电力系统稳态10-新能源技术

2023/1/161新能源发电及其对电网的影响徐青山目录

Outline

第五局部风电研究新动向FifthpartNewtrendsofwindpowerresearches12345第一局部国内外新能源利用方式的比照FirstpartComparisonofthemethodsfordevelopingnewenergyresourcesathomeandabroad第二局部国内外风电开展状况

SecondpartWindpowerdevelopmentsituationathomeandabroad第三局部风力发电的特点

ThirdpartCharacteristicsofwindpower第四局部目前风电并网的研究情况

FourthpartResearchsituationofwindpowerintegrationatpresent第一局部国内外新能源利用方式的比照FirstpartComparisonofthemethodsfordevelopingnewenergyresourcesathomeandabroad4国内外新能源利用方式的比照

Comparisonofthemethodsfordevelopingnewenergyresourcesathomeandabroad国外国内目前德国、丹麦等国新能源与负荷中心地理距离相对较短，大多分散就近接入，就地消纳，开发成本较低。我国风电、光伏发电等新能源远离负荷中心，必须远距离大容量输送，开发成本较高。高集中、远距离分散开发、就近消纳欧美国家在发展新能源发电的同时也大力发展燃油、燃气等调节能力强的机组，以满足风电大规模并网的需要。我国以火电为主，占总装机容量的76%，系统调峰调频能力有限；系统峰谷差大。系统调峰能力不足与其它电源协调发展欧美国家电网联系紧密，功率交换能力强，为新能源发电跨区、跨国消纳提供了坚实的基础。目前，我国区域电网之间联系较弱，功率交换能力不强。弱联网强联网国外新装风机都具备有功/无功调节能力及低电压穿越能力；新的光伏发电并网导则也提出了类似的要求。国内风电机组和光伏电站有功/无功调节能力差，不具备低电压穿越能力。起步晚、不成熟技术成熟可靠我国风电场接入各电压等级装机容量比例图(2021)Proportionofinstalledcapacityintegratedbywindfarmtoeveryvoltagelevel国内外新能源利用方式的比照

Comparisonofthemethodsfordevelopingnewenergyresourcesathomeandabroad2007年美国天然气发电占39.5%，燃油发电占5.6%。6大规模开发风电，需要系统配置足够的调峰电源

Fordevelopingwindpowerinlarge-scale,enoughpowerforpeakloadisneeded国内外新能源利用方式的比照

Comparisonofthemethodsfordevelopingnewenergyresourcesathomeandabroad020%40%60%80%100%129GW5500亿kWhSource:BDEW,EnergyMarket2007Germany2021年德国燃气、燃油和抽水蓄能约占总装机容量的25%，其他可调峰电源8%。德国快速调节电源约占25%。7大规模开发风电，需要系统配置足够的调峰电源

Fordevelopingwindpowerinlarge-scale,enoughpowerforpeakloadisneeded国内外新能源利用方式的比照

Comparisonofthemethodsfordevelopingnewenergyresourcesathomeandabroad第二局部国内外风电开展状况SecondpartWindpowerdevelopmentsituationathomeandabroad年份20022003200420052006200720082009中国电源总装机容量（MW）356,570391,410440,000500,000600,000713,290790,000874,070中国风电总装机容量（MW）445.0568.4763.81260.02560.06050.01215.3(8940.0)2268(1613.0)中国的风电装机比例（%）70.250.430.841.131.84世界风电总装机容量

（MW）31,00040,30047,31759,00473,90493,849121,188159,213

中国的风电装机容量China’swindpowerinstalledcapacity数据来源：中国电力企业联合会/WWEA(WorldWindEnergyAssociation)国内外风电开展状况Windpowerdevelopmentsituationsathomeandabroad世界风电装机中国风电装机十年年均增长31.8%十年年均增长70%世界和中国风电开展速度ThepaceofthedevelopmentofwindelectricityinChinaandtheworld国内外风电开展状况Windpowerdevelopmentsituationsathomeandabroad11Situationofnewenergydevelopmentintheworld风力发电正朝着大型化、规模化的方向开展Windpowerismovinginthedirectiontowardslarge-scale世界风电装备技术开展趋势〔来源：德国风能研究所DEWI〕全球新能源开展形势Repower5M双馈感应电机变速风电机组Repower5MDoublyFedInductionGenerator

