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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(yù)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(yù)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1 2008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�？砷_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�！笆晃逡�(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(yù)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�，在風停時替代風電場。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�。慌潆娋W(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(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(yù)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(yù)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。
②諧波污染
風電給系統(tǒng)帶來諧波的途徑主要有兩種。一種是風機本身配備的電力電子裝置, 可能帶來諧波問題。對于直接和電網(wǎng)相連的恒速風機, 軟啟動階段要通過電力電子裝置與電網(wǎng)相連, 因此會產(chǎn)生一定的諧波, 不過因為過程很短, 發(fā)生的次數(shù)也不多,通�？梢院雎浴５菍τ谧兯亠L機則不然, 因為變速風機通過整流和逆變裝置接入系統(tǒng), 如果電力電子裝置的切換頻率恰好在產(chǎn)生諧波的范圍內(nèi), 則會產(chǎn)生很嚴重的諧波問題, 不過隨著電力電子器件的不斷改進, 這個問題也在逐步得到解決。另一種是風機的并聯(lián)補償電容器可能和線路電抗發(fā)生諧振, 在實際運行中, 曾經(jīng)觀測到在風電場出口變壓器的低壓側(cè)產(chǎn)生大量諧波的現(xiàn)象。與閃變問題相比, 風電并網(wǎng)帶來的諧波問題不是很嚴重, 相關(guān)的研究文獻也不多。
(3)穩(wěn)定性
①無功和電壓問題
大規(guī)模風電場接入電力系統(tǒng)時風電場對無功功率的消耗是導致電網(wǎng)產(chǎn)生電壓問題的主要原因。如果電網(wǎng)不能滿足風電場的無功需求，就會產(chǎn)生電壓問題，這也是限制風電場容量繼續(xù)增長的一個重要因素。
風電場所采用的風機類型不同對于電壓穩(wěn)定性的影響有很大的區(qū)別。其中對電網(wǎng)電壓最為不利的是采用基于普通異步機的恒速風電機組。這類機組不具有電壓控制能力，穩(wěn)態(tài)運行消耗大量無功功率，在系統(tǒng)發(fā)生故障后的電壓恢復(fù)期間消耗的無功功率更大，導致地區(qū)電網(wǎng)出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)電壓穩(wěn)定性問題。
對風電來講，長期電壓穩(wěn)定非常重要，因為一般風電接入弱系統(tǒng)，并且風電場需要大量無功功率。風電場無功電壓特性可以用P-V曲線和Q-V曲線進行分析。一般在風電場安裝可分組投切的電容器或電抗器來調(diào)節(jié)風電場的無功功率，提高電壓穩(wěn)定性。在風電比較集中的地區(qū)，為了提高風電場電壓穩(wěn)定性，可以考慮安裝SVC或STATCOM。
②暫態(tài)穩(wěn)定性問題
