一：國內外風電發(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(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)提供試驗設備。19世紀80年代，美國聯(lián)邦政府和州政府出臺了關于風力發(fā)電機設備減免稅的政策，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)電設備投入運營，德國的風力發(fā)電機組的總裝機容量己經超過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11010t。據(jù)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(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12008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，近海可開發(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范風電場至今，經過近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，有關部門組織編制有關風電前期、建設和運行規(guī)程，風電場管理逐步走向規(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)文件支持國內風電設備制造企業(yè)與電源建設企業(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，風電在電源結構中將有一定的比例，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：風電并網的問題及研究現(xiàn)狀

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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)膫溆萌萘浚陲L停時替代風電場。這樣的話，風電在電網中占的比率將會限制在較小的范圍內，由于其與電網相聯(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, 大多采用結構簡單、并網方便的異步發(fā)電機, 直接和配電網相連。而風電場所在地區(qū)往往人口稀少, 處于供電網絡的末端, 承受沖擊的能力很弱, 因此, 風電很有可能給配電網帶來諧波污染、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, 正逐漸成為新的研究熱點。

2、研究現(xiàn)狀：

(1)潮流與網損

在電力系統(tǒng)中, 發(fā)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(huán)狀結構, 電壓等級高, 網絡損耗小;配電網則呈樹狀, 結構松散, 電壓低, 網損較大。風電場接入配電網以后, 減少了輸電網向該地區(qū)輸送的電力, 既緩解了電網的輸電壓力, 一般也會降低系統(tǒng)的網損。

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(fā)電機組大多采用軟并網方式, 但是在啟動時仍然會產生較大的沖擊電流。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范圍之內(低于25 Hz) , 因此, 風機在正常運行時也會給電網帶來閃變問題。

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: 一種是基于簡單潮流計算的模型, 該方法以等值阻抗表示風機并網點以后的網絡, 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)的網狀結構, 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, 定槳距風機造成的后果更嚴重一些。

b、閃變對并網點的短路電流水平和電網的阻抗比十分敏感。

c、系統(tǒng)內常規(guī)機組的勵磁調節(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節(jié)器的響應速度, 不同的勵磁調節(jié)時間常數(shù)會有不同的結果。

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絡的短路電流水平。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。對于直接和電網相連的恒速風機, 軟啟動階段要通過電力電子裝置與電網相連, 因此會產生一定的諧波, 不過因為過程很短, 發(fā)生的次數(shù)也不多,通常可以忽略。但是對于變速風機則不然, 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生諧波的范圍內, 則會產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, 曾經觀測到在風電場出口變壓器的低壓側產生大量諧波的現(xiàn)象。與閃變問題相比, 風電并網帶來的諧波問題不是很嚴重, 相關的研究文獻也不多。

(3)穩(wěn)定性

①無功和電壓問題

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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產生電壓問題的主要原因。如果電網不能滿足風電場的無功需求，就會產生電壓問題，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期間消耗的無功功率更大，導致地區(qū)電網出現(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，風電機組轉速與電網頻率解耦，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，還有用槳距角調節(jié)來提高風電場的低電壓穿越能力，以及通過改變轉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)定的運行極限內的能力。大量風電功率的波動增加了系統(tǒng)調頻的難度，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)的頻率調整，其它并網導則也要求風電場參與系統(tǒng)的二次調頻。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)頻率降低時調高風電場的出力，讓風電功率參與系統(tǒng)二次調頻。

(4) 發(fā)電計劃與調度

傳統(tǒng)的發(fā)電計劃基于電源的可靠性以及負荷的可預測性, 以這兩點為基礎, 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)內含有風電場, 因為風電場出力的預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, 不具有可預測性;如果把它看做電源,可靠性沒有保證。

風力發(fā)電并網以后, 如果電力系統(tǒng)的運行方式不相應地做出調整和優(yōu)化, 系統(tǒng)的動態(tài)響應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重要的。燃氣輪機組和柴油機組反應速度快, 很適合作為旋轉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、經濟調度、調頻和調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,其實質是限制風電功率的變化率, 防止水火電機組頻繁調整出力, 增加運行及維護成本。還有文獻提出對風電并網以后的系統(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。蒙特卡洛仿真技術是可靠性分析中常用的計算方法。

三:風電并網問題的新動態(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達到MVA級, 開關頻率達到10kHz, 脈寬調制技術(PWM)的采用有效地抑制了電力電子器件容易帶來的諧波。如果把這些技術用于同步電機與電網的接口, 可以屏蔽掉風機固有的隨機特性對電網的影響, 提高捕獲風能的效率, 較少對槳葉和驅動軸的應力損傷, 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域的應用提供了可能。普通的感應電機轉子回路是短路的, 轉子電壓為0, 雙饋電機是在感應電機的轉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節(jié)的任務, 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：結論

以前風電場的主要特點是采用感應發(fā)電機, 裝機規(guī)模較小, 與配電網直接相連, 對系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)為電能質量。現(xiàn)在隨著電力電子技術的發(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, 與風電場并網有關的電壓及無功控制、有功調度及穩(wěn)定性的問題越來越受到人們的關注。而對于風電并網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)展的關鍵。

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