其叶片直径126米，机舱重量400吨，轮毂高度100-120米Basicprincipleanddevelopmentofwindpowergenerationtechnology风力发电技术的根本原理及其开展Tibet西藏

Northwestpowergrid西北电网CentralChinapowergrid华中电网Taiwan台湾SouthChinapowergrid南方电网七个千万千瓦风电基地NorthChinapowergrid华北电网EastChinapowergrid华东电网Northeastpowergrid东北电网

Seven10MillionKilowattsofWindPowerBase国内外风电开展状况Windpowerdevelopmentsituationsathomeandabroad七个千万千瓦基地的开发目标〔2021年为1.4亿千瓦〕规划内容简介－－沿海地区风电场开展规划Introductionofdevelopmentplan--developmentprogramofwindpowerplantincoastalareas风电场现状〔2021年〕风电场规划-与电网之间的位置对应关系潮间带盐城北+连云港盐城东〔射阳、东台、大丰〕盐城南南通北〔东台、如东〕第三局部风力发电的特点ThirdpartCharacteristicsofwindpower发电类型火电和水电风力发电输出功率可调度间歇性——不能按计划发电，调度困难发电机种类同步发电机，一般发电厂包含数台或十几台机组采用多种发电机技术；变速风电机组采用电力电子控制技术；大型风电场包含数百台机组；暂态响应特性有电压支撑能力，需保持同步运行，易发生暂态稳定问题不同类型的风电机组在故障时的暂态响应特性不同运行特性取决于发电机组和励磁系统的特性风电机群的特性和协调全部风电机群运行的风电场综合控制系统风力发电的特点Characteristicsofwindpower50.0Hz49.850.2发电用电常规电源用电负荷电网风电

电力系统调频调节Powersystemfrequencycontrol风力发电的特点Characteristicsofwindpower风速、风向的随机变化风速日变化风向日变化风的特性风力发电的特点Characteristicsofwindpower2021年宁夏2021年西北地区Characteristicsof

seasonalchangeofwindpower(monthlymeanvalue)西北地区，春季风大，夏季风小。为了平衡风电出力波动，需对电网发电方案进行调整。夏季水电多调峰能力强；而冬季水电少调峰能力弱，在冬季或春季风电水平高时对调度的压力大。风电季节性变化特点〔月平均值〕2021年西北地区Northwestchinain2021风电注入增大了等效负荷峰谷差情况的概率为60％。风电注入降低了等效负荷峰谷差情况的概率为40％。风电接入电网给系统调度运行带来了压力。江苏风电场的反调峰效应！风力发电的特点Characteristicsofwindpower小出力〔低于总装机容量的5%〕的概率接近25%，大出力〔超过总装机容量的95%〕的概率接近4%。

甘肃风电出力概率分布ProbabilitydistributionofwindfarmoutputofGansu风力发电的特点Characteristicsofwindpower222023/1/16第四局部目前风电并网的研究情况FourthpartResearchsituationofwindpowerintegrationatpresent对调峰调频能力的影响对无功功率平衡与电压水平的影响对稳定性影响对电能质量的影响风电对电力系统的影响Researchsituationofwindpowerintegrationatpresent目前风电并网的研究情况基于感应发电机的风电机组不具备无功调节能力，风电机组

在连续运行时吸收大量的无功，造成电压稳定性降低。基于双馈感应发电机的风电机组具备无功调节能力，可以通过PWM变频器控制系统吸收或发出无功功率。目前风电并网的研究情况Researchsituationofwindpowerintegrationatpresent东北西北南方西藏哈密酒泉吉林江苏河北蒙西蒙东“三华〞受端电网辽宁RequirementsoftheLarge-scalewindpowerdevelopmenttopowernetwork风电规模化开展对电网的要求

仿真工具

SimulationTools电力系统暂态混合仿真程序DIgSILENT/PowerFactory电力系统分析综合程序PSASP电力系统分析软件工具PSD-BPA电力系统电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC多区域可靠性分析软件

MARS大型风电并网仿真分析程序Simulationprogramoflarge-scalegrid-connectedwindpowersystem风电规模化开展对电网的要求RequirementsoftheLarge-scalewindpowerdevelopmenttopowernetwork

变速风电机组由于变频器对电网故障很敏感，电网轻微故障会引起机组切除风电机组没有低电压穿越功能，当风电装机更大时，电网频率会有问题风电规模化开展对电网的要求RequirementsoftheLarge-scalewindpowerdevelopmenttopowernetwork风电装机比例较低时：

