毕业设计（论文）-智能电网关键技术与探讨

武汉电力职业技术学院武汉电力职业技术学院毕业设计论文课题智能电网关键技术与探讨专业：发电厂及电力系统学员姓名:2012-2-13至2012-3-11指导教师：2012-2-13至2012-3-11设计时间：答辩教师：封二摘要风力发电和光伏发电是一类特殊的电力，具有许多不同于常规能源发电的特点，由于其并入电网的电能呈波动性，大规模的风电和光电并网对电网的安全稳定、运行调度等诸多方面都会有一定影响。本文设计了含风力发电和光伏发电的电力系统发电容量模型和算法，进行了基于蒙特卡罗仿真的风力发电的发电容量可信度评估，计算了接入风力发电机组和光伏发电机组后电网的可靠性指标和节约的燃煤量。本文设计了计算准入功率的优化算法，并运用试探法计算了风力发电和光伏发电的最大准入功率。本文还讨论了风力发电和光伏发电机组在不同位置接入智能电网对电压水平的影响，重点研究了当风力发电和光伏发电机组位于馈线上时，其对电压水平的影响。关键词：电力系统、风力发电、光伏发电、并网运行、可靠性。

目录绪论：课题背景正式提出智能电网的概念智能电网的发展现状国外研究现状国内研究进展并网型风力和光伏发电发展状况并网型风力发电并网型风力发电的特点并网型风力发电的发展和现状并网型光伏发电并网型光伏发电特点并网型光伏发电的发展和现状风力发电和光伏发电并网主要问题和研究现状风力发电和光伏发电并网对电能质量影响孤岛效应问题可靠性问题准入功率的计算问题电网效益问题配电网故障问题风力发电和光伏发电并网基本模型和可靠性技术研究概述风力发电系统的基本模型并网型风力发电机组发电原理并网型风力发电机组分类风速数学模型3.3光伏发电系统的基本模型3.4可靠性评估指标3.5评估指标计算3.5.1负荷建模3.5.2发电机组建模3.5.3风力发电和光伏发电模型的修正3.6风力发电和光伏发电并网节约的燃煤量3.7本章总结风力发电和光伏发电并网对电网电压分布的技术研究风力发电和光伏发电组位置在馈线以外对电压水平影响风力发电和光伏发电放置在配电所风力发电和光伏发电机组接入馈线末端风力发电和光伏发电机组接入线路调压器的副端风力发电和光伏发电接入用户侧机组位于馈线上对电压水平的影响基本试验风力发电和光伏发电机组位置变化试验本章小结风力发电和光伏发电准入功率计算技术研究准入功率的计算方法试探法解析计算法5.2求解考虑电压调整约束的准入功率风力发电和光伏发电不主动调压时准入功率计算风力发电和光伏发电主动调压时准入功率计算本章小结智能电网的发展前景智能电网技术优劣势分析结束语参考文献1.绪论2005年，坎贝尔发明了一种技术，利用的是（Swarm)群体行为原理，让大楼里的电器互相协调，减少大楼在用电高峰期的用电量。坎贝尔发明了一种无线控制器，与大楼的各个电器相连，并实现有效控制。比如，一台空调运转15分钟，以把室内温度维持在24℃；而另外两台空调可能会在保证室内温度的前提下，停运15分钟。这样，在不牺牲每个个体的前提下，整个大楼的节能目标便可以实现。这个技术赋予电器于智能，提高能源的利用效率。2006年欧盟理事会的能源绿皮书《欧洲可持续的、竞争的和安全的电能策略》(AEuropeanStrategyforSustainable，CompetitiveandSecureEnergy)强调智能电网技术是保证欧盟电网电能质量的一个关键技术和发展方向。这时候的智能电网应该是指输配电过程中的自动化技术。2006年中期，一家名叫“网点“(GridPoint)的公司最近开始出售一种可用于监测家用电路耗电量的电子产品，可以通过互联网通信技术调整家用电器的用电量。这个电子产品具有了一部分交互能够，可以看作智能电网中的一个基础设施。2006年，美国IBM公司曾与全球电力专业研究机构、电力企业合作开发了“智能电网”解决方案。这一方案被形象比喻为电力系统的“中枢神经系统”，电力公司可以通过使用传感器、计量表、数字控件和分析工具，自动监控电网，优化电网性能、防止断电、更快地恢复供电，消费者对电力使用的管理也可细化到每个联网的装置。这个可以看作智能电网最完整的一个解决方案，标志着智能电网概念的正式诞生。2007年10月，华东电网正式启动了智能电网可行性研究项目，并规划了从2008年至2030年的“三步走”战略，即：在2010年初步建成电网高级调度中心，2020年全面建成具有初步智能特性的数字化电网，2030年真正建成具有自愈能力的智能电网。该项目的启动标志着中国开始进入智能电网领域。2008年美国科罗拉多州的波尔得(Boulder)已经成为了全美第一个智能电网城市，每户家庭都安装了智能电表，人们可以很直观地了解当时的电价，从而把一些事情，比如洗衣服、烫衣服等安排在电价低的时间段。电表还可以帮助人们优先使用风电和太阳能等清洁能源。同时，变电站可以收集到每家每户的用电情况。一旦有问题出现，可以重新配备电力。2008年9月Google与通用电气联合发表声明对外宣布，他们正在共同开发清洁能源业务，核心是为美国打造国家智能电网。2009年1月25日美国白宫最新发布的《复苏计划尺度报告》宣布：将铺设或更新3000英里输电线路，并为4000万美国家庭安装智能电表——美国行将推动互动电网的整体革命。2月2日能源问题专家武建东在《全面推动互动电网革命拉动经济创新转型》的文章中，明确提出中国电网亟须实施“互动电网”革命性改造。2009年2月4日，地中海岛国马耳他在周三公布了和IBM达成的协议，双方同意建立一个“智能公用系统”，实现该国电网和供水系统数字化。IBM及其合作伙伴将会把马耳他2万个普通电表替换成互动式电表，这样马耳他的电厂就能实时监控用电，并制定不同的电价来奖励节约用电的用户。这个工程价值高达9100万美元（合7000万欧元），其中包括在滇网中建立一个传感器网络。这种传感器网络和输电线、各发电站以及其他的基础设施一起提供相关数据，让电厂能更有效地进行电力分配并检测到潜在问题。IBM将会提供搜集分析数据的软件，帮助电厂发现机会，降低成本以及该国碳密集型发电厂的排放量。2009年2月10日，谷歌表示已开始测试名为谷歌电表﹙PowerMeter﹚的用电监测软件。这是一个测试版在线仪表盘，相当于谷歌正在成为信息时代的公用基础设施。2009年2月28日，作为华北公司智能化电网建设的一部分——华北电网稳态、动态、暂态三位一体安全防御及全过程发电控制系统在京通过专家组的验收。这套系统首次将以往分散的能量管理系统、电网广域动态监测系统、在线稳定分析预警系统高度集成，调度人员无需在不同系统和平台间频繁切换，便可实现对电网综合运行情况的全景监视并获取辅助决策支持。此外，该系统通过搭建并网电厂管理考核和辅助服务市场品质分析平台，能有效提升调度部门对并网电厂管理的标准化和流程化水平。美国谷歌2009年3月3日向美国议会进言，要求在建设“智能电网（SmartGrid）”时采用非垄断性标准。2010年1月12日，国家电网公司制定了《关于加快推进坚强智能电网建设的意见》，确定了建设坚强智能电网的基本原则和总体目标。1.1课题背景近年来，我国电力行业紧密跟踪欧美发达国家电网智能化的发展趋势，着力技术创新，研究与实践并举，在智能电网发展模式、理念和基础理论、技术体系以及智能设备等方面开展了大量卓有成效的研究和探索。2009年5月，在北京召开的“2009特高压输电技术国际会议”上，国家电网公司正式发布了“坚强智能电网”发展战略。2009年8月，国家电网公司启动了智能化规划编制、标准体系研究与制定、研究检测中心建设、重大专项研究和试点工程等一系列工作。在2010年3月召开的全国“两会”上，温家宝总理在《政府工作报告》中强调：“大力发展低碳经济，推广高效节能技术，积极发展新能源和可再生能源，加强智能电网建设”。