风力发电技术发展趋势研究

毕业设计（论文）题目风力发电技术发展趋势研究专业电气工程及其自动化毕业设计（论文）任务书电力系电气工程及其自动化专业081班学生何优琪一、毕业设计论文课题风力发电技术发展趋势研究二、毕业设计论文工作自2012年3月1日起至2012年6月15日止三、毕业设计论文进行地点教二楼四、毕业设计论文的内容要求风能是一种清洁的可再生能源，可利用的风能在全球范围内分布都很广泛。风力发电逐渐成为许多国家可持续发展战略的重要组成部分。然而，风电作为电源具有间歇性和难以调度的特性，无论风电场装机容量大小、采用何种风电机组技术，风电接入都会对接入地区电网的稳定性带来不同程度的影响。设计任务1风力发电技术发展国内外现状2典型风电机组模型3风电机组控制方式4国内大型风电场运行情况分析5风电场接入对于电网的影响6风电发展趋势研究7编写毕业设计报告8完成论文开题报告、外文资料翻译报告负责指导教师指导教师接受设计论文任务开始执行日期学生签名毕业设计（论文）进度表电气工程及其自动化（电力）系月日周次任务阶段名称及详细项目检查日期检查结果2，327341选择毕业设计题目5112收集论文相关资料12183查阅该方向外文资料并翻译一篇英文文献19254明确毕业设计任务，完成论文开题报告3，42641557查阅国内外风力发电相关文献资料，整理典型风电机组模型及其特点1656810收集国内风力发电场实例，统计风电场运行情况7201112查阅风电机组现行控制方式，分析国内外风力发电现存问题4，5212713收集风电接入对系统影响的资料，分析并提供全面的解决方案月日周次任务阶段名称及详细项目检查日期检查结果5，6286101415了解风电关键技术与发展趋势，撰写论文准备论文答辩611241617完成毕业论文进行答辩指导教师签名学生签名年月日年月日摘要风力发电是新能源中技术最成熟、最具规模开发条件及商业化发展前景的可再生能源技术。风能的合理开发和利用可以有效缓解目前能源匮乏及燃料资源给环境带来的污染问题，在远期有可能成为世界上重要的替代能源。随着风电技术日趋成熟，风电产业在全球范围得到大力发展，并保持持续增长的势头。本文在综合相关资料的基础上,总结了世界风能资源及各国风电发展的现状,提出了风电发展中的一系列技术问题和研究方向。文章综述了目前风力发电及其技术的发展与应用情况，对风力发电系统的类型、风电系统中所采用发电机的性能与特点以及未来风力发电技术的发展趋势进行了较详细深入的介绍，为更好地了解国内外风力发电的现状与发展趋势提供参考。关键词风力发电，可再生能源，风电并网,发电机RESEARCHONTHEDEVELOPMENTTRENDOFWINDPOWERGENERATIONTECHNOLOGYABSTRACTWINDPOWERISTHERENEWABLEENERGYTECHNOLOGYWITHMOSTMATURETECHNOLOGY,LARGESTCOMMERCIALDEVELOPMENTCONDITIONSANDPROSPECTSINNEWENERGYTECHNOLOGIESITSRATIONALUSEANDDEVELOPMENTOFWINDENERGYCANEFFECTIVELYALLEVIATETHECURRENTSHORTAGEOFENERGYANDENVIRONMENTALPOLLUTIONPROBLEMSCAUSEDBYFUELRESOURCESINTHELONGTERMWINDENERGYISLIKELYTOBECOMETHEMOSTIMPORTANTALTERNATIVEENERGYSOURCESWITHTHEMATURITYOFPOWERGENERATIONTECHNOLOGY,WINDPOWERGENERATIONINDUSTRYISINCREASINGCONTINUOUSLYONAGLOBALSCALE,ANDITMAINTAINSASUSTAINEDGROWTHMOMENTUMINTHISPAPER,WINDRESOURCEANDTHESTATUSOFWINDENERGYWERESUMMARIZEDTHEKEYTECHNOLOGIESANDRESEARCHTOPICSONWINDENERGYWERETHENPROPOSEDTHEWINDPOWERGENERATIONANDITSRELATIVETECHNOLOGYAREREVIEWED，INCLUDINGTHETYPESOFWINDPOWERGENERATIONSYSTEM，PERFORMANCEANDFEATUREOFGENERATORSAPPLIEDINWINDPOWERGENERATIONSYSTEM，ANDDEVELOPMENTTENDENCYOFFUTUREWINDPOWERGENERATIONTECHNOLOGY，WHICHPROVIDINGREFERENCESFORWELLLEARNINGABOUTTHEPRESENTSTATUSANDDEVELOPMENTTENDENCYOFWINDPOWERGENERATIONATHOMEANDABROADKEYWORDSWINDPOWERGENERATIONRENEWABLEENERGYWINDPOWERGRIDINTEGRATIONGENERATOR目录前言第1章绪论1211本课题背景1212本课题研究意义13第2章风