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大规模风力发电对电力系统的影响
近年来我国风电快速发展,同时也带来了大规模风电并网的问题。本设计主要讨论大规模风电并网引起的电力系统运行与稳定问题及其相关技术解决措施,主要包括大规模风电并网对电压的影响及风电场的电压控制问题;大规模风电并网对稳定性的影响及风电机低电压穿越能力的问题;大规模风电并网对调度运行的影响和风电功率预测的必要性3方面内容,并针对每一个问题提出了相关的应对策略。
论文摘要:风电电源由于其自身特点,当风电装机容量占总电网容量的比例较大时对输电网的安全和经济运行都会带来冲击。德国的风力发电大部分位于海边风力资源充裕的地方,远离负荷中心,大风天气时风电出力增加,会造成严重的输电瓶颈。此外,大规模风力发电对系统小干扰稳定、频率稳定及电压稳定都有着不同程度的影响。风力发电功率输出的随机波动很大且不可控,预测精度较差,这对发电运行计划方式以及系统备用容量也都提出了新的要求。
引言
一、风力发电现状
风力发电是21世纪重要的绿色能源,也是化石能源的重要替代能源之一。加快发展风力发电,是世界许多国家解决能源可持续利用的重要举措。美国的风电装机容量仅次于天然气,连续3年领先世界;欧盟将风能当作新能源领头羊,风电装机容量占了新增发电装机的4成;国外他国家的风电发展也十分迅速。据预测,世界风电总装机容量在2010年将超过140GW。
随着我国政府对开发利用可再生能源的高度重视及《可再生能源法》的颁布实施,包括风力发电、生物质能发电、太阳能光伏发电在内的可再生能源发电在近几年得到了较快的发展。其中,风力发电作为技术最成熟、最具规模化开发和商业化发展的新能源发电方式之一,其发展速度居于各种可再生能源之首,我国风资源丰富地区的风电场建设也得到了快速发展。
风电场的大规模建设,给电网规划和运行都带来了挑战。加之我国的电网结构相对薄弱,而许多建设或规划中的风电场都位于电网薄弱地区或者末端,如此大规模的风电的接入,在全世界范围内尚属首次,没有任何的经验可以借鉴,对风电并网研究及风电并网后的运行都是一个巨大的挑战。本设计对大规模风电并网引起的电力系统运行与稳定的问题进行了分 析探讨,并在此基础上提出了相关的技术解决措施。
风力是一种取之不尽、用之不竭的可再生能源。近几年全球风力发电得到了迅速的发展。其原因一方面,是传统能源如石油和天然气等日益枯竭;另一方面,是在全球气候变暖的情况下,主要工业国家签署了关于削减温室气体排放量的《京都议定书》。这些国家都在尽力寻找替代的清洁能源,而风能正是其最佳选择。
我国在西部地区大力提倡。小型风力发电系统效率很高，但它不是只由一个发电机头组成的，而是一个有一定科技含量的小系统：风力发电机＋充电器＋数字逆变器。风力发电机
由机头、转体、尾翼、叶片组成。每一部分都很重要，各部分功能为：叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。 风力发电机因风量不稳定，故其输出的是13～25V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220V市电，才能保证稳定使用。
通常人们认为，风力发电的功率完全由风力发电机的功率决定，总想选购大一点的风力发电机，而这是不正确的。目前的风力发电机只是给电瓶充电，而由电瓶把电能贮存起来，人们最终使用电功率的大小与电瓶大小有更密切的关系。功率的大小更主要取决于风量的大小，而不仅是机头功率的大小。在内地，小的风力发电机会比大的更合适。因为它更容易被小风量带动而发电，持续不断的小风，会比一时狂风更能供给较大的能量。当无风时人们还可以正常使用风力带来的电能，也就是说一台200W风力发电机也可以通过大电瓶与逆变器的配合使用，获得500W甚至1000W乃至更大的功率出。