这标志着智能电网建设已成为国家的基本发展战略。1.2智能电网的概念智能电网（smartpowergrids），智能电网（SmartGrid）是指运用IT技术自动控制电力供求平衡的第二代供电网。主要利用能够进行双向通讯的智能电表（SmartMeter），即时掌握家庭太阳能发电量和电力消费量等信息。电力公司也可以通过智能电表控制空调运转等实现节能。加强太阳能和风力等开发利用以及电力稳定供应，必须构建智能电网。赛迪顾问认为智能电网是以先进的通信技术、传感器技术、信息技术为基础、以电网设备间的信息交互为手段、以实现电网安全、可靠、经济、节能为目的的先进的现代化电力系统。通信技术、传感器技术、信息技术是智能电网建设的基础。智能电网是新技术在电网行业应用的产物，涉及到通信、传感器、信息等技术，这些技术是智能电网建设的基础，也是智能电网能够实现新应用的保证。智能电网的数据获取、保护和控制都需要通信系统的支持，因此建立通信系统是迈向智能电网的第一步；通过传感器可以对整个电网系统进行测量并传输数据，获取实时数据，并提供各种信息交互；信息技术的发展是智能电网的直接推动力，通过信息技术能够实现高级应用，并在合适的时机催生出新的应用模式。设备间的信息交互是实现电网智能化的最重要手段。现在的电网除了一些二次设备可以实现远程操作外，其他信息基本上是单向传输，而未来智能电网将会形成一种新的通信和交互机制，实现电网设备间的信息交互，以此为依托可以大幅度提高电网的智能性。利用智能电网的互动性，能够实现双向的传输数据，实行动态的浮动电价制度，可以利用传感器对发电、输电、配电、供电等关键设备的运行状况进行实时监控和数据整合，遇到电力供应的高峰期之时，能够在不同区域间进行及时调度，平衡电力供应缺口，从而达到对整个电力系统运行的优化管理。1.3智能电网的发展现状电网已成为工业化、信息化社会发展的基础和重要组成部分。同时，电网也在不断吸纳工业化、信息化成果，使各种先进技术在电网中得到集成应用，极大提升了电网系统功能。（1）智能电网是电网技术发展的必然趋势。近年来，通信、计算机、自动化等技术在电网中得到广泛深入的应用，并与传统电力技术有机融合，极大地提升了电网的智能化水平。传感器技术与信息技术在电网中的应用，为系统状态分析和辅助决策提供了技术支持，使电网自愈成为可能。调度技术、自动化技术和柔性输电技术的成熟发展，为可再生能源和分布式电源的开发利用提供了基本保障。通信网络的完善和用户信息采集技术的推广应用，促进了电网与用户的双向互动。随着各种新技术的进一步发展、应用并与物理电网高度集成，智能电网应运而生。（2）发展智能电网是社会经济发展的必然选择。为实现清洁能源的开发、输送和消纳，电网必须提高其灵活性和兼容性。为抵御日益频繁的自然灾害和外界干扰，电网必须依靠智能化手段不断提高其安全防御能力和自愈能力。为降低运营成本，促进节能减排，电网运行必须更为经济高效，同时须对用电设备进行智能控制，尽可能减少用电消耗。分布式发电、储能技术和电动汽车的快速发展，改变了传统的供用电模式，促使电力流、信息流、业务流不断融合，以满足日益多样化的用户需求。电力技术的发展，使电网逐渐呈现出诸多新特征，如自愈、兼容、集成、优化，而电力市场的变革，又对电网的自动化、信息化水平提出了更高要求，从而使智能电网成为电网发展的必然趋势。1.3.1国际智能电网发展现状世界主要发达国家均在抓紧智能电网建设工作。美国奥巴马政府作为一项公共投资投入约40亿美元，欧洲主要国家及韩国纷纷着手强化智能电网基础设施建设。㈠美国美国已开始向部分家庭安装带有通讯功能的智能电表（SmartMeter），目标是以家庭为单位，随时监测电力消费和管理，更加有效地实现输电和供电。为此，对企业及地方团体实施的100个项目给予财政援助，计划2013年前在2600万个家庭安装智能电表，相当于09年3倍。奥巴马总统强调说，“现在是建设绿色能源高速公路的时代”。新能源产业有望创造43000个就业岗位，环保产业将成为拉动未来美国经济的重要支柱之一。㈡日本东京电力和関西电力等电力公司开始投资构建第二代智能电网（SmartGrid），目标除在所有家庭安装智能电表（SmartMeter）外，还计划加强送变电设施及蓄电装置建设。2020年前相关电力设施投资预计超过1万亿日元。智能电表作为第二代智能电网的核心设备，主要测量每个家庭电力消费情况及随时掌握太阳能发电量等信息。东京电力2010年起主要面向家庭安装2千万部。関西电力2010年3月底前在40万个家庭安装，并计划更换1200万部。预计2020年前日本智能电表需求量约5千万部，每部成本近2万日元，共计约1万亿日元。日本智能电网与欧美不同，主要特征是积极地利用家庭进行太阳能发电。太阳能发电长期目标是2020年发电2800万千瓦，相当于现在20倍；2030年发电5300万千瓦，相当于现在30倍。为此，需要增设电压调整装置和变压器，预计2030年前追加投资6千亿日元。㈢欧洲英国目标是2020年在全国所有2600万个家庭安装智能电表，此项工作主要通过电力公司完成。并且已正式进行了适应风力发电等可再生能源的智能电表等相关实验。法国09年秋天也发布了将再生能源纳入智能电网的计划，并开始征集相关企业参与。德国制定了“E—Energy”计划，总投资1亿4千万欧元，09年至2012年4年时间内，在全国6个地点进行智能电网实证实验。1.3.2国内发展现状随着我国经济的快速发展，对电力的需求日益增强，而国内能源结构不合理、能源分布不均衡严重制约电力行业的发展。特高压电网解决了远距离、大容量输电问题，在一定程度上解决了能源输送问题，但“重电源轻电网”导致供电可靠性较低，同时网架结构薄弱则限制了新能源有效利用。为了解决这些问题，国内电网企业也开始寻求利用信息技术提高电网运营能力，而智能电网则是一个重要的研究方向。2007年10月，华东电网正式启动了以提升大电网安全稳定运行能力为目的的智能互动电网可行性研究项目。2008年4月，在前期智能电网研究成果的基础上，华东电网启动高级调度中心项目群建设，该项目是智能电网建设蓝图“三步走”的第一阶段“巩固提升”的重点内容。从2007年华北电网公司开始进行智能电网相关的研究和建设，致力于打造智能调度体系，为智能输电网奠定基础；建立企业级服务总线，搭建智能电网信息架构；超前研发清洁能源关键技术，做好可再生能源并网准备；结合客户信息采集系统，试点建设智能供电网。2009年华北电网将在前期工作的基础上，深度体会国网公司建设中国特色智能电网的概念、理论，结合华北特色大力建设智能电网，制定智能电网发展规划和实施方案，继续推进智能电网的研究和建设。2009年初，国家电网公司启动了“坚强智能电网体系研究报告”、“坚强智能电网综合研究报告”和“智能电网关键技术研究框架”等重要课题的研究。通过积极探索国内外智能电网技术发展动态，分析中国坚强智能电网技术需求，调研中国智能电网建设已有技术基础，揭示坚强智能电网的内涵与特征，制定了坚强智能电网总目标、技术框架体系与实施计划等。2009年5月21日，在北京召开的“2009特高压输电技术国际会议”上，国家电网公司正式宣布将建设“坚强的智能电网”，并公布了规划试点、全面建设、引领提升三阶段的建设方案。随后国家电网公司将智能电网技术作为2009年科技重点工作领域之一，研究方向的确定和研究框架项目的实施，将会使智能电网脱离概念炒作阶段，正式进入规划建设阶段。2．并网型风力发电和光伏发电发展状况2.1并网型风力发电2.1.1并网型风力发电的特点风力发电有两种不同的类型：独立运行的离网型和接入电力系统的并网型风力发电。离网型的风力发电规模较小，通过蓄电池等储能装置或者与其他分布式能源发电技术相结合，如风力发电/水电互补系统、风/光互补系统、风力发电/柴油机组联合供电系统，它可以解决无电网的偏远地区的供电问题。