电发展的现状1321风能资源分布及特点1322国外风力发电发展概况1623国内风力发电发展概况18第3章风电机组的分类及控制1931风电机组分类1932风力发电系统中的机组2333主流机组应用与控制28331双馈式异步风力发电机组29332直驱式永磁风力发电机组32333半直驱式风力发电机组33第4章风力发电并网3541风电并网系统组成3642风电并网对电力系统的影响36421对电网频率和有功功率的影响37422对电网电压和无功功率的影响41423对电网谐波、闪变和电压波动的影响4243风力发电系统实例45第5章风电发展的关键技术5151低电压穿越技术5152电网接纳风电的关键技术5653适应风电发展的现代储能技术5954风电与其他电源联合运行技术6355风电功率预测技术6856海上风力发电技术71第6章风电发展趋势研究7761风力发电的进展7762国外风电发展对中国的启示8163中国风电现存主要问题与挑战8564风电未来发展趋势88结论93致谢94参考文献95前言由于石油、煤炭等非可再生资源的日渐消耗和矿物燃料发电带来的环境污染等严重问题，越来越多的国家在可再生资源研究和应用方面投入了大量人力和资金。在可再生能源利用中,风能具有很强的竞争力。风能发电在技术上日趋成熟,商业营运水平不断提高。另外,风力发电成本不断降低,同时常规能源发电由于环保要求增高,使得成本进一步增加,而且随着技术的进步,风力发电的成本将有进一步降低的巨大潜力。风能作为最重要的替代能源之一，正得到大规模的开发和利用，风力发电相关技术也取得了显著的进步。近几年来中国的风电产业也迅速发展，逐步成为欧洲和美国之后的全球主要市场之一。随着风电规模占全网容量比例的大幅增加,原有常规电源对电网运行的调整与控制能力被削弱,而风电电源很难像常规电源一样执行系统的调频、调压任务和抑制系统的功率震荡,所以风电场接入电网技术、风电场对电网运行的影响等问题日益突出。此外,风力发电功率输出随机性很强,波动很大且不可控,而且风电场大多建设在电网的末梢,网络结构相对薄弱,风电场并网运行必然会对电力系统的安全性、稳定性、电能质量、系统可靠性、电源和电网规划等方面带来一定的影响。所以要针对风电接入对系统的具体影响采取相应措施，改善其并网性能，尽可能降低其对电力系统运行的负面影响。本论文共六章，第一章介绍了本课题的背景，并阐述了本课题研究的主要内容和意义；第二章依据世界风能资源分布情况，具体介绍了当前国内外风力发电发展概况；第三章利用不同方法将风电机组进行分类，阐述了当前主流风力发电机组应用与控制；第四章基于国内外大型风电场的实例资料，介绍了风力发电的主流应用方式并网接入，重点探讨风电并网接入对系统的影响；第五章整理文献资料，详述风力发电发展的关键技术，其中包括低电压穿越技术、电网接纳风电关键技术、储能技术、风电功率预测技术、海上风电技术以及风力发电与其他电源联合运行技术；第六章针对风力发电现存问题及挑战，提出相应的解决措施，研究风力发电未来发展趋势。在本论文截稿时，对本论文末附的参考文献的作者也致以衷心的感谢。由于本人学识有限、时间仓促，论文中一定有许多疏漏之处及错误，殷切希望参考本次论文的老师和同学批评指正。第1章绪论11本课题背景2011年3月11日,日本当地时间14时46分,日本东北部海域发生里氏90级地震并引发海啸,同时造成日本福岛第一核电站14号机组发生核泄漏事故,造成重大人员伤亡和财产损失。此次地震引起的核辐射,让人类重新思考核能,并越来越关注可再生能源1。众所周知，可再生能源有水能、风能、太阳能、生物质能、潮汐能、地热能六大形式。随着传统石化能源的日益匮乏，可再生能源作为解决全球能源危机的绿色方案，受到世界各国的普遍重视。其中，风能源于太阳辐射使地球表面受热不均、导致大气层中压力分布不均而使空气沿水平方向运动所获得的动能。据估计，地球上可开发利用的风能约为MW，是水能的10倍，只要利用1的7102风能即可满足全球能源的需求2。同时风力发电是当今世界清洁可再生能源开发利用中技术最成熟、发展最迅速、商业化前景最广阔的发电方式之一，风电以其无污染，施工周期短，投资灵活，占地少，造价低等特点，越来越受到世界各国的重视。早在很久以前它就被人们称为“蓝天白煤”。我国电力需求日益增加，而我国人口骤多，电力资源人均占有量变得更少。对于电力资源如此短缺之现状，无论从短期还是从长期来看，风力发电是电力可持续发展的最佳战略选择。风力发电将能迅速缓解我国能源急需和电力短缺的局面，对于缓解缺电，促进经济发展和提高社会效益具有非同寻常的意义，而且成为带有巨大商机的“朝阳产业”3。由于起步较晚，技术落后，我国的能源消费与世界主流有一定的差距。目前，世界平均电力消费中，煤电占39、水电19、核电16、天然气15、油电16、风电等可再生能源占1；其中，欧盟计划到2010年新能源提供的电力将提高到22；而在我国的2010电力规划中，煤电占80，水电占148，燃气电占27，核电占21，风电等可再生能源占044。与其他可再生能源利用方式相比，风力发电是解决我国电力和能源紧缺的重要战略选择57。据中国气象科学研究院测算，我国的风力资源非常丰富，实际可供开发的陆地风能资源总储量有253亿KW，近期具备开发条件的风电场约有50个，分布在全国16个省市、自治区，风力发电已成为我国能源政策支持的重要发展方向。