Whenthewindpower'scapacityproportionislow:可以允许风电场在电网发生故障及扰动时切除，不会引起严重后果。风电装机比例较高时：Whenthewindpower’scapacityproportionishigh:高风速期间，由于输电网故障引起的大量风电切除会导致系统潮流的大幅变化甚至可能引起大面积的停电，而带来频率的稳定问题。当风电装机增大时〔百万千瓦、千万千瓦风电基地〕,低电压穿越能力是必需的德国的例子!风电规模化开展对电网的要求RequirementsoftheLarge-scalewindpowerdevelopmenttopowernetwork

加强大规模风电并网调度运行技术的研究，例如:

Tostrengthenthestudyofdispatchingoperationtechnologywith

theintegrationoflarge-scalewindpower,forexample:风力发电调度模式研究风电调度运行支撑系统研发风力发电优化调度系统研发区域风电协调调度控制系统研发

风电功率预测系统的研发

RequirementsoftheLarge-scalewindpowerdevelopmenttopowernetwork风电规模化开展对电网的要求实测曲线

以风电功率预测系统的研发为例Takethedevelopmentofwindpowerforecastingsystemforexample风电规模化开展对电网的要求RequirementsoftheLarge-scalewindpowerdevelopmenttopowernetwork国内外投入运行的风电功率预测系统Windpowerforecastingsysteminoperationathomeandabroad预测系统名称开发者Prediktor丹麦国家实验室（Risø）WPPT丹麦技术大学（TechnicalUniversityofDenmark）ZephyrRisø与丹麦技术大学Previento德国奥尔登堡大学（UniversityofOldenburg）AWPPS巴黎矿业大学（Ecoledesminesdeparis）SIPREÓLICO卡洛斯三世大学（UniversityCarlosIII）LocalPred-RegioPred西班牙可再生能源中心（CENER）HIRPOM爱尔兰科克大学（UniversityCollegeCork,Ireland）WPMS德国卡塞尔太阳能研究所（ISET）eWind美国TureWind公司WPFS中国电力科学研究院风电规模化开展对电网的要求RequirementsoftheLarge-scalewindpowerdevelopmenttopowernetwork风电功率预测方法

WindpowerforecastingmethodsRequirementsoftheLarge-scalewindpowerdevelopmenttopowernetwork风电规模化开展对电网的要求33预测时间尺度：0-48小时，时间分辨率：15分钟主要用于：合理安排常规机组发电方案，解决电网调峰问题。预测时间尺度：0-4小时、15分钟滚动预测，时间分辨率：15分钟主要用于：实时调度，解决电网调频问题。短期预测

Short-termprediction超短期预测Supershort-termprediction间歇性可再生能源并网技术解决措施Solvingmeasuresofintermittentrenewableenergygrid-connectedtechnology风电功率预测技术

Windpowerforecastingtechnology风电功率预测原理

Windpowerforecastingprinciple

物理方法微观气象学模型CFD模型...

统计方法人工神经网络支持向量机...风电规模化开展对电网的要求RequirementsoftheLarge-scalewindpowerdevelopmenttopowernetwork风电开展较快的几个国家并网导那么中都有较为完善的风电场并网技术规定丹麦：Technicalregulationforthepropertiesandtheregulationofwindturbines.2004.05德国：GridCode,Highandextrahighvoltage,E.onNetzGmbH,Bayreuth,Germany,1.April2006美国：AWEAGridCode,2004.05爱尔兰:WindFarmPowerStationGridCodeProvisions苏格兰:GuidanceNotefortheconnectionofwindfarmsGridcode风电规模化开展对电网的要求RequirementsoftheLarge-scalewindpowerdevelopmenttopowernetwork一般都对以下几个方面提出了要求：有功功率及其控制要求无功功率容量范围及电压控制要求低电压穿越能力要求风电机组的电压、频率正常运行范围SCADA系统与通信信号风电场电能质量指标风电场的测试要求风电模型及参数要求RequirementsoftheLarge-scalewindpowerdevelopmenttopowernetwork风电规模化开展对电网的要求低电压穿越能力