并网型风力发电是规模较大的风力发电场，容量大约为几兆瓦到几百兆瓦，由几十台甚至成百上千台风力发电机组构成。并网运行的风力发电场可以得到大电网的补偿和支撑有利于更加充分地开发可利用的风力资源，是国内外风力发电的主要发展方向，在日益开放的电力市场环境下，风力发电的成本也将不断降低，如果考虑到环境效益等因素，则风力发电在经济上也具有很大的吸引力。并网运行的风力发电的优点有：（1）风能资源丰富。据统计，全球可开发的风能资源潜力约为目前全球用电量5倍。（2）可再生，清洁无污染。常规的石化能源是有限的，而风能几乎是取之不尽，用之不竭。（3）建设工期短，自动化程度高。风力发电机组及其辅助设备具有模块化的特点，设计和安装简单，单台风力发电机组的运输和安装时间仅需几个星期，可多台同时安装，互不干扰，且安装一台即可投产一台。一个10兆瓦级的风力发电场建设工期不超过一年。（4）占地面积小，对土地质量要求低。风力发电场内设备的建筑面积仅约占风力发电场的1%，其余场地仍可供农、牧、渔使用。风力资源充足的地方往往是荒滩或山地等土地利用率低的地方。（5）技术逐渐成熟，发电成本降低。据欧洲风能协会2004年统计[8]，风力发电机组单位kW的造价已经降到900欧元，单位发电成本为3～5欧分/kWh。但风力发电同时也存在一定的局限性：（1）不可控性。风力发电以自然风常规能源发电一样根据负荷要求来改变风力发电机组的出力。现有的技术条件，如改变风力机叶片的浆距角，只能在很有限的范围内进行调节。（2）不稳定性。风速具有波动性和间歇性，并难以及时准确预测。因此风力发电机组的输出功率也具有随机性的特点。通常认为风力发电只能提供电力而不能提供有效的发电容量。尺寸比相应的水轮机大几十倍，限制了风力发电机组的单机容量和风力发电场的规模。风力机在理论上的最大风能利用率为59%，而实际上最高只能达到40%左右。2.1.2并网型风力发电的发展和现状利用风能发电始于19世纪末，到上世纪80年代通过建立大型风力发电场来大规模利用风能，风力发电运行技术及并网研究也得到较大发展。90年代以来，自风力发电容量以每年平均22%的速度增长，近五年的增长速度为35%~50%，在各种发电方式中风力发电量增长速度居于首位[9][10]。图2.1是世界风力发电装机总容量的发展趋势图，可以看出，风力发电装机总容量在1999年后上升很快，总装机容量每年都在20%以上的速度增长，2004年年底达到47.317GW。图2.1世界风力发电装机总容量（GW）与此同时，风力发电在全球总发电量中所占的份额也在不断增加，2003年已达到全球发电总量的0.49%，具体数据见表2.1。欧洲风能协会制定的风能发展计划中预计到2020年风力发电占到全球发电总量的11.81%。风力发电在一些风能资源利用较好的国家，如丹麦和德国，已经占到总发电量的10％和5.3％。2002年，欧洲风力发电已占总发电量的2%。到2002年底，全世界并网运行的风力发电装机容量达到31127MW，其中欧洲装机23291MW，美国4685MW，其它地区3151MW。风力发电装机较多的国家为：德国12000MW、西班牙4830MW、美国4685MW、丹麦2880MW和印度1702MW、中国468MW。表2.1风力发电在全球总发电量中所占比率在我国有广阔的发展前景，主要原因有：（1）我国风力资源丰富，具有开发风力发电的巨大潜力；（2）国家政府部门的鼓励政策。据国家气象局勘测，全国风能资源总储量为2.53亿kW，仅次于美国和俄罗斯，居世界第三位。我国的风能资源主要分布在两大风带：一是东南沿海、山东、辽宁沿海及其岛屿的沿海风带，有效风能密度在200W/m2以上，4~20m/s有效风力出现百分率达80%~90%；二是内蒙北部、甘肃、新疆北部以及松花江下游的内陆风带，有效风能密度一般大于200W/m2，有效风力出现的时间百分率均在70%左右。《中华人民共和国可再生能源法》[规定了风力发电的三项原则：（1）对风力发电要实行保护性固定电价，在成本上，保证有合理的利润；（2）电网无条件收购风力发电，价差由所在电网分摊；（3）国家财政设立专项资金，支持可再生能源发展。表2.2中国并网风力发电机组发展规划目标（MW）我国的风力发电兴起于20世纪80年代，最初的风力发电设备和技术都是依靠进口。近年来，风机制造的国产化率越来越高，600kW风力发电机组的国产化发电场的发电成本大约是0.4-0.8元/kWh。随着风力发电成本的明显下降，风力发电发展速度加快。到2004年末，我国已经建成44座风力发电场，累计风力发电机组1291台，装机容量764MW与2003年累计装机567MW相比，2004年累计装机增长率为34.7%。我国具有开发风力发电的良好基础和广阔前景。2.2.并网型光伏发电2.2.1并网型光伏发电特点光伏发电系统是由光伏电池板、控制器和电能储存及变换环节构成的发电与电能变换系统。太阳光辐射的能量经由光伏电池板直接转换为电能，并通过电缆控制器、储能等环节予以储存和转换，提供负载使用。图2.2是一个典型光伏发电系统的结构图。图2.2光伏发电系统结构图光伏发电系统按与电力系统关系分类，也通常分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统。独立光伏发电系统是不与常规电力系统相连而孤立运行的发电系统，通常建设在远离电网的边远地区或作为野外移动式便携电源，其建设的主要目的是解决无电问题。由于光伏发电的特点是白天发电，而负荷用电特性往往是全天候的，因此在独立光伏发电系统中储能元件必不可少。一般而言，系统在白天把太阳能转化为电能，通过蓄电池将电能储存起来，晚上再通过放电器把储存在蓄电池里的电能释放出来适当使用。与孤立运行的光伏发电站相比，并入大电网可以给光伏发电带来诸多好处；（1）不必考虑负载供电的稳定性和供电质量问题。（2）光伏电池可以始终运行在最大功率点处，由大电网来接纳光伏发电所发的全部电能，提高了光伏发电的效率。（3）省略了蓄电池作为储能环节，降低了蓄电池充放电过程中的能量损失免除了由于存在蓄电池而带来的运行与维护费用，同时也消除了处理废旧蓄电池带来的间接污染。并网光伏发电系统是与电力系统连接在一起的光伏发电系统，像其他类型发电站一样，可为电力系统提供有功和无功电能。光伏发电所发的直流电能经变换器变换成与电网相同频率的交流电能，以电压源或电流源的方式送入电力系统。控制器一般由单片机或数字信号处理芯片作为核心器件构成，用以实现光伏电池最大功率点跟踪及控制逆变器并网电流的频率、波形和功率，使向电网转送的功率与光伏阵列所发的最大功率电能平衡。变换器主要是由电力电子开关器件连接电感或电容构成，以脉宽调制方式形成所需电能形式向电网送电。无穷大的公共电网在这里可以视为扮演着储能环节的角色。因此并网光伏发电系统不需要额外的蓄电池，降低了系统运行成本，提高了系统运行和供电的稳定性。并网光伏发电系统的电能转换效率要大大高于独立系统，成为光伏发电的最合理发展方向。综上所述，光伏发电具有以下优势：(1)可靠。光伏发电很少用到运动部件，目前已有数千套光伏发电系统的运行经验。晶体硅的寿命可达20年以上。可靠性高，适合无人值守。(2)安全、无噪声及其它公害。不产生任何的固体，液体和气体有害废弃物，无环境污染和公害问题。(3)安装维护简单，运行成本低。(4)兼容性好。光伏发电可以与其他能源配合使用，自身增容也很方便。(5)标准化程度较高，可由组件的串并联满足不同用电的需要，通用性强。(6)太阳能资源丰富，分布范围广。但光伏发电能量分散，占地面积大，间歇性大，地域性强。建设初始投资大，成本较高。