同时并网运行是风力发电最重要的运行方式，2007年，我国并网风电场总装机容量达605万KW，预计到2020年，总装机容量达2000万KW，将占全国发电发电量的18。由于现在风电市场急剧膨胀、装机容量连年翻倍增长、风电领域投资热潮迭起的现象背后，中国风电产业链市场竞争格局正在悄然发生变化。走出产业结构不均衡、产能盲目扩张、并网滞后利益博弈的困境，正在考验电网公司、风电设备厂商、零部件配套生产企业以及相关管理部门的快速反应能力9。12本课题研究目的及意义风电是可再生能源当中技术最成熟、价格最低的能源之一。近年来，在国家政策的大力扶持下，中国风电产业呈现出高速发展的态势，风电装机容量连年翻倍增长、风电领域投资热潮迭起。风力发电技术是一个多学科的综合性高技术系统工程。先进的风力发电机组控制系统会提高机组容量、改善风电质量、提高风电系统的效率和提高抗风险的能力10。然而，当前风电大规模并网对电网运行的冲击影响，仍然是制约风力发电发展的瓶颈。因此需要加大并网技术的研发，努力探讨如何通过机组设计和运行调度来实现风电大规模并入后电网的稳定可靠运行。并且风力发电技术不是十分成熟，风电场设计、建设、运行及并网方面还存在许多问题尚未彻底解决。并且经历全球金融危机之后，风电机组制造新秀的进入，搅乱了动荡中的风电市场，中国风电产业链市场竞争格局正在悄然发生变化。与此同时，随着市场的急剧膨胀，伴随风电产业发展的各种问题逐步凸显出来11。因此如何全面经济地利用风电，借鉴国外成熟的经验，寻求中国风力发电正确的发展方向是一个具有重要意义的研究课题。第2章风电发展的现状21风能资源分布及特点根据世界气象组织估计，全球的可利用风能资源约为200亿KW，为地球上可利用水能资源的10倍。经估算全球风能蕴藏量约为3107KW，其中可利用的风能为21010KW。由于风能是来源于太阳能，因此也有人假设在太阳能进入地球大气时，每平方米的功率为135KW，假定约有60的能量留在大气层中，其总能量为1041014KW。如果设想风能是该值的12，则风能为KW12。尽管各种估算数值不同，但总12120804的来说全球具有巨大的风能资源，风能是取之不竭、用之不尽、可再生的清洁能源。根据中国气象局第三次全国风能资源普查的结果，我国陆地10M高度层风能资源理论可开发储量为435亿KW、技术可开发量为297亿KW，技术可开发的陆地面积约为M2。2006年国家气候中心采用树脂模拟10方法对我国风能资源进行了评价，结论是在不考虑青藏高原的情况下，全国陆地10M高度层风能资源技术可开发量为2548亿KW。我国风力资源丰富，可开发量约为712亿KW，其中陆地约为610亿KW，海上约为12亿KW，按2009年风力发电装机容量1613亿KW，发电量269亿KW推算，未来每年可提供122万亿KWH电量13。我国幅员辽阔，地形条件复杂，风能资源状况及分布特点随地形和地理位置的不同而相差很大。根据风资源类别划分标准，按年平均风速的大小，各地风力资源大体可划分为4个区域，见表21。表21风力资源区域划分区别平均风速（M/S）分布地区丰富区65东南沿海、山东半岛和辽宁半岛、三北地区、松花江下游区较丰富区5565东南沿海内陆和渤海沿海、三北南部区、青藏高原区可利用区3055两广沿海区贫乏区N1时，处于超同步状态，此时发电机同时由定子和转子发出电能给电网，变频器的能量流向逆向；当NN1时，处于同步状态，此时发电机作为同步电机运行,变频器向转子提供直流励磁。由此可知，当发电的转速N变化时，若控制F2相应变化，可使F1保持恒定不变，即与电网频率保持一致，也就实现了变速恒频控制24。采用交流励磁双馈发电机的变速恒频风力发电系统具有以下优点1、按吸收最大风能跟踪风速变化去调节转速，最大限度的捕捉风能，提高风力发电机组的效率。2、允许原动机在一定范围内变速运行,简化了调整装置,减少变速时的机械应力和磨损,同时使机组控制更加灵活、方便,提高了机组运行效率。3、采用一定的策略如矢量控制,双PWM变频器等可灵活调节系统的有功和无功功率,对电网而言此系统可起到功率因数补偿的作用。4、采用PWM技术可抑制谐波,减小开关损耗,提高效率。5、需要变频控制的功率仅是电机额定容量的一部分,从而使变频装置体积减小、成本降低、投资减少。6、双馈发电机采用交流励磁，使发电机和电网系统构成了“柔性连接”，即可以根据电网电压、电流和发电机的转速来调节励磁电流，精确的调节发电机输出电压，避免并网时发生的电流冲击和过大的电压波动，满足电网的要求。正是因为这些优点，使得双馈发电机成为变速恒频风力发电领域应用的主流发电机。常用的双馈发电机目前仍然有滑环和电刷，这是限制单机容量的因素。无刷双馈发电机已经开始在风电中试验，不久将可以应用到风力发电系统中。双馈式变浆变速机型，是目前大部分企业采用的技术，技术成熟，是风电行业主流的先进技术，其机组的结构示意图如图所示。通用公司、歌美飒、维斯塔斯、苏司兰、华锐、东汽、上海电气、北重、沈阳华创等公司，采用此技术。当前商业运行的DFIG风力发电机组最大容量已达到5MW。图311双馈式风力发电机组的结构示意图在双馈风力发电机控制发展过程中出现了很多控制策略，主要包括矢量控制、标量控制以及直接转矩控制。1矢量控制在双馈风力发电机组励磁控制中，以前往往采用矢量控制策略，分为两大类，即基于气隙磁场定向的矢量控制策略和基于定子磁场定向的矢量控制策略。