使用风力发电机，就是源源不断地把风能变成我们家庭使用的标准市电，其节约的程度是明显的，一个家庭一年的用电只需20元电瓶液的代价。而现在的风力发电机比几年前的性能有很大改进，以前只是在少数边远地区使用，风力发电机接一个15W的灯泡直接用电，一明一暗并会经常损坏灯泡。而现在由于技术进步，采用先进的充电器、逆变器，风力发电成为有一定科技含量的小系统，并能在一定条件下代替正常的市电。山区可以借此系统做一个常年不花钱的路灯；高速公路可用它做夜晚的路标灯；山区的孩子可以在日光灯下晚自习；城市小高层楼顶也可用风力电机，这不但节约而且是真正绿色电源。家庭用风力发电机，不但可以防止停电，而且还能增加生活情趣。在旅游景区、边防、学校、部队乃至落后的山区，风力发电机正在成为人们的采购热点。无线电爱好者可用自己的技术在风力发电方面为山区人民服务，使人们看电视及照明用电与城市同步，也能使自己劳动致富。 1. 我国风力发电的现状
目前我国的风电事业发展的较快，无论技术还是产业均取得长足进步，全国风电装机到2000 年底为34 ．万kw，2001 年为39 , 93 万kw , 2002 年底达到了46 . 8万kw 。随着风力发电技术日趋成熟，市场规模不断扩大，风力发电的成本效益也逐渐改善。设备的国产化率有了明显提高。风电的优越性愈来愈多地受到人们的认识与重视。但也应该看到，风电在我国的电力装机容量中所占比重较小（2002 年仅占全国发电装机35657 万kw 的0 . 13 % ）。发展的实践证明，我国风电产业的发展还面临一系列障碍和问题，其中既有政策问题，也有技术问题；既有机制问题，也有认识问题。因此，研究分析风电发展存在的问题和影响团素，提出相应的措施和对策，是促进我国风电产业发展的一项紧迫任务。当前我国建设风力发电场的主要投资是风力发电机组设备，占总投资的80 ％以上。风力发电机从10Ow 一1MW ，有许多种规格。目前，我国并网发电以50OKw 一1200kw 为主导机组，也有
少量2Mw 机组在投入使用。1997～1998 年，我国风电场投产209台机组，合计容量11420OkW 全部为进口，设备价格高，风电场单位kw 造价约8 的O ? 9000 元，其中机组占投资的75% 一80％，只有逐步实现国产化，才能把风电场造价和运行成本降下来。此外，由于运行的大容量风力发电机由国外进口，而国外风力发电组的容量、规格更新很快，我国进口的许多型号的风力发电机产品不再生产，所以风电场设备的更换、维护也是一个问题。在今后我国风力发电机的制造和维护必将成为一种新兴的产业，成为世界主要风力发电设备的制造国。风力发电行业的发展，也势必拉动复合材料行业、发电机行业等相关产业的发展。我国风电场年利用小时数一般为2700 小时；一些地方达到3200 小时，因而风电成本为0 . 45 – O.7 元／kwh ，在现阶段仍需国家政策给予扶持。随着对能源需求和环保法规执法力度不断加大，而风电技术是一门不断发展和完善中的多学科的高新技术，为降低造价，在提高单机容量，改进结构设计和制造工艺，以及减轻部件重量上，不断进行技术创新，它的优势和经济性必将日益发挥出来。
大型风电机组并网发电是世界风能利用的主要形式团，并网型风力发电机组的功能是将风中的动能转换成机械能，再将机械能转换为电能，输送到电网中。对并网型风力发电机组的基本要求是在当地风况、气候、和电网条件下能够长期安全运行，取得最大的年发电量和最低的成本。目前大中型风电机组并网发电，已经成为我国风能利用的主要形式，随着并网机组需求持续增长，生产量上升，机组更新换代，单机容量提高，机组性能优化，故障降低，生产成本下降，风电己经接近与常规能源竞争的能力。沪郊奉贤滨海地区4 台共计3400 千瓦的风力发电机组和一座10 千瓦的太阳能光伏发电系统己投入并网运行。今年年底，总装机容量达2 万千瓦的“崇明一南汇”风力发电场也将投入运行。截至2002 年底，全国先后建起了32 个风电场，风电总装机容量达到466 .2MW 。
2.国外发展现状