2.2.2并网型光伏发电的发展和现状目前世界太阳电池生产量日本第一，推广应用光伏发电系统却是德国领先全球太阳能电池年产量正在迅速增长，2004年的增长率超过60%，2005年的增长率为44%，太阳电池年产量达到1656MW。其中日本的产量占世界总产量46%。欧洲占世界总产量28%。2005年全球安装太阳电池组件1460MW，比前一年增长了34%。其中德国安装了838MW，比前一年增长了53%，占世界安装量的57%。日本安装了292MW，比前一年增长了14%。到2005年年末，全球累计安装太阳电池组件容量比前一年增长了39%，达到了5GW。日本新能源和工业技术发展组织在2004年6月发表的“面向2030年光伏路线图的概述”中提出：到2030年累计安装太阳电池组件容量要达到1000GW，届时日本所有住宅所消费的电力中将有50%由光伏发电提供，大约占全部电力供应的10%。2002年5月，欧洲光伏工业协会发表的报告“工业需要及路线图”预计：2010年前光伏发电市场平均年增长率为27%，2010年～2020年间增长率为34%，2020年～2040年间增长率为15%。在2010年光伏发电提供的电力将占总发电量的1%，到2040年将占总发电量的26%。美国在2004年9月发表了“我们太阳电力的未来：2030年及更久远的美国光伏工业路线图”，提出美国在2025年新增加发电容量的一半由光伏发电提供。表2.3是欧洲、日本和美国制定的光伏发电发展计划。表2.3欧洲、日本和美国制定的光伏发电发展计划（GW）国际光伏应用中并网发电和光伏建筑集成（BIPV）发展迅速，已成为光伏市场的最大份额。它标志着光伏发电由边远地区和特殊应用正在向城市过渡，由补充能源向替代能源过渡，由大型集中电站向分布式供电模式过渡。据国际能源协会下属光伏电力系统项目研究小组在2006年发布的报告“光伏发电应用技术的趋计势”中统计：2006年中国光伏发电设备的年销售量为15MW，光伏系统的总装机容量达85MW。光伏发电将在中国未来的电力供应中扮演重要的角色，预计到2010年中国的光伏发电累计装机容量将达到600MW，2020年累计装机容量将达到30GW，2050年将达到100GW。根据中国电力科学院的预测，到2050年中国可再生能源发电将占到全国总电力装机的25%，其中光伏发电将占5%。稳定且不断发展的市场和强有力的政府支持是光伏电池研发的根本动力。目前，我国正在继续培育国内的光伏市场，加大城市屋顶和沙漠并网电站的研发和示范投入等；同时注意人才培养，抓紧技术平台和队伍的建设，积极研发新型电池生产和应用技术，努力降低成本，并从税收、信贷等方面扶植光伏产业。另外，我国的太阳能资源非常丰富，据统计，太阳能年辐照总量大于5020MJ/m2，年日照时数在2200小时以上的地区约占国土面积的2/3以上，具体分布见表2.4。表2.4中国太阳能年辐射的地区分布我国《1996-2010年新能源和可再生能源发展纲要》中明确指出[23]，要按社会主义市场经济的要求，加快新能源和可再生能源的发展和产业化的建设，要求采取措施调整能源结构，提高清洁能源在能源消费中所占比重，要求通过技术进步来推动可再生能源事业的发展。鼓励发展利用太阳能，鼓励改造传统能源利用技术，提高能源利用效率，降低污染排放，并给予税收优惠等支持政策。综上可知，我国的光伏发电产业的发展前景是辉煌的。2.3风力发电和光伏发电并网主要问题和研究现状风力发电和光伏发电功率输出波动很大，不确定性程度高，难以调节。这样拥有大容量风力发电和光伏发电的电力系统需要较高的发电备用容量，以及输电网络备用容量。风力发电和光伏发电的接入将原来辐射型无源电网变成了有源环网，系统因为潮流变化频繁，系统保护配置，电压调整比较困难，给系统安全运行带来新的挑战。由于风力发电场和光伏发电所在地区往往人口稀少，处于供电网络的末端，承受冲击的能力较弱，随着风力发电和光伏发电规模的不断扩大其特性对电网的影响也愈加显著，成为制约风力发电和光伏发电容量和规模的严重障碍，研究风力发电和光伏发电并网对系统造成的影响具有重要意义。针对并网型风力发电和光伏发电，国内外学者和工程技术人员的研究与经验表明，与风力发电和光伏发电并网相关的课题研究主要集中在以下几个方面2.3.1风力发电和光伏发电并网对电能质量的影响国内外对于风力发电和光伏发电等分布式电源并网对电能质量的影响方面较多。国际电工委员会为研究风力发电并网对电网电能质量的影响，成立了与之相关的工作组，并发表了一系列的报告和标准。其中，IEC1000-3-7评估了风力发电对电网电能质量的影响。IEC64100-21给出了并网风力发电机组电能质量测量和评估的标准，为风力发电电能质量的测量和评估提供了一个统一的方法，其内容包括：风力发电并网机组电能质量特征参数的定义和说明，电能质量参数的测量过程，这些参数是否能满足电网要求的评估方法。研究风力发电并网电能质量问题的文献还有很多，但电能质量问题不是限制风力发电接入电力系统的全局性关键问题，而且随着电力电子技术的发展该问题已经逐步得到较好解决。2.3.2孤岛效应孤岛效应是指当电力公司的供电因故障事故或停电维修而中断时，各个用户端的风力发电和光伏发电系统未能及时检测出停电状态而将自身切离市电网路，从而形成由风力发电和光伏发电并网发电系统和周围的负载构成的一个电力公司无法掌握的自给供电孤岛。当风力发电和光伏发电总容量较大时尤其可能出现这种情况。一般认为，只要孤岛电网不是为了提高供电可靠性故意配置的，都应当避免。IEEE标准1547也强调了这个原则。一般来说，孤岛效应可能对整个配电系统设备及用户端的设备造成不利的影响：(1)对电力公司输电线路维修人员产生安全危害。(2)影响配电系统上的保护开关动作程序。风力发电和光伏发电形成孤岛电网后，如果重合闸非同期重合，会造成过电压，并且形成很大的冲击电流，影响设备安全和正常运行，导致保护误动作[35]。(3)电力孤岛区域发生的供电电压和频率的不稳定将危害系统设备。(4)当电力公司供电恢复时所造成的相位不同步问题。(5)光伏发电系统若采用单相供电而造成系统三相负载的欠相供电问题。孤岛检测方法一般可分为两类：无源检测方法和有源检测方法。常见的无源检测方法有过电压/欠电压、高频/低频检测，相位突跳检测和电压谐波检测三种检测方法。常见的有源检测方法包括有源频率偏移、滑模频率偏移和输出功率扰动三种。2.3.3可靠性问题风力发电和光伏发电并网对可靠性产生不利的影响为：（1）大系统停电时有些风力发电和光伏发电也会同时停运，仍无法提高供电的可靠性。（2）风力发电和光伏发电与配电网的继电保护配合不好，可能使继电保护误动作，反而使可靠性降低。（3）不适当的安装地点、容量和连接方式会使配网可靠性变坏。有利情况为：（1）风力发电和光伏发电可部分消除输配电网的过负荷和堵塞，增加输配电网的输电裕度。（2）在适当的风力发电和光伏发电布置和电压调节方式下，风力发电和光伏发电可缓解电压骤降，提高系统对电压的调节性能。（3）特殊设计的风力发电和光伏发电可使它在大电力输配电系统发生故障时仍能保持运行。由于单相负荷的存在和低压线路不对称的分布，带有风力发电和光伏发电装置的配电系统经常运行在不平衡的状态下，这样，三相电压和三相电流的相角差经常不是120°。换流器和其他电子装置对电压畸变是很敏感的，3%左右的电压畸变就会让它们把风力发电和光伏发电装置切除。风力发电和光伏发电并网引起的稳定问题主要是电压稳定问题，其对系统电压稳定的影响主要包括以下几个方面：（1）普通的风力发电和光伏发电机组无功补偿方式为电容器补偿，补偿量与接入点的电压的平方成正比，当系统电压水平降低很多时，无功补偿量下降很多，而风力发电场对电网的无功需求反而上升，进一步恶化电压水平，严重时会造成电压崩溃，风力发电和光伏发电机组被迫停机。