对于并网型风力发电机，较多文献采用了定子磁场定向的矢量控制方法，它将同步旋转坐标系的D轴与双馈发电机的定子气隙磁场矢量重合，推导出基于定子气隙磁场定向的双馈发电机稳态下有功、无功解藕的励磁控制模型。但由于矢量控制的鲁棒性较差，并且由于矢量旋转变换的复杂性，使得实际的控制效果与理论分析的结果又一定的偏差，这是矢量控制技术存在的缺陷。2多标量控制基于多标量模型的双馈电机控制方法通过多标量模型变换电机系统到两个独立的线性子系统中，利用PI调节器控制定子的有功和无功。在该方案中，定义转子转速，定子磁链幅值的平方，定子磁链和转子电流的叉积和点积四个标量，并根据上述四个标量电机的微分方程，在忽略定子电阻的情况下，对定子磁通做归一化处理后，电机的有功功率和无功功率可以得到解祸控制。3直接转矩控制直接转矩控制是继矢量控制技术之后发展起来的一种高性能的异步电动机变频调速系统。1977年美国学者ABPLUNKETT在IEEE杂志上首先提出了直接转矩控制理论，1985年由德国鲁尔大学DEPENBROCK教授和TANKAHASHI分别取得了直接转矩控制在应用上的成功，接着在1987年又把直接转矩控制推广到弱磁调速范围25。不同于矢量控制，直接转矩控制具有鲁棒性强、转矩动态响应速度快、控制结构简单等优点，它在很大程度上解决了矢量控制中结构复杂、计算量大、对参数变化敏感等问题。332直驱式永磁风力发电机组直驱型风力发电机组又称无齿轮箱风力发电机组。直驱型风力发电机组通常采用永磁同步发电机，转子使用永磁体，没有励磁系统。直驱型风力发电机组将风能转化为频率、幅值都变化的三相交流电，经整流后通过逆变转换为恒频恒压的三相交流电馈入电网。通过全功率变流装置，对系统的有功功率和无功功率进行控制，实现最大功率跟踪，最大效率地利用风能17。全变速的风力发电机组如图312所示，发电机的定子与电网通过大容量变频器连接。这种变频器起到无功补偿和与电网平滑连接的作用。直驱式风力发电系统因其噪声小、维护成本低、具有较好的低压穿越能力而受到越来越多的关注。永磁材料在性能改善的同时，价格也在不断降低，另外永磁电机不需要电励磁，控制更加简单，用在直驱式风力发电领域具有优势26。电力电子技术近年来的不断发展，原来限制直驱式风力发电系统大力发展的电力电子变换装置已经不再成为难以克服的问题。图312直驱式风力发电系统这种机组中变转速风力发电机通过全额变频器接入电网。由于发电机转子直接与风力机的轮毂相连接,因此直驱型风力发电机转速较低。当传递能量一定时,必然要求其具有较高的转矩,从而导致发电机体积较大27。低转速还导致发电机极数较多,为了获得合理的极距,必然要求发电机有较大的外部尺寸来放置磁极。同时,考虑到负载电流和气隙磁密的约束,随着直驱式风力发电机容量的增加,为保证转矩密度不会进一步显著的增加,转矩越高导致发电机体积越大。为了提高发电机的效率、减小发电机的重量,直驱式风力发电机通常被设计成外径较大、极距较小的结构2829。此外,由于取消了齿轮箱,直驱式风力发电机组具有传动链简单、整体效率高、可靠性和可用性高等优点。目前,市场上直驱式风力发电机主要分为电激磁同步发电机EESG,ELECTRICALLYEXCITEDSYNCHRONOUSGENERATOR和永磁同步发电机PMSG,PERMENANTMAGNETSYNCHRONOUSGENERATOR两大类。333半直驱式风力发电机组半直驱型风力发电机组又称混合型风力发电机组。一般采用单级齿轮箱升速，这种结构可以分别应用在双馈型与直驱型中。与直驱型风力发电机组相比，单级齿轮箱半直驱型风力发电机组具有较佳的能量成本比，同时由于发电机的特殊设计，大大减轻了发电机的体积和重量，方便安装和运输，具有较好的应用前景。目前，失速型风力发电机组已逐步被变桨变速型风力发电机组替代。在变桨变速型风力发电机组中，主流机型是双馈型风力发电机组，其次是直驱型风力发电机组，半直驱型风力发电机组正在研制阶段。并且风电机组的主要发展方向是重量更轻，结构更具有柔性,直接驱动和变速恒频等。从目前的发展趋势来看，以水平轴、上风向、三叶片的升力型机组为主流的风电机组30。1变桨距调节方式将会取代定桨距失速调节方式。变桨距调节能够按最佳参数运行，额定风速以下具有较高的风能利用系数，功率曲线饱满；额定风速以上功率输出稳定，不会造成发电机超负荷；较定距失速式整机受力状况得到改善,而且年发电量大。2变速运行方式将会取代恒速运行方式变速运行。在低风速时能够调节发电机反转矩以使转速跟随风速变化，从而保持最佳叶尖速比以获得最大风能；高风速时能够利用风轮转速的变化存储或释放部分能量，从而提高传动系统的柔性，使得功率输出更加平稳，以获得最大功率。3直驱式的市场份额会越来越大。直接驱动可省去齿轮箱，减少传动链能量损失、减少停机时间、发电成本和噪声，降低了维护费用，提高风电转换效率和可靠性。4风力发电机无刷化可提高系统运行的可靠性，实现免维护，提高发电效率。5大型风机系统和小型风机系统并列发展。在开发大型机的同时还应重视小型机。用于海洋作业时，景观、噪声等方面的问题不突出，适于采用数MW的大型机组；当受地形、系统等外部条件限制时，应用小型机较有利。6并网大型化与离网分散化互补运行。偏僻地区等电网较小，适用于离网分散型电力系统。表32风力发电中常见发电机结构和性能比较第4章风力发电并网作为对新型清洁能源的开发和利用，风力发电近年来发展迅速，各大发电企业纷纷上马风电。