2004年德国风力发电量达26TW2h,足以满足850万个家庭的电力需求。当前其风电装机容量超过18GW。而德国其他常规电厂总装机容量也只有约100GW。在德国,凡是自然条件合适的陆地几乎都竖起了风力机组,人们开始把眼光瞄准风力充沛的海洋,德国北部的海域已经架起了风力机组。图2中给出德国风电装机容量的发展以及到2025年的预测。 有关风力发电的新材料和新技术也有长足的发展。20世纪80年代的单机容量仅几十千瓦,今天在市场上销售的商业化风电机组,单机容量一般均超过1MW。目前在德国安装的风电机组最大单机容量已达到了5MW。其旋翼区直径为115m,面积接近于2个足球场,旋翼最高点离地面180m,年发电量可达12GW2h。
早期风电机组大都是结构简单的异步感应发电机,无法直接调节电压和无功。随着电力电子元件性价比不断提高,双馈感应电机、直接驱动永磁式电机等新型机组开始推广使用[2]。2003年在德国所建的新风力机组中,90%都是后2种新机组。风电场可以在一定程度上承担起电压和无功调节的任务。
目前风力发电的上网价格要比火力发电高出近30%,供电公司将多支出的费用计算进电网成本,最终以过网费的形式摊到所有用户身上。
《可再生能源促进法》从法律上规定了可再生能源价格,保证经营者可得到一定的利润,从而激发了人们开发可再生能源的热情。据测算,投资1座风力发电机只需几年就可收回成本,而风力发电设备的使用寿命最少有20多年,投资收益率很高。
目前在发达国家中,由于环保的压力,新建线路走廊已经几乎没有可能,只有在运行上采取措施和通过改造现有线路,来提高输电容量。
由于其紧密的环网结构及相对较低的电压等级(380kV/220kV),德国电网的输电容量主要是受热稳定(受架空线弧垂高度)的限制。目前德国线路载流量是根据空气温度35°C、风速0.6m/s、导线温度不允许超过80°C来校核的。而实际运行中,如假定冬天里最高气温为15°C,则可提高20%线路载流量,无须作任何线路改造[4]。目前有电网公司考虑根据季节的不同,每年划成5个时间段,各采用不同的线路载流限。 二 风电并网存在的问题：
常规电力系统中,发电厂有义务根据电网的电压波动和频率波动随时调节发电机的无功及有功输出。这对维持系统电压和频率的稳定及抑制系统电压和功率振荡有着重要的意义。然而现行的电网运行规程在这一点上一般对风电场并没有要求。
频率稳定UCTE电网中的一次调频是由各发电机组的调速器进行。整个UCTE电网的一次调频要能满足3000MW的偏差,这是根据枢纽变电站母线事故时连接在该母线上全部发电机组跳机而校核出的。
在一次调频时域范围内,分布在大片区域内的风力机组其风电功率波动的相关性是很小的。对于一次调频来说,相对于常规发电厂跳机影响,整个德国区域的风电功率短时波动完全可以忽略不计。
早期风电机组的电压保护一般设计为在母线电压有小幅扰动的情况下就简单切除机组以保护设备。其低压保护的动作电压一般设置为0.7~0.9倍额定电压。而当输电网中发生三相短路时,会造成大面积电网中电压下降,从而会造成一大片区域内风电机组瞬间与电网脱开。经过仿真计算,在最坏情况下,在德国风力发电集中的北部输电网中的三相短路会造成瞬间失去接近5GW的风电功率,从而超过UCTE电网承受能力。
但这个接入标准只适用于新接入电网的机组,老的风力机组还保持着原来的保护方式。而随着双馈感应机组和直接驱动永磁式机组的增多,这些机组在电网短路时由于换流设备的限制,注入电网的短路电流较小。另一方面在大规模风电功率注入的情况下常规机组往往被迫停机,这会造成系统短路容量不足,电压进一步下降。
电压稳定电网运行必须考虑大片区域风电机组切机带来的电压稳定问题。常规的大容量发电厂退出运行时,系统由于突然失去大量无功注入可能存在电压崩溃的危险。如果被切的风电场机组属于感应发电机类型,其切机后果恰相反,可能造成相当数量的无功富余。此外风电电源(尤其是海上风电场)往往处于远离负荷中心的电网边缘,与电网之间的AC连接相对