（2）变速恒频风力发电机组虽然可采用电力电子技术来控制无功功率，但其定子侧无功功率只能在一定范围内进行调节，受风力发电机组转子转速和转子侧有功功率变化情况的影响。（3）在故障和操作后未发生失稳的情况下，部分风力发电和光伏发电机组由于自身的保护而停机，风力发电和光伏发电有功输出相应减少。（4）故障切除不及时，会发生暂态电压失稳。（5）风力发电和光伏发电出力过高有可能降低电网的电压稳定裕度，容易导致电压崩溃。（6）风速和光照的波动性和随机性引起风力发电和光伏发电出力多变，导致其接入系统的电压稳定裕度难以预测。综上，并网型风力发电和光伏发电对电网稳定性的一个主要威胁是风速波动性和随机性引起风力发电场出力变化过频，以及光照强度随日照、天气、季节、温度等自然因素变化引起的光伏发电输出功率不稳定。进而导致风力发电和光伏发电接入系统后电压稳定裕度多变且难以预测。由于已有的方法大都采用确定性的分析方法，因此无法考虑风力和光伏发电量的波动性和随机性。本文将在第三章讨论风力发电和光伏发电并网对配电网电压分布的影响。2.3.4准入功率计算问题确定一个给定电网最大能够承受的风力发电和光伏发电注入功率成为风力发电场和光伏发电系统规划设计阶段迫切需要解决的问题。国内外的学者和工程技术人员通常采用风力发电穿透功率极限或风力发电场短路容量比来表征电力系统中风力发电规模的大小，以此作为计算分析和进行评价的依据。风力发电穿透功率极限是指在满足一定技术指标的前提下接入系统的最大风力发电场装机容量与系统最大负荷的百分比。风力发电场短路容量比则定义为风力发电场额定容量与其电力系统连接点的短路容量之比。风力发电和光伏发电的最大接入容量的确定受到诸多因素的制约，要确定风力发电和光伏发电的合理的建设规模和最大容量，应该采用系统的、结合具体系统实际的计算分析方法，其数值的大小不仅取决于风力发电和光伏发电的运行特性和系统中其它发电设备的调节能力，还与风力发电和光伏发电接入的系统的网络结构等诸多因素密切相关。2.3.5电网效应问题风力发电和光伏发电的接入可能使配网的某些设备闲置或成为备用。如：当风力发电和光伏发电运行时，与配电系统相连的配电变压器和电缆线路常常因负荷小而轻载，导致配电系统部分设备成为相应的风力发电和光伏发电的备用设备，从而使配电网的成本增加，供电局的效益下降。另外还可能使配电系统负荷预测更加困难。风力发电和光伏发电影响系统的潮流分布，因为电网的损耗主要取决于系统的潮流，因此风力发电和光伏发电的接入必然影响电网的损耗。风力发电和光伏发电可能增大也可能减小系统网损，取决于风力发电和光伏发电的位置、容量与负荷量的相对大小以及网络的拓扑结构等因素。文献[42]提出的两种网损分配方案：临界损耗系数法和直接损耗系数法，弥补了传统置换法的不足。对于风力发电和光伏发电等分布式电源在MV级电网资源优化配置，文献[43]采用遗传算法分别解决了系统网损最小、电网改造升级投资最少和发电机耗费最省的问题。2.3.6配电网故障问题风力发电和光伏发电并网对线路保护灵敏度和保护范围的影响如果一个风力发电和光伏发电接在距线路末端x处，当线路末端发生短路故障后，它将向故障点送出短路电流，减小了线路保护K检测到的故障电流值Ik，从而降低了保护K的灵敏度。如图2.3所示。图2.3本线故障时风力发电和光伏发电对保护的影响其中，Zs为电网的阻抗（pu）Zl为线路阻抗，（pu）Zd为变压器阻抗（pu）。假设Zd=αZs，Zl=βZs，速断保护整定值Iset1按线路末端F点两相短路整定，可靠系数取Kk，过流保护整定值Iset2按最大负荷电流整定，此处假定为1/2速断整定值。在x取不同值时，线路末端发生两相短路故障时，计算保护K检测到的故障电流值Ik。计算结果显示当风力发电和光伏发电接入配电线路后，使得整条线路的灵敏度降低。尤其在线路的某些位置，速断保护根本无法启动，形成速断保护死区，使线路故障不能及时切除。若风力发电和光伏发电并网点位于速断保护死区，在不改变保护系统的情况下，只能由后备过流保护动作切除故障，增加了故障对电网的影响。若调减速断保护整定值，则可能造成速断、过流保护和其他风力发电和光伏发电在相邻线路故障时引起所在线路保护误动作图2.4数值同上，若相邻线路在距离母线x′处发生三相短路故障时，计′算保护K检测到的故障电流值Ik。假设两条线路具有相同的长度和单位阻抗，风力发电和光伏发电接在距离线路末端1/4处。分析保护K检测到的故障电流曲线，发现如果故障发生在距离母线较近的部分，由于风力发电和光伏发电的作用，保护K检测到的故障电流值将大于其整定值，而引起误动作，使风力发电和光伏发电所接线路发生无故障跳闸。图2-4相邻线路故障时，风力发电和光伏发电对保护的影响风力发电和光伏发电对重合闸的影响自动重合闸是将因故障跳开后的断路器按需要自动投入的一种自动装置。电力系统运行经验表明，配电网的故障80%～90%的部分是瞬时性的。因此，在由继电保护动作切除故障之后，电弧将自动熄灭，短路处的绝缘大多可以自动恢复。在辐射式配电网结构下，重合闸在迅速恢复瞬时性故障线路供电时，不会对配电系统产生任何冲击和破坏。但当风力发电和光伏发电接入配电网，如果线路因故障跳闸，所形成的孤岛保持功率和电压在额定值附近运行，风力发电和光伏发电极有可能在重合闸动作时没有跳离线路，这将产生两种潜在的威胁：非同期重合闸和故障点电弧重燃。3.风力发电和光伏发电并网基本模型和可靠性技术研究3.1概述风力发电和光伏发电都受自然条件、天气限制，带有一定的局限性，但它们之间存在一定的互补性。例如，中国西部地区气候特点经常是白天风力小、夜间风力大，而白天只要天气晴好，光伏系统就能正常发电运行，夜间光伏系统停止发电，因此发电正好构成一定的互补关系。另一方面，风力由于其能量密度相对较高，现风力发电机组容量已达兆瓦级。风力发电单位装机容量的建设成本比光伏发电要低很多，但其发电运行稳定性比光伏发电要差。对于比较重要的或供电稳定性要求较高的负载，需要考虑采用由包括微型燃气轮机、内燃机、太阳能电池、风力发电机等组成的混合供电系统，或者并网运行。为了分析研究风力发电和光伏发电并网对电力系统的影响，需要建立合理的数学模型。风力发电是一个包含多个学科的复杂系统：桨叶的制造基于空气动力学；传动系统和塔架的建设涉及到机械理论和结构学；发电机实现机电能量的转换；控制和保护系统则广泛涉及控制原理与电气相关方面知识。建立数学模型时，除了针对单台风力发电机组建立各环节模型，还应根据研究问题的需要建立风速模型和风能分布模型。影响光伏发电功率输出的因素包括：电池元件的模型、功率转化率以及元件的温度等。3.2风力发电系统的基本模型3.2.1并网型风力发电机组发电原理典型的并网型风力发电机组主要包括起支撑作用的塔架、风能的吸收和转换装置——风轮机（叶片、轮毂及其控制器），起连接作用的传动机构——传动轴、齿轮箱、轮毂，能量转换装置——发电机，以及其他风机运行控制系统——偏航系统和制动系统等。风力发电流程是：自然风吹转叶轮，带动轮毂转动，将风能转变为机械能，然后通过传动结构将机械能送至发电机转子，带动转子旋转发电，实现由机械能向电能的转换，最后风力发电场将电能通过区域变电站注入电网。其能量转换过程是：风能—>机械能—>电能。3.2.2并网型风力发电机组分类就目前应用范围来讲，风力发电机组一般按调节方式和运行方式可以分恒速恒频、变速恒频两种类型。恒速恒频风力发电机组在额定转速附近运行，滑差变化范围很小，发电机输出频率变化也很小，所以称为恒速恒频风力发电机组。恒速恒频风力发电系统的基本结构如图3.1所示，自然风吹动风力机，经齿轮箱升速后驱动异步发电机将风能转化为电能。