特别是在沿海等风能资源地区，风力发电接入电网的步伐不断加快、规模不断增大。风电的大量并网，也给电网的运行带来了一定的负面影响，风能具有随机变化的特性，而风力发电机组的输出功率与风速的立方成正比，因此风力发电机组的输出功率通常随着风速大幅快速变化。若将大量风电接入电网，将会对电网的电能质量和电网稳定性产生影响，电能质量下降，调度运行复杂化。在某些情况下会成为制约风电场装机容量的主要因素，甚至造成非常严重的事故。例如2011年2月24日清晨西北电网酒泉地区一个风电场单条馈线故障，导致该地区11个风电场引发风电机群发生大规模脱网事故。该事故是截止目前我国风电事故中脱网规模最大的一次，损失出力达84043MW，西北主网频率最低至49854HZ31。随着大规模风电的接入，风电容量在系统中所占比例的增加，其对系统的影响将不能被忽视。风电场并网运行对电力系统电能质量、安全稳定带来诸多负面的影响，现如今风力发电逐步的规模化和产业化，风电场装机规模不断增大，风电场注入功率的变化对电网的影响也同益显著。为了更加充分的开发利用风力资源，在风电场建设之前，需要对并网风电场接入电力系统稳定的影响做深入的研究分析，这对风电场的规划设计以及电力系统的稳定运行都有着重要意义。41风电并网系统的组成风电并网系统由风力发电机群组成的风电场A、升压变电站B和输电线路L组成的并网型风力发电系统，是将风电电力通过PCC节点送入电力网络，再提供给用户，如图41所示。PCC节点是风电场与电网的连接点，又称公共连接点。图41风电并网系统的组成风电相当于“负”负荷，具有间歇性和随机性。风电在电网中的使用受到一定的限制，同时大型风电场并网增加了电网运行调度的难度。42风电并网对电力系统的影响风电场向电网输送电能时必须保证一定的电能质量，通常电能质量由频率、电压、谐波、闪变和三相不平衡度组成。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预测，从而导致风力发电接入电力系统时存在安全隐患；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。再者，风力发电机组在电网瞬态故障下有可能会加剧电网故障，甚至引起局部电网崩溃。421对电网频率和有功功率的影响风电场发出的功率是随着风速随即切入或退出电网的。假定在某时刻，电网中的部分负荷由切入风电（）供电，常规电源总发电有功功率，WPGP则等量地减少至，如图42（A）所示。如果此时无风，风电电力下降0GP到零，则由常规电源的旋转备用（）供电，如图42（B）所示。G是在常规发电机调速系统的作用下调出的，这一过程伴随电网的频率G调整。为保证不间断地给用户供电，电网为风电准备的必须是旋转备GP用的，由发电机的一次调频功能实现17。图42风电场有功功率动态平衡风电切入、退出前后电网的稳态频率，可用下式计算，即（41）10FPKLGP（42）/00FPFFGN（43）1/0FPFFPKLLL（44）0GN式中、分别为与额定频率对应的发电有功功率和负荷有功0GPL0F功率；、分别为与频率对应的发电有功功率和负荷有功功率；F为所有常规发电机组额定有功之和，为电网的旋转备用容量；GN0GNP为电网的频率静态特性系数，需要由、等系数计算求出；PKKL为常规发电机组的频率静态特性系数，与各发电机的调速特性有关；G为负荷频率静态特性系数，与所带负荷类型有关，在13之间；为L电网的旋转备用系数。例如某电网旋转备用系数；常规发电机组频率静态特性系051数；负荷的频率静态特性系数，风电所带负荷功率为总410GKLK有功负荷的4（），计算无风时风电退出引起的频率变化。P由计算结果可知，风电退出后，电网频率下降了0322，由50HZ下降到49839HZ/S。在频率变化的同时，风电切入或退出还将引起电网中线路功率的振荡，这与风电切入功率的大小、切入的速度、切入点的位置及所连设备的惯性常数有关。如果风电切入点附近有相当于风电功率的负荷，这部分负荷就近吸收了风电电力，则引起的功率振荡就较小；如果风电切入点附近没有多少负荷，风电将根据潮流分配原理送到电网的其他地方，风电电力能否畅通送出，输电线路是否过载，是否会引起线路的功率振荡，则要借助于电网潮流、暂态计算程序等进行仿真分析计算。同时风电并网在对系统的有功调度也会产生重要影响，与常规能源电厂相比，风电场输出功率受风速等气象因素影响较大，输出功率是不完全可控。然而电力系统制定发电计划是基于电源的可靠性和负荷的可预测性，以往小规模风电接入系统时，一般将风电场作为负的负荷来处理，由于风速引起的功率波动在系统的容许范围内，扰动被系统消纳，对整个电网安全稳定影响较小。大规模风电接入系统时，由风速变化引起的功率波动会对电网运行造成严重影响甚至危及电网安全，必须对电网原有的运行调度方式进行优化和调整以应对大规模风电并网带来的问题。大规模风电并网会对系统供需平衡造成很大的影响，其系统结构如图所示，这就需要准确预测供需走势，预测是实施供需平衡调节的基础。供需差可能来源于负荷、潮流交换、间歇性电源等的变化。供需走势的预测对于系统运行至关重要。风电预测直接关系到整个调度系统的运行成本和调度安全问题，而目前的风电预测误差为1015远高于负荷预测误差，远不能达到系统运行对预测精度的要求，给大规模风电并网的系统运行带来很大隐患。