電力系統(tǒng)正常運行的必要條件是所有發(fā)電機保持同步，電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析就是分析遭受大干擾后系統(tǒng)中各發(fā)電機維持同步運行的能力。嚴格來講定速風電機組和雙饋變速風電機組本身不存在暫態(tài)穩(wěn)定性問題，但是對于有大量風電的系統(tǒng)，因為大量小慣量的風電機組代替了常規(guī)機組，系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性也發(fā)生了一些變化。有大量文獻對風電機組的模型進行了研究，表明定速風電機組對系統(tǒng)的功率震蕩有一定的阻尼作用，而變速風電機組因為變流器的作用，風電機組轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率解耦，阻尼作用被減弱了。另外，系統(tǒng)故障時，風電機組可能因為電壓越限或轉(zhuǎn)速越限導致保護動作而跳閘，這就是說，系統(tǒng)可能遭受失去大量風電功率的第二次沖擊。對此有人提到了用SVC和STATCOM來提高風電機組的低電壓穿越能力(LVRT)，防止機組跳閘，還有用槳距角調(diào)節(jié)來提高風電場的低電壓穿越能力，以及通過改變轉(zhuǎn)子回路勵磁方式來實現(xiàn)風電機組的功能。
③頻率穩(wěn)定問題
頻率穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)維持系統(tǒng)頻率于某一規(guī)定的運行極限內(nèi)的能力。大量風電功率的波動增加了系統(tǒng)調(diào)頻的難度，而系統(tǒng)頻率的變化又會影響風電機組的運行狀態(tài)。各國風電接入系統(tǒng)導則都要求風電機組能夠在一定的頻率范圍內(nèi)正常運行，頻率超過一定范圍后限制出力運行或延遲一定時間后退出運行，以維護系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定。愛爾蘭國家電網(wǎng)公司要求風電場通過控制輸出功率的3%~5%參與系統(tǒng)的頻率調(diào)整，其它并網(wǎng)導則也要求風電場參與系統(tǒng)的二次調(diào)頻。當系統(tǒng)頻率過高時，可以通過控制系統(tǒng)使部分風電機組停機或通過槳距角控制減少風電場的輸出功率。在正常情況下限制風電場的出力，可保證在系統(tǒng)頻率降低時調(diào)高風電場的出力，讓風電功率參與系統(tǒng)二次調(diào)頻。
(4) 發(fā)電計劃與調(diào)度
傳統(tǒng)的發(fā)電計劃基于電源的可靠性以及負荷的可預(yù)測性, 以這兩點為基礎(chǔ), 發(fā)電計劃的制定和實施有了可靠的保證。但是, 如果系統(tǒng)內(nèi)含有風電場, 因為風電場出力的預(yù)測水平還達不到工程實用的程度, 發(fā)電計劃的制定變得困難起來。如果把風電場看做負的負荷, 不具有可預(yù)測性；如果把它看做電源,可靠性沒有保證。
風力發(fā)電并網(wǎng)以后, 如果電力系統(tǒng)的運行方式不相應(yīng)地做出調(diào)整和優(yōu)化, 系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)能力將不足以跟蹤風電功率的大幅度、高頻率的波動, 系統(tǒng)的電能質(zhì)量和動態(tài)穩(wěn)定性將受到顯著影響, 這些因素反過來會限制系統(tǒng)準入的風電功率水平, 因此有必要對電力系統(tǒng)傳統(tǒng)的運行方式和控制手段做出適當?shù)母倪M和調(diào)整, 研究隨機的發(fā)電計劃算法和AGC算法, 以便正確考慮風電的隨機性和間歇性特性。有文獻的研究表明, 旋轉(zhuǎn)備用的容量和類型對系統(tǒng)的可靠性、安全性指標的影響都是至關(guān)重要的。燃氣輪機組和柴油機組反應(yīng)速度快, 很適合作為旋轉(zhuǎn)備用機組配合風電場的運行, 但是其燃料費用昂貴, 這種方案明顯提高了系統(tǒng)正常的運行成本, 風電的價值也因此大打折扣。有人研究了較高水平的風電穿透功率對系統(tǒng)的發(fā)電計劃、經(jīng)濟調(diào)度、調(diào)頻和調(diào)峰等控制手段的影響, 討論了修改發(fā)電計劃的方法、成本及修改發(fā)電計劃可能帶來的收益。提出一種梯度穿透功率約束的概念,其實質(zhì)是限制風電功率的變化率, 防止水火電機組頻繁調(diào)整出力, 增加運行及維護成本。還有文獻提出對風電并網(wǎng)以后的系統(tǒng)發(fā)電計劃進行優(yōu)化的算法,該算法基于對風速和負荷的預(yù)測。實踐表明: 對風柴混合電力系統(tǒng)的運行計劃進行優(yōu)化以后, 能夠避免頻繁啟動和調(diào)整柴油機組, 有效防止柴油機組過度疲勞, 減少了維護成本和運行成本。