目前国内外普遍使用的是水平轴、上风向、定桨距（或变桨距）风力机，其有效风速范围约为3~30m/s，额定风速一般设计为8~15m/s，风力机的额定转速大约为20~30转/分钟。恒速恒频风力发电机组在运行中会从电网中吸收无功电流建立磁场，导致电网功率因数变差，因此，一般在风机出口处装设可投切的并联电容器组提供非连续可变的无功补偿，采用可控硅软并网技术将起动电流限制在额定电流的1.5～2倍之内以防止并网失败。图3.1恒速恒频风力发电机统图3.2为风轮机直接驱动同步发电机构成的变速恒频风力发电机组。在这种结构中，风轮机直接跟发电机相连，不需要齿轮箱，发电机输出电压的频率随转速变化，若通过交－直－交或者交－交变频器与电网相联，在电网侧得到频率恒定的电压。若变频器采用具有自换相能力的电压源换流器或轻型直流输电系统（HVDCLight）与电网相连，还可实现有功和无功功率的综合控制，进一步改善风力发电系统的运行性能图3.2风轮机直接驱动同步发电机系统图3.3为双馈感应风力发电机组原理图。双馈感应风力发电机组的基本结构包括绕线式异步发电机、变频器和控制环节，其定子绕组直接接入电网，转子采用三相对称绕组，经背靠背的双向电压源变频器与电网相连，给发电机提供交流励磁，励磁频率即为发电机的转差频率。双馈感应风力发电机组的特点在于可以最大限度的利用风能或者改善电网功率因数。双馈电机的控制方式有两种：（1）速度控制方式：在电机输出有功功率和无功功率可变的情况下，以电机转速为控制对象调节转子励磁电压的幅值和相位使电机转速等于给定值，该方式可以最大限度的利用风能；（2）功率控制方式：在电机转速可变的情况下，以电机输出的有功功率和无功功率为控制对象，调节转子励磁电压的幅值和相位使得电机的输出有功和无功功率符合一定要求，该方式以改善电网功率因数和稳定电网电压为目的。变速恒频风力发电机组实现了发电机转速与电网频率的解耦，降低了风力发电与电网之间的相互影响，但是它结构复杂、成本高、技术难度大。随着电力电子技术的发展，变速恒频风力发电技术也将进一步成熟。目前，风力发电系统升压变压器并联于线路系统中。图3.3双馈感应风力发电机组原理图风速变化时，系统的工作情况如下：当风速降低（增高）时，风力机转速降低（增高），异步发电机转子转速也降低（增高），转子绕组电流产生的旋转磁场转速降低（高）于异步电机的同步转速，定子绕组感应电动势的频率f将低（高）于f1，此时测量装置将转速降低(增高)的信息反馈到控制转子电流频率的电路，使转子电流的频率增高（降低），即转子旋转磁场的转速又回升（降低）到同步转速，这样定子绕组感应电势的频率又恢复到额定频率f1。风力发电机的无功功率通常设定为端电压恒定的控制方式，是靠控制发电机转子电流的大小来实现的，控制过程与频率控制相似。双馈感应发电机，不仅改善了风力发电机组的运行性能，而且大大降低了变频器的容量，将会成为今后大型风力发电设备的主要选择。3.2.3风速的数学模型由于风力发电机组出力的随机性是由风速引起的，因此，掌握和了解风速的变化规律，对于分析风力发电机组的运行和发电情况十分关键。对风速的大量实测数据表明，特别大的飓风发生概率非常小，一年当中的大部分时间中风速都是比较平缓的，风速在0～25m/s之间发生的概率很高。研究表明，绝大多数地区的年平均风速都可以采用威布尔分布函数来表示。k−1k⎛v⎞ϕ(v)=⎜⎟c⎝c⎠⎡⎛v⎞k⎤exp⎢⎜⎟⎥⎢⎝c⎠⎥⎣⎦（3-1）其中v是平均风速，c是尺度系数，它反映的是该地区平均风速的大小；另一个形状系数k，它能够反映风速分布的特点，对应着威布尔分布密度函数的形状，取值范围一般在1.8到2.3之间。不同地区有不同的平均值和形状系数。如果威布尔分布的形状系数k=2，则又称为Rayleigh分布，很多地区的风速分布都可以采用Rayleigh分布来近似表示。在有些研究中为了考察暂态过程中风速的变化情况，也可将风速分解，采用四分量模型，即：基本风、阵风、渐变风和随机风。3.3光伏发电系统的基本模型光伏发电是指利用光伏电池板将太阳光辐射能量转换为电能的直接发电方式，光伏发电系统是由光伏电池板、控制器、电能存储和变换等环节构成的发电与电能变换系统。光伏电池板产生的电能经过电缆、控制器、储能等环节予以储存和转换，转换为负载所能使用的电能。采用光伏电池发电具有不消耗燃料、不受地域限制、规模灵活、无污染、安全、可靠、维护简单等优点。光伏并网发电系统是指将光伏阵列输出的直流电转化为与电网电压同幅值、同频、同相的交流电，并实现与电网连接的系统。图3.4并网光伏发电系统示意图图3.4并网光伏发电系统的组成结构，系统由光伏电池模拟器、MPPT充电控制器、超级电容、蓄电池组、正弦波逆变器和系统监控部分等组成，其工作原理是：光伏阵列首先将接收来的太阳辐射能量直接转换成电能供给负载，并将多余能量经过充电控制器后以化学能的形式储存在蓄电池中，在日照不足时，储存在蓄电池中的能量经过全桥逆变器后变成SPWM波，然后再经过滤波和工频变压器升压后变成交流220V/50Hz的正弦电压供给交流负载使用，此时，逆变器工作在有源逆变状态，为电压控制型电流源逆变器，相当于一个受控电流源。由上述可知，整个系统的电能变换装置包括光伏电池模拟器、具有MPPT功能的充电器、超级电容适配器和电流型逆变器，是电力电子技术在光伏发电的重要应用。本文的光伏发电的输出功率由下列公式给出：P=ηmodAItiltηwrηpcηmod=fm[1−β(Tcell−28)]ηsdTcell=0.032Itilt+TenItilt=IhorizontalR其中，P为输出功率，ηmod为该小时环境温度下的模块效率，A为光照总表面积，η为配线效率系，ηpc为功率调节系统的效率，Itilt为倾斜面的光照，Ihorizontal为水平面的光照，R为Ihorizontal到Itilt的折算系数，ηsd为模块的标准效率，fm为匹配系数，β为效率改变的温度系数，Tcell为光伏电池的温度，Ten为环境温度。这些公式是基于固定的倾斜平面。如果计算一年总的最大输出功率，倾斜角即为所在位置的纬度实际光伏发电的输出和风力发电类似，随着天气而变化。图3.5的输出情况是根据光伏电池的现场测试结果。平均的白天输出的小时数是基于时间轴的，分为晴天，阴天，雨天三种情况。在实际的模拟计算中可以近似为在平均输出的正态分布的基础上加入一个随机的扰动图3-5不同天气条件下光伏发电的输出功率3.4可靠性评估指标发电可靠性评估指标主要是用来反映负荷是否得到充分的电力供应。目前认较好的指标是电力不足期望值（LOLE），系统承载负荷的能力（PLCC），电力不足期望（EENS）和失负荷持续时间（DLOL）。本文也采用了这些指标。1）缺电时间期望（LOLE）（天/年），定义为给定时间区间内系统不能满足负荷需求的小时数或天数的期望值。LOLE=∑PTii∈S式中：Pi为系统处于状态i的概率，S为给定时间区间内系统不能满足负荷需求的系统状态全集，T为给定的时间区间的小时数或天数。2）系统承载负荷的能力（PLCC），若系统的LOLE给定，相对应的最大负荷则定义为系统承载负荷的能力（PLCC）一定容量的发电机组加入系统后，，PLCC将会有一定程度的提高。3）电力不足期望（EENS）（kWh/年），定义为系统在给定时间段内因发电容量短缺，设备随机停运或电网约束造成负荷损失的期望值。EENS=∑CiPii∈S式中，Pi为系统处于状态i的概率，Ci为状态i下的负荷损失，S为给定时间段内造成系统负荷损失的状态全集。4）失负荷持续时间（DLOL）（小时/次），定义为在给定时间段内，用户每次停电的平均持续时间。5）发电容量可信度，又称为有效容量，是电源可被信用的容量，它可以通过对比不同性质的电源对供电可靠性的影响来评估[52]。