同时需要足够的系统调节平衡资源来提升系统应对风电出力变化和不确定的能力，由于风电出力变化和不确定，导致系统必须维持很高的系统调节资源以作备用，降低了系统资源的利用率，否则系统将无法应对风电出力变化和不确定性，影响系统的安全可靠运行。图43大规模风电并网后电力系统结构大规模风电并网后，调度系统在原有基础上增加包括风电预测、风电场控制层、系统控制层等部分。风电场控制层接收系统控制层的调度指令，并且接收每台机组反馈的某一时段可以输出的功率限值，风电场控制层向风电场内的每台机组下发控制指令其中包括有功功率、无功功率。系统控制层调度指令制定是基于风电预测结果最优决策方案，其中包括风电场发电计划、常规能源电厂发电计划以及系统有功备用分配等内容。风电预测根据时间尺度不同分为短期风电预测（提供172H预测）和超短期风电预测（提供15MIN4H预测），同时为提供可靠的风电预测信息，风电预测系统包括数值天气预报（NWP，NUMERICALWEATHERPREDICTION）、本地模型（LAM，LOCALAREAMODELS）、风输出功率预测和地区重构。利用短期风电预测和负荷预测结果，制定满足日前电量交易计划的发电计划，同时风电和负荷的不确定性导致预测结果和实际运行中存在较大的偏差，并且目前日前计划在实际执行中受到各种约束条件影响，需要在实时调度中考虑这些约束进行动态有功优化。电力系统动态有功优化调度，一般由日前调度、实时调度和自动控制AGC，AUTOMATICGENERATIONCONTROL组成。风电有功调度与控制的关键是如何合理调动相关非风电机组的协调配合作用，协调配合的过程需要与现有调度周期相接轨，能够通过适当技术手段调动出一定数量的常规能源机组。对于大规模风电场并网存在较大的峰谷差，风电在10MIN左右可能从零升到额定值，或从额定值降到零，这就需要调用系统中常规能源机组对风电场实际运行中出现高幅值功率波动协调控制。图44风电并网后有功控制结构大规模风电并网后有功控制分为两级控制，在线调度控制与自动发电控制AGC，此前在风电功率预测的基础上安排发电计划和调度任务，超短期风电功率预测精度较高，则可以在前期的调度计划进行再校正以减少系统中弥补有功供需不平衡的平衡容量，同时充分利用风电场有功备用与系统中可调机组中有功备用执行系统二次调频，保证系统频率稳定和正常的联络线交换功率。在线调度控制周期内，借助系统中常规能源机组的配合对预调度周期内的调度计划进行再校正；在自动控制时间级内，系统内AGC机组的实时偏差控制对在线调度计划外的功率波动进行实时调整。实际运行中应通过系统中在线调度常规能源电厂的可调机组和部分可控风电场进行出力调整，使主调AGC机组保持最大调节容量，跟踪风电功率变化，并足以应对风电预测偏差对系统造成的影响。从电力系统获取调节资源的角度考虑，对系统中调节资源进行划分，首先调用地区电网中的优势资源，将风电产生的扰动消纳；无法有效消纳扰动时，则将启用其他地区甚至全网资源将风电扰动进行跨地区或者全网消纳。422对电网电压和无功功率的影响风电的间歇性和随机性，不仅表现在对频率和有功的影响，还表现在对电压和无功的影响。无功和电压变化的原因是在有功变化的同时，线路和变压器的无功损耗大幅度变化。线路的电压降也随之变化，并影响电网母线的电压水平，产生电压偏差。电压偏差问题属于电网的稳态问题。大幅度波动的风速引起风电机组出力波动较大，所以风电功率的波动导致电网内某些节点电压偏差超出国家标准规定的限值。这种情况下可以采取在风电场装设一定的无功补偿装置或切除部分风电机组等措施，来改善电压水平或使注人电网的风电功率减少，进而减缓风电注入对系统的影响。另外，加强网架结构、采用具有电压无功控制能力的双馈变速风电机组，都可以更好地改善风电接入地区电网的电压水平与电压稳定性。实际运行过程中，在风电功率波动大、无功需求量大且变化相对较快时。单依靠电容器组快速投切不能满足控制的要求，这时就需要在风电场内安装能够在风速波动时提供快速的无功支撑，有利于电网和风电场的无功电压调节的动态无功补偿装置，文献3233对无功控制的方法进行了研究。在一定的条件下，有功功率可以长距离传输，但无功功率则应采取就地平衡的办法，因为无功功率长距离输送的损耗很大，受端所剩无功很少，受端电压偏差也可能超过规程允许的范围。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。目前，风力发电多采用异步发电机它需要外部系统提供无功支持，当风电场容量大，无功控制能力不足时，易影响电压的稳定性。静态电压稳定问题研究表明,一方面风电场的有功出力使负荷特性极限功率增大，增强了静态电压稳定性；另一方面风电场的无功需求使负荷特性的极限功率减少，降低了静态电压稳定性。由于风电场大多采用异步发电机，变速恒频风电系统在向电网注入功率的同时需要从电网吸收大量的无功功率，风电场的无功仍可看作是一个正的无功负荷，因此风电场可能引起电压稳定性降低或电压崩溃现象。但只要系统的无功供给足够多，则整体上可以认为风电场的并网增强了系统的静态电压稳定性。也就是说，风电并网对电网静态电压稳定性的影响可以是正面的也可以是负面的，它跟风力发电机的运行点密切相关。暂态电压稳定问题通常认为，大规模风电并网引起的电压稳定性问题属于动态范畴,因此很多文献都是围绕暂态电压稳定性展开的。