LVRTcapabilityVoltagedipcausedbygridfault

WTmustnottripWTmaytrip风电规模化开展对电网的要求RequirementsoftheLarge-scalewindpowerdevelopmenttopowernetwork223MW232kV234kV38Mvar电容器组55MW230kV潮流方向25MW故障前故障后0MW244kV251kV38Mvar电容器组0MW236kV定速机组电压明显升高，潮流大范围变化。40发电系统输电系统配用电系统建设百万千瓦和千万千瓦级风电基地；风电难以预测、不可控制、不可调度，给电网调峰调频带来新的挑战。输电通道有效利用、电力消纳等规划问题；远距离传输的电压无功控制和系统稳定问题；海上风电的输变电技术问题。改变原有放射状的供电结构；电压调节/潮流控制/电能质量等问题；对现有配网自动化方案提出挑战。GRequirementsoftheLarge-scalewindpowerdevelopmenttopowernetwork风电规模化开展对电网的要求41发电系统输电系统配用电系统电网友好型发电技术；风电检测认证标准和体系。大规模风电输电规划；柔性直流输电技术；输电平安稳定支撑技术；海上输变电关键技术。分布式风电接入配网评估和规划技术；分布式风电运行控制技术；需求侧响应/调度技术。调度技术大型风电基地资源分布及运行特性；风电功率预测技术；风电调度运行技术。根底平台试验平台支撑支撑间歇性可再生能源并网技术解决措施Solvingmeasuresofintermittentrenewableenergygrid-connectedtechnology第五局部风电研究新动向FifthpartNewtrendsofwindpowerresearch提纲Introduction

简介ExamplesofWindCurtailment

弃风案例Generatorinterconnection

并网Contractual

协议Bid-basedcurtailment

招标法弃风Dailyoperatinglimits

日常运行限制Bytypeofwindtechnology

依据风电技术类型Amountofavailablereserves

备用电源量Compensation

补偿CurtailmentData

弃风数据Conclusions

结论43ExeterAssociatesOutlineIntroductionWindpowerdevelopmenthasincreaseddramaticallyoverthelastdecade,whiletransmissioninvestmentinmanyregionshasfailedtokeeppace.Additionally,windfacilityconstructiontimesaremuchshorterthanfortransmission.44ExeterAssociates,Inc.风电在过去的十年中开展非常迅猛，然而在很多地方输电投资却跟不上而且风电场建设所需时间远低于输电设施建设的时间简介452023/1/16Windmayblowstrongeratnightwhenloadsarelow.Thishasresultedinsituationswherewindenergyproductioncanattimesexceedtheelectricitysystem’sabilitytooperatereliably.Curtailmentofwindenergyhasincreasedasaresult.夜晚用电负荷低的时候，风资源却偏偏更好这导致，有些时候，风电会超出电力系统的接纳能力，危及电网的平安运行弃风成为无奈的选择简介IntroductionWhyImportantforChina

Significantinternationalexperienceandexperimentationwithwindcurtailment.Internationalexperiencecanprovideusefulexperiencefrombothsystemandgenerationperspective.46ExeterAssociates,Inc.重要的国际弃风经验和实验这些国际经验可以从发电端和电力系统两个方面提供有用的参考对中国的重要意义CurtailmentData

47ExeterAssociatesCurtailmentdatacanbedifficulttoacquireasthereareseldomrequirementsinplaceforreportingit.缺少相关规定导致弃风数据难以获取弃风数据482023/1/16Entity单位CurtailmentData弃风数据BPAAsofMarch30,2010,totalcumulativecapacityofwindthathasbeenlimitedis2900MW.ERCOTIn2009,curtailedonaveragearound500to2,000MWdaily,maxamountapproximately3,900MW.

ERCOTcurtailedabout16%ofwindgenerationin2009.MidwestISOIn2009,around1,100incidencesofwindcurtailmenttotalingabout200,000MWh,representingabout1%

oftotalwindgeneration.SCEAbout15MWfor3-4hourseverytwodaysfromasinglewindplantinTehachapi(contractualarrangement).XcelIn2009,42,359MWhofwindgenerationinMinnesotaand18,991MWhofwindgenerationinColorado

werecurtailed.AlbertaESOCurtailedwindforabout838hoursin2009.DenmarkMaycurtailover20%ofmarginalwindproductionGermanyBetween2004and2006,approximately74,000MWhofwindenergywascurtailed.IrelandIn2008,approximately100MWhofwindenergywascurtailed.SpainIn2009,approximately54,000MW