当系统的可靠性指标给定时，将风力发电机组和光伏发电机组与常规机组在承载负荷能力方面的比例关系作为衡量发电容量可信度的指标，定义如下：式中PLCCorig，PLCCwind，PLCCconv分别为系统初始，加入一定容量的风力发电，加入一定容量的常规发电机组的系统承载负荷能力。3.5评估指标可靠性计算发电系统是整个电力系统的一个组成部分，其可靠性分析模型，一般只包括发电设备和负荷模型。此时，系统其他部分（输电、配电网络）在分析中均假定可完全满足将全部发电出力传输和分配到预定的地点，而不致出现输电瓶颈、过负荷和电压偏移问题。因此在任何时刻衡量系统正常运行的判据，只是系统可用发电容量的充裕性，即只要有充分的发电容量满足负荷的需要，则认为系统正常，否则即为系统故障。图3.6清晰地给出了本文的研究范围图3.6系统简化模型由于系统可用发电容量是否充分是相对于负荷而言的，因此，各种估计发电系统可靠性的方法都需要建立两种数学模型：（1）根据发电设备的随机停运容量而形成系统状态空间模型，通常称为容量模型。（2）负荷变化的模型。将这两种模型结合起来即可得到表明发电系统充分性的系统综合模型，根据综合模型即可求得发电系统可靠性指标。图3.7给出了上面所描述的数学思想。图3.7发电系统可靠性评估模型3.5.1负荷建模目前应用的用以计算可靠性指标的三种负荷模型都是以日最大负荷持续一整天作为基础的。（1）累计负荷概率分布。根据系统日最大负荷运行记录绘制出来的一周、一月、一季或一年最大负荷持续曲线。（2）确切负荷概率分布。在所研究的周期内按日最大负荷的大小顺序，列出其出现的概率（近似为频数）。（3）确切负荷模型。在所研究的周期内按时间的顺序列出日最大负荷。负荷周期的选择，应根据系统实际情况和计算要求来确定，可以是一周、10天、一月或一年（365天）。本文选择的是一年。对过去几年的用电负荷的大量数据进行概率统计，回归分析，得到一年中每一小时的用电负荷。模拟模型假设负荷每小时的变化是离散的，而且这个离散的值持续一个小时。3.5.2发电机组建模电系统由很多发电设备组成。发电设备的数学模型将是建立发电系统容量模型的基础。一个发电机组的运行状态可以用两状态模型来表示，这是一个简化的模型，根据设备运行的实际情况，还可能有另外的状态，比如必须停运状态。假设发电机组存在两个状态：（1）全负荷运行。在全负荷的运行时，发电机组提供最大的出力输送给系统。（2）停机检修。发电机组不提供任何的电量给系统。发电机组总是处在这两个状态中的一个，而且在两个状态之间来回的跳转，可以用时间离散的马尔科夫过程来模拟这个连续的电力系统运行过程图3.8两状态模型其中，λ为期望故障率，μ为期望修复率，m为平均无故障工作时间=MTTF=1/λ，r为平均维修时间=MTTR=1/μ，m+r为平均故障间隔时间=MTTR=1/f，f为循环频率=1/T，T=循环时间。发电机组或系统在t时刻处于某一种容量状态的概率叫做容量状态概率模型。它的概率分布是离散型的。在实际应用中，容量概率模型有两种表达形式：一种是可用或有效容量概率模型；另一种是停运容量概率模型。例如，一台发电机组其容量为cMW，在双态模型下（将所有机组均假设为双态）可用容量概率模型：Pup＝P（X=c），Pdown＝P（X＝0）；停运容量概率模型：Pup＝P（X=0），Pdown＝P＝c）。3.5.3风力发电和光伏发电模型修正将整个发电系统分为三类，包括传统发电，风力发电和光伏发电，本文为每种发电系统的停运模型设计了递归算法。设Ci为矢量C的第i个元素，含义为C中一个可能的容量状态。i=P(C≥Ci)P是矢量P的第i个元素，m为发电机组总的状态数。发电机组的概率模型由以下矢量表示：CC，PC，CPV，PPV和CWIND，PWIND，其中CC为常规发电子系统的容量矢量，PC是常规发电子系统的概率矢量，CWIND是风力发电子系统的容量矢量，PWIND是风力发电子系统的概率矢量，CPV是光伏发电子系统的容量矢量，PPV是光伏发电子系统的概率矢量。POWINDk为风力发电子系统在第k个小时的出力，POPVk为光伏发电子系统在第k个小时的出力。通过建立两个m维的矢量MPVk和MWINDk，对光伏发电和风力发电系统的概率模型进行修正。其中，MWINDk,i是MWINDk的第i个元素，CWINDi是CWIND的第i个元素，PRWIND是C风力发电子系统的额定功率。MPVk,i是MPVk的第i个元素，PVi是CPV的第i个元素，PRPV是光伏发电子系统的额定功率。3.6风力发电和光伏发电并网节约的燃煤量总的光伏发电和风力发电的出力由修正的光伏发电和风力发电容量模型计算。节约的燃煤为：其中，Cs为节约的燃煤，nhs为总的小时数，Xpv为由光伏发电机组替代的容量，Yi,pv为第i个小时光伏发电机组额定发电容量的百分比，Xwind为由风力发电机组替代的容量，Yi,wind为第i个小时风力发电机组额定发电容量的百分比，η为常规能源机组的效率。LCV为常规机组燃煤的低位热值（KJ/Kg）。3.7本章小结在对以上环节进行分析建模的基础上，本章提出了含风力发电和光伏发电的电力系统发电容量模型和算法。阐述了包含风力模型、风机模型和风力发电场模型的风能生产模型，考虑了不同风力发电场之间的内在关联特性是该模型的一个特色。利用供电可靠性指标，提出了发电容量可信度的计算方法。提出了基于蒙特卡罗仿真的风力发电发电容量可信度的评估方法。本文设计了包含风力发电和光伏发电的可靠性评估方法和燃煤节约状况的计算方法，并计算了接入储能装置对于可靠性指标产生的影响。通过不同天气情况的对比得出以下结论：（1）无论是从系统的可靠性还是综合考虑燃煤的节约情况，同时接入风力发电机组和光伏发电机组优于单独接入其中一种机组；随着并网机组容量的增加，LOLE也显著增加，可再生能源发电的不稳定性需要得到弥补，如接入电能储存系统。总之，通过本文提出的方法，可以有效得评估可再生能源并网对系统可靠性的影响，得出的结论可作为国家在考虑大力发展可再生能源时的有效参考。4风力发电和光伏发电并网对电网电压分布的技术研究4.1风力发电和光伏发电机组位置在馈线以外对电压水平的影响风力发电和光伏发电在配电网络中有不同的放置地点，相应地对原有配电网络的影响也不同首先讨论风力发电和光伏发电放置在不同的设备处对电压的影响。4.1.1风力发电和光伏发电放置在配电所当风力发电和光伏发电接入配电所有载调压变压器和母线之间，根据线路压降补偿器LDC的调压原理，有载调压变压器LTC根据从变压器副边检测到的电流、电压相应地调整分接头。负荷越高，分接头调得越高，以补偿更大的线路压降，使用户侧电压分布满足要求。当风力发电和光伏发电注入的功率占母线负荷的百分比达到15％～20％时，将会发生如图4.1所示的电压越限的情况。由于风力发电和光伏发电的注入功率使得从主变压器引入的功率减少，而分接头是根据不考虑风力发电和光伏发电功率引入情况下确定的调压策略调整，分接头向上调整不够，使降压变压器的副边电压过低，继而用户侧的电压水平越限。图4.1在配电所接入的风力发电和光伏发电时电压的变化4.1.2风力发电和光伏发电机组接入馈线末端图4.2在馈线末端接入风力发电和光伏发电机组时电压的变化当有功注入处于电压调整区域[59]的线路的末端，线路的电压水平会升高，如图4.2所示。随着有功注入的增大，电压水平将上升，并且很可能电压越限。4.1.3风力发电和光伏发电机组接入线路调压器的副端图4.3风力发电和光伏发电接入线路调压器VR的负荷端时电压的变化由于风力发电和光伏发电注入功率的影响，线路调压器VR（VoltageRegulator）不能检测到实际负荷的大小，所以VR的调压不足，致使用户电压水平不能满足要求。从图4.3很明显地看到了这个现象。这种情况同风力发电和光伏发电接入到有LDC补偿的变压器副端的情况非常地类似。