影响暂态电压稳定性的因素很多，一般说来有如下几部分。1电网的强弱；2风机的类型定速风机采用的普通感应发电机常为鼠笼式感应发电机，这种发电机的一个特性就是减缓故障后的电压恢复，如果接入弱电网易导致电压不稳定和转于转速不稳定。变速风机是通过逆变器与电网连接的，减少了风电场对电网的冲击，而且故障后的电压恢复也较快，但是故障发生时，变速风机为保护逆变器而从电网中断开，这样会甩掉大量的风电，带来更大的负面影响。3风机气动功率调节技术。4风电的穿透功率水平；5无功补偿。和电压稳定相关很直接的一个因素就是无功补偿，尤其是对带有普通异步发电机的风力发电34。423对电网谐波、闪变和电压波动的影响谐波是电网电能质量的重要指标之一。一个理想的电网是以单一恒定频率（50HZ）与额定幅值的稳定电压供电的。近年来，随着在电网中大功率变流设备和调压装置的利用、高压直流输电的应用、大量非线性负荷的出现以及供电系统本身存在的非线性元件，使电网中的电压波形畸变越来越严重，对电网造成了很大的危害。供电系统中的元件损耗增大，用电设备的使用寿命降低，干扰通信系统的正常运行。严重时，甚至还能使设备损坏，自动控制失灵，继电保护误动作，因而造成停电事故等及其他问题。不论何种类型的风力发电机组，发电机本身产生的谐波是可以忽略的，谐波电流的主要来源是发电机组中的电力电子元件。对于恒速风力发电机组来说，在持续运行过程中没有电力电子元件的参与，因而也没有谐波电流的产生。当风力发电机组进行投入操作时，软并网装置处于工作状态，将产生部分谐波电流，但由于投入过程持续时间很短，这时的谐波电流注入实际上是可以忽略的。需要考虑谐波干扰的是变速恒频风力发电机组，在运行过程中机组的变流器始终处于工作状态，谐波电流的大小与机组的输出功率有关，也就是与风速的大小有关。风力发电机组可以看作谐波源，其自身特性会影响可能产生的谐波分量，此外，电网的强弱也是影响谐波成分的因素。相同的谐波源，接入弱电网的谐波问题比接入较强的电网更严重。适于建设大型风电场的并网运行就有可能对其所接入系统的电能质量造成影响。与电压闪变问题相比，风电并网带来的谐波问题不是很严重。风电场对电网电能质量的影响程度，与风力发电机组的类型、控制方式、风电场布置、所接入系统的短路容量及线路参数等因素有关。如果已知上述参数，则可以进行仿真分析，计算出由风力发电机组并网所产生的谐波分量，并用标准要求的限制值衡量是否超标。如不满足要求，则应采取相应的措施。电压波动和闪变，简称闪变。电压波动是指电压均方根值的脉动或连续的变化。电压变动是指电压变动特性DT在时间轴上相邻两个电压极值之差，电压变动的频度R是单位时间内电压变动的次数。产生闪变的原因是由波动负荷（风电可看作负的波动负荷）引起的。风力发电机组并网运行引起的电压波动，源于其脉动的功率输出，主要取决于风的湍流强度、风剪切、塔影效应和偏航等因素。对于三叶片风力发电机组而言，其周期性功率波动的频率为三倍的风力发电机叶片旋转频率，也就是常说的3P频率。3P频率范围通常为12HZ，该频率下的功率脉动占总的平均功率的比例较小。当多台风力发电机组同时运行时，将对输出功率的脉动产生平滑作用。脉动幅度有所降低，但多台风力发电机组同时运行时将向电网输入更多的风电功率，由此引起的电压波动幅值会更大。变速恒频型风力发电机组引起的这种周期性的电压波动幅值要小得多，这得益于变速恒频风力发电机组的控制效果。由风力发电机组并网运行产生的12HZ的周期性电压波动，正好位于人眼对灯光强度变动最敏感的频率范围内，由此可能引起闪变问题。恒速风力发电机组引起的闪变问题相对较为严重，变速风力发电机组引起的闪变强度只相当于恒速风力发电机组的四分之一。影响风力发电引起的电压波动和闪变的因素很多，如风况（平均风速和湍流强度等）、风电机组类型、控制系统（桨距和速度控制等）和电网状况（风电机组公共连接点的短路容量、电网线路X/R比和公共连接点所连接的负荷特性）等。风况对并网风电机组引起的电压波动和闪变影响很大，尤其是平均风速和湍流强度。随着风速的增大，风电机组产生的电压波动和闪变也不断增大。当风速达到额定风速并持续增大时，恒速风电机组产生的电压波动和闪变继续增大，而变速风电机组因为能够平滑输出功率的波动，产生的电压波动和闪变却开始减小35。湍流强度对电压波动和闪变的影响较大，两者几乎成正比例增长关系3637。并网风电机组类型和控制系统对风电机组的电能质量影响很大。例如，恒速风电机组对P和3P频率比较敏感，会产生较大的电压波动和闪变；但变速风电机组却可以减轻3P频率的影响35，变速风电机组运行产生的电压波动和闪变水平远低于恒速风电机组，几乎是恒速风电机组的1/436。并网风电机组公共连接点短路比和电网线路X/R比是影响风电机组引起的电压波动和闪变的重要因素。风电机组公共连接点短路比越大，风电机组引起的电压波动和闪变越小。合适的X/R比可以使有功功率引起的电压波动被无功功率引起的电压波动补偿掉，从而使整个平均闪变值有所减轻。研究表明当线路X/R比很小时，并网风电机组引起的电压波动和闪变很大。当线路X/R比对应的线路阻抗角为6070时，并网风电机组引起的电压波动和闪变最小。并网风电机组在启动、停止和发电机切换过程中也产生电压波动和闪变。文献38分别计算了恒速定桨距和恒速变桨距风电机组在切换操作过程中产生的电压波动和闪变，并与持续运行过程中产生的电压波动和闪变作了比较。