(5) 容量可信度
發(fā)電容量的價值往往體現(xiàn)在負荷高峰期, 由于風電場無法保證可靠的出力, 一度被認為只能提供能源, 不能提供有效的發(fā)電容量。風電的容量可信度有兩種評價方法: 一種是計算含風電系統(tǒng)的可靠性指標, 在保證系統(tǒng)可靠性不變的前提下, 風電能夠替代的常規(guī)發(fā)電機組容量即為其容量可信度, 這種方法適合于系統(tǒng)的規(guī)劃階段；另一種方法是時間序列仿真, 選擇合適的時間段作為研究對象, 通過計算風電場的容量系數(shù)(風電場實際出力與理論發(fā)電量的比值)來估算容量可信度, 在負荷高峰時段, 可以認為容量系數(shù)等于容量可信度, 該方法適用于為系統(tǒng)的運行提供決策支持。要評價風電對系統(tǒng)的可靠性指標的影響, 首先要知道風電場所在地的氣象信息, 獲得風資源數(shù)據(jù)；了解風機的技術(shù)參數(shù), 根據(jù)風速計算風電場出力；最后根據(jù)風電場出力與負荷的相關(guān)性, 計算供電可靠性等指標, 也可以計算節(jié)省的發(fā)電成本等。蒙特卡洛仿真技術(shù)是可靠性分析中常用的計算方法。
三:風電并網(wǎng)問題的新動態(tài)
目前變速風機將逐漸取代恒速風機, 以達到最大限度地提高風能的利用效率。而使用變速風機有幾種方案可供選擇: 采用通過電力電子裝置與電網(wǎng)相連的同步電機, 如果進一步采用多極同步電機, 甚至有可能取消風機上常用的變速齒輪箱, 減少風機的故障率；或者采用雙饋感應(yīng)電機, 實現(xiàn)風機以最佳葉尖比運行, 比變槳距控制的實現(xiàn)更簡單、更經(jīng)濟。
由于電力電子元件的性能價格比不斷提高, 以IGBT為代表的新型電力電子器件的最大功率已經(jīng)達到MVA級, 開關(guān)頻率達到10kHz, 脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)的采用有效地抑制了電力電子器件容易帶來的諧波。如果把這些技術(shù)用于同步電機與電網(wǎng)的接口, 可以屏蔽掉風機固有的隨機特性對電網(wǎng)的影響, 提高捕獲風能的效率, 較少對槳葉和驅(qū)動軸的應(yīng)力損傷, 降低空氣動力噪聲水平, 改進風機運行的靈活性。同樣, 電力電子器件性能價格比的不斷提高為雙饋電機在風電領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可能。普通的感應(yīng)電機轉(zhuǎn)子回路是短路的, 轉(zhuǎn)子電壓為0, 雙饋電機是在感應(yīng)電機的轉(zhuǎn)子回路中加入一個可控電壓源, 通過改變其電壓幅值或相角, 實現(xiàn)對風機速度和功率因數(shù)的控制。在風速變化及風機端電壓變化的情況下, 保證風機的穩(wěn)定高效運行。當然, 這種控制策略并不局限于感應(yīng)電機和采用電壓源, 在同步電機上也可以實現(xiàn)這種控制, 根據(jù)控制算法的不同, 也可以采用電流源。仿真表明, 只要對風力發(fā)電機組進行適當?shù)母倪M, 它同樣可以承擔有功及無功電壓調(diào)節(jié)的任務(wù), 在系統(tǒng)中起到常規(guī)發(fā)電機組的作用, 這也是風電發(fā)展到一定規(guī)模以后的必然要求�！�
四：結(jié)論
以前風電場的主要特點是采用感應(yīng)發(fā)電機, 裝機規(guī)模較小, 與配電網(wǎng)直接相連, 對系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)為電能質(zhì)量�，F(xiàn)在隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展, 大量新型風力發(fā)電機組開始投入運行, 風電場裝機達到可以和常規(guī)機組相比的規(guī)模, 直接接入輸電網(wǎng), 與風電場并網(wǎng)有關(guān)的電壓及無功控制、有功調(diào)度及穩(wěn)定性的問題越來越受到人們的關(guān)注。而對于風電并網(wǎng)的很多問題還沒有好的解決方法，這些問題的解決將是風力發(fā)電未來發(fā)展的關(guān)鍵。