4.1.4风力发电和光伏发电接入用户侧由于在用户侧，功率需求比较小，一个很小的发电机10kW都可能引起较大的压变化，而且功率很可能反向注入电网。在一个配电变压器的副边，往往连有多个用户。这意味着一个用户的光伏发电或者风力发电将影响其他的用户的电压水平。从实际的角度分析，这种情况在技术上不涉及很多的调压措施，最现实的方法是合理地限制各个用户家中的光伏发电对于电网的注入功率。但是现在配电网并不允许用户的反向送电，用户送电的定价在现阶段配电方还没有市场化的情况下也将是一个问题。4.2风力发电和光伏发电机组位于馈线上对电压水平的影响当将风力发电和光伏发电接在馈线末端和变压器之间时，风力发电和光伏发电的接入位置不同，相应地对原有网络的影响也不同。在考虑准入容量的前提下，我们通过以下算例来分析。4.2.1基本试验本文共进行3次试验：（1）风力发电和光伏发电有功注入10MW到节点50中Tap=1.11，用潮流程序计算电压分布；（2）风力发电和光伏发电有功注入43MW到节点50中，Tap=1.11，用潮流程序计算电压分布；（3）风力发电和光伏发电无功注入10MVar到节点50中，Tap=1.11，用潮流程序计算电压分布。图4.410MW接入节点50，分接头位于1.11时的电压分布图4.5MW接入节点50，分接头位于1.11时的电压分布图4.6MW10MVar接入节点50，分接头位于1.11时的电压分布比较图4.4、图4.5和图4.6，在风力发电和光伏发电注入有功功率10MW后，馈线一的电压水平上升，母线的电压稍稍上升。在风力发电和光伏发电注入有功功率43MW后，馈线一的电压水平上升，接近上限。反映出，适当的风力发电和光伏发电能够对馈线的电压起支持作用，能够帮助实现电压调整。在不改变风力发电和光伏发电接入位置的情况下，电压支撑由风力发电和光伏发电的总出力决定。总出力越多，与负荷的比值越高，电压支撑就越大，整体电压水平就越高。从图4.6看出，无功注入功率对电压分布的影响比相近的有功注入的影响要大得多。这个结论可以通过ΔU≈(PR+QX)/Uj来解释，线路的R/X≈1/2，而且主变压器的电阻被忽略，电抗为j0.25。所以无功功率对于线路压降，特别是主变压器的压降有重大的影响。但必须注意风力发电和光伏发电的总出力是不可以无限制增加的，其增加必然导致节点电压的增大，继续的话必然越限。风力发电和光伏发电的总出力也不是就尽量少，我们的目的就是尽量增加风力发电和光伏发电的发电容量。4.2.2风力发电和光伏发电机组位置变化试验通过算例可知风力发电和光伏发电接入的位置对于配电网的电压分布有很大的影响。表4.1为风力发电和光伏发电的功率因数为0.8时，不考虑风力发电和光伏发电解列，不考虑线路容量约束，考虑有载调压变压器分接头调整以后的准入功率随着风力发电和光伏发电接入点与主母线之间的距离变化的一个计算结果。表4.1风力发电和光伏发电在不同节点时达到电压上限1.05[p.u.]时的输出功率，PF=0.8表4-1为了说明数据的有效性，有必要取馈线节点10、20比较其电压分布图。由图4.7可以看出，风力发电和光伏发电越接近母线，对线路电压分布的影响越小。也就是说风力发电和光伏发电越接近母线也就是离变电站的距离越近，风力发电和光伏发电允许注入馈线的功率就越大。从而验证了风力发电和光伏发电放置的位置，对于配电网的电压分布产生的影响。图4.7风力发电和光伏发电接入节点10,204.3本章小结在大量的风力发电和光伏发电并网后，电力网络由一个放射状的网络变为一个电源和用户互联的有源网络，必然会引起馈线中传输有功无功数量和方向发生变化，进而影响稳态电压分布。本章就如何评估风力发电和光伏发电在不同位置并网对系统电压分布造成的影响展开全面的讨论。分析了风力发电和光伏发电机组位置在馈线以外各种情况对电压水平的影响，重点研究了风力发电和光伏发电机组位于馈线上的不同节点对电压水平的影响。本章通过112节点系统算例进行了多次不同的试验，且都用潮流程序计算出电压分布。通过该112节点系统本章还进行了风力发电和光伏发电机组位置变化试验，实验结果表明风力发电和光伏发电放置的位置，对于配电网电压分布有很大的影响。该研究结果可以为风力发电和光伏发电并网后的运行规划提供一定的指导，并为风力发电和光伏发电准入功率的计算奠定了基础。5.风力发电和光伏发电准入功率计算技术研究5.1准入功率的计算方法准入功率是指允许的风力发电和光伏发电注入电网的功率量，前提是必须保证风力发电和光伏发电接入系统以后，系统仍然能安全、经济、稳定地运行。准入功率和很多的运行参数有关，如短路保护，稳定，可靠性等等。把全部因素综合起来考虑准入功率，是一个不现实的方法，其得出的结果也不会具有普遍性。风力发电和光伏发电机组是一类特殊的发电设备，从环境保护和可再生能源利用的角度考虑，希望尽可能扩大风力发电和光伏发电的规模，而其本身的特点使得它的并网运行对电网的安全稳定会构成一定的威胁。随着风力发电和光伏发电装机容量的增加，风力发电和光伏发电对系统的影响就会越来越显著，不仅影响了系统的安全稳定运行，还会带来一定的经济损失。因此，无论在风力发电场和光伏发电系统在规划设计阶段还是在电力系统的实际运行中，确定一个给定电网最大能够承受的风力发电和光伏发电注入功率都是一个迫切需要解决的问题。计算准入功率有比较多的方法，常见的有试探法、解析法和数学优化法。提出了考虑电力系统暂态稳定分析的风力发电场准入功率计算，其计算方法是优化法，指出影响电力系统风力发电并网容量的主要因素是频率波动。考虑的是电力系统静态安全约束前提下求解风力发电准入功率，提出了一种基于内点法求解该问题的新方法，可见其计算方法也是优化法。在计算准入功率容量时考虑的因素比较多，有电压分布，线路容量和短路电流等，采用的计算方法有试探法等。揭示了利用LCT以及LDC来调节电压的传统方法和风力发电和光伏发电的输出功率之间的相互关系，也提出了在配电网电压调整约束下确定风力发电和光伏发电准入功率的一种解析计算方法。考虑风力发电和光伏发电解列是也是计算其准入功率的一个很重要的因素，认为分布式电源事故解列是影响准入功率的最大原因。通过数字仿真的方法来计算风力发电场最大接入容量。中国电力科学院戴慧珠教授将风力发电最大接入容量问题转化为在一定的安全约束条件下的优化问题，其数学求解方法包括线性规5.1.1试探法试探法，即给定一个风力发电和光伏发电的位置和容量，计算在各种负荷水平下电压分布和系统短路电流，如果电压分布和短路电流水平满足安全运行的要求，再增加风力发电和光伏发电的容量，重复上述计算，直到风力发电和光伏发电容量不能再增加为止。试探法对于一个完全被动的配电系统，即完全采用传统的调压手段进行调压的配电系统比较有效且方便。该方法的缺点是不灵活，很难考虑电压调整措施，比如分接头调整、无功补偿设备调整等对电压调整的影响，更改任何参数都需要对准入功率进行重新的验算。试探法给出的最大准入功率很可能不是实际的最大值，只是其目前试探样本中的一个最大值，而且试探法并不能给出一个最优的电压调整方案。但是，试探法是比较电压调整措施优劣的一个简单实用的方法。试探法可认为是优化算法的特例。5.1.2解析计算方法建立风力发电和光伏发电注入功率对电压调整的影响的数学模型，考虑电压调整约束，求解准入功率。解析算法实质上是优化方法的特例，其特点是采用了若干较强的假设，因而应用范围受到限制。考虑有载调压变压器配合LDC控制的解析算法。但是，对于我国配电网络的实际，无LDC控制的解析算法更符合实际，数学模型也会更加简单。解析法为了计算风力发电和光伏发电的准入功率，建立解析方程，来计算满足方程的风力发电和光伏发电的准入功率。文献[66]采用解析的算法，建立各种设备的模型和运行