由于启动时无法控制叶轮转矩，而持续运行过程中的功率波动较小，所以恒速定桨距风电机组在切换操作过程中产生的电压波动和闪变要比持续运行过程中产生的电压波动和闪变大。对于恒速变桨距风电机组，结论是相反的。在塔影、风剪切和有限的桨距调节范围的联合作用下，恒速变桨距风电机组持续运行过程中的功率波动幅值非常大，从而产生较大的电压波动和闪变；而恒速变桨距风电机组可以控制叶轮转矩，启动时产生的电压波动和闪变比较小。43风力发电系统实例风电场是在风能资源较好的地区安装几台、几十台甚至成百上千台风电机组，并按照一定的布局方式，形成风电机组群。风力发电机组发出的电能经过变压器、集成电路和风电场升压变电所输送到电网系统。风电场是一种大规模利用风能的有效方式，其效果图如图45所示。20世纪70年代末，风电场的概念首先由美国提出。到1987年世界上90以上的风电场建在美国，主要分布在加利福尼亚州及夏威夷群岛，装有7000多台不同型号的风电机组，总装机容量在60万KW以上。欧洲的丹麦、荷兰、德国、英国等国也都有总装机容量达兆瓦级以上的风电场。截至2009年底，全球的风电装机容量达到了159亿KW，其中美国最多，为3516万KW，其次是中国，为2601万KW，德国排在第三位，为2578万KW。西班牙和印度分别位于第四位和第五位，中国新增装机容量达到了1380万KW，是世界上风电装机容量增长最多的国家12。图45大型风电场效果图甘肃酒泉是全国较早开始开发风电的地区之一，根据甘肃酒泉千万千瓦级风电基地规划报告，到2010年酒泉地区总装机容量将达到516万KW,其中瓜州405万KW，玉门111万KW；2015年酒泉地区风电装机容量达到1271万KW，其中了那个瓜州640万KW、马鬃山400万KW、玉门231万KW；2020年酒泉地区风电装机容量超过2000万KW，建成甘肃“陆上三峡”。截至2009年底，甘肃酒泉地区已投产发电的风电装机容量已达到7051万KW，在建或已经核准的风电装机容量为4455万KW。图46酒泉风电基地规划方案酒泉风电基地的主要特点1、装机总规模巨大酒泉千万千瓦级风电基地是世界上最大的风电基地，仅考虑已经批复规划的2015年1271万KW的风电建设规模，就已经超过了2008年全国的风电装机总容量，远期规划建设规模更是高达3000万KW。2、布局集中，远离负荷中心酒泉风电基地的风能开发利用主要集中玉门、瓜州、马鬃山三个区域内，其中玉门风电群距离兰州负荷中心的平均距离约为900KM，瓜州风电群距离兰州负荷中心的平均距离约为1000KM，马鬃山风电群距离兰州负荷中心的平均距离约为1100KM，整个酒泉风电群距离兰州负荷中心的平均距离约为1000KM，如果考虑在西北地区内消纳风电，距离负荷中心的平均距离更远，距离负荷中心1000KM以上是目前已知的全世界距离最远的风电场。考虑2015年1271万KW风电必须在全国电力市场消纳，其距离负荷中心的距离更远。3、送出工程电压等级最高、建设规模最大为了满足2010年建成投产的516万KW风电的送出需要，2009年初开工建设的酒泉千万千瓦级基地配套电网工程750KV武胜金昌酒泉安西输变电工程，建设规模为750KV双回输电线路为2848KM，变电容量840万KVA，风电送出工程总投资约90亿元12。甘肃酒泉风电基地所有风电项目直接或间接通过750KV电压等级接入系统，考虑2015年1271万KW风电必须在全国电力市场消纳，需要建设电压等级更高的特高压直流输电工程。甘肃酒泉风电基地风电的接入系统电压等级世界最高，送出工程建设规模和投资世界最大。酒泉风电基地突破了电力负荷就近消纳的传统发展模式，大部分需要通过330KV电压等级汇集到750KV变电所，几乎所有电力电量需要通过750KV及更高电压等级的电网送到较远的负荷中心。风电汇集接入系统及送出是酒泉千万风电基地的主要特点，也是酒泉风电基地成功与否的关键。酒泉地区已投产发电的7051万KW主要通过110KV电压等级接入330KV电网送出，2008年特许权中标的风电场均以23个打捆接入330KV升压变电所，再以I回330KV电压等级线路送入750KV安西变电所或就近接入附近330KV电网的方式接入电网。其余项目主要以110KV电压等级汇入330KV变电所接入系统，然后接入750电压等级送出。图47330KV瓜州变电站图48河西750KV变电工程为满足风电送出，2010年将建成瓜州酒泉金昌武胜双回750KV输电线路。2015年建设桥湾酒泉I回750KV线路，线路长度为200KM，建设桥湾安西2回750KV线路，线路长度为160KM。建设酒泉张掖开关站I回750KV线路，线路长度为190KM。另外还需要建设酒泉至东部地区的800KV直流输电工程，建设规模为输电线路长度超过2500公里，以满足电力送出的需要。如此大规模风电接入电力系统，在国际上史无前例。但同时我们也应该冷静地看到可能面临的巨大挑战，以促进甘肃酒泉“陆上三峡”工程健康发展。由于风力发电和常规电源存在巨大的差异，难以承担常规电源在电力系统中的调峰、调频、调压和备用等方面的作用，而且存在一些影响电力系统安全稳定经济运行的因素，有很多问题需要我们去研究和解决。（1）输送能力问题甘肃河西电网主网架电压等级为330KV，电网西起330KV瓜州变电所，东到330KV永