我们在研究大规模风电接入对电力系统稳定的影响过程中，不应脱离具体情况而简