智能電網關鍵技術與探討畢業(yè)設計

1、<p><b>　　畢業(yè)設計論文</b></p><p>　　課題 智能電網關鍵技術與探討 </p><p>　　專 業(yè)： 發(fā)電廠及電力系統(tǒng) </p><p>　　學員姓名: </p><p>　　指導教師：

2、 </p><p>　　設計時間： </p><p>　　答辯教師： </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　風力發(fā)電和光伏發(fā)電是一類特殊的電力，具有許多不同于常規(guī)能源發(fā)電

3、的特點，由于其并入電網的電能呈波動性，大規(guī)模的風電和光電并網對電網的安全穩(wěn)定、運行調度等諸多方面都會有一定影響。</p><p>　　本文設計了含風力發(fā)電和光伏發(fā)電的電力系統(tǒng)發(fā)電容量模型和算法，進行了基于蒙特卡羅仿真的風力發(fā)電的發(fā)電容量可信度評估，計算了接入風力發(fā)電機組和光伏發(fā)電機組后電網的可靠性指標和節(jié)約的燃煤量。</p><p>　　本文設計了計算準入功率的優(yōu)化算法，并運用試探法計算了

4、風力發(fā)電和光伏發(fā)電的最大準入功率。本文還討論了風力發(fā)電和光伏發(fā)電機組在不同位置接入智能電網對電壓水平的影響，重點研究了當風力發(fā)電和光伏發(fā)電機組位于饋線上時，其對電壓水平的影響。</p><p>　　關鍵詞：電力系統(tǒng)、風力發(fā)電、光伏發(fā)電、并網運行、可靠性。</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　緒論：&l

5、t;/b></p><p><b>　　課題背景正式提出</b></p><p><b>　　智能電網的概念</b></p><p><b>　　智能電網的發(fā)展現(xiàn)狀</b></p><p><b>　　國外研究現(xiàn)狀</b></p>&l

6、t;p><b>　　國內研究進展</b></p><p>　　并網型風力和光伏發(fā)電發(fā)展狀況</p><p><b>　　并網型風力發(fā)電</b></p><p>　　并網型風力發(fā)電的特點</p><p>　　并網型風力發(fā)電的發(fā)展和現(xiàn)狀</p><p><b>　

7、　并網型光伏發(fā)電</b></p><p><b>　　并網型光伏發(fā)電特點</b></p><p>　　并網型光伏發(fā)電的發(fā)展和現(xiàn)狀</p><p>　　風力發(fā)電和光伏發(fā)電并網主要問題和研究現(xiàn)狀</p><p>　　風力發(fā)電和光伏發(fā)電并網對電能質量影響</p><p><b>　

8、　孤島效應問題</b></p><p><b>　　可靠性問題</b></p><p><b>　　準入功率的計算問題</b></p><p><b>　　電網效益問題</b></p><p><b>　　配電網故障問題</b></p&g

9、t;<p>　　風力發(fā)電和光伏發(fā)電并網基本模型和可靠性技術研究</p><p><b>　　概述</b></p><p>　　風力發(fā)電系統(tǒng)的基本模型</p><p>　　并網型風力發(fā)電機組發(fā)電原理</p><p>　　并網型風力發(fā)電機組分類</p><p><b>　　風速

10、數(shù)學模型</b></p><p>　　3.3 光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本模型</p><p>　　3.4 可靠性評估指標</p><p>　　3.5 評估指標計算</p><p>　　3.5.1 負荷建模</p><p>　　3.5.2 發(fā)電機組建模</p><p>　　3.5.3 風力發(fā)電

11、和光伏發(fā)電模型的修正</p><p>　　3.6 風力發(fā)電和光伏發(fā)電并網節(jié)約的燃煤量</p><p><b>　　3.7 本章總結</b></p><p>　　風力發(fā)電和光伏發(fā)電并網對電網電壓分布的技術研究</p><p>　　風力發(fā)電和光伏發(fā)電組位置在饋線以外對電壓水平影響</p><p>　　

12、風力發(fā)電和光伏發(fā)電放置在配電所 </p><p>　　風力發(fā)電和光伏發(fā)電機組接入饋線末端</p><p>　　風力發(fā)電和光伏發(fā)電機組接入線路調壓器的副端</p><p>　　風力發(fā)電和光伏發(fā)電接入用戶側</p><p>　　機組位于饋線上對電壓水平的影響</p><p><b>　　基本試驗</b>

13、;</p><p>　　風力發(fā)電和光伏發(fā)電機組位置變化試驗</p><p><b>　　本章小結</b></p><p>　　風力發(fā)電和光伏發(fā)電準入功率計算技術研究</p><p><b>　　準入功率的計算方法</b></p><p><b>　　試探法</

14、b></p><p><b>　　解析計算法</b></p><p>　　5.2 求解考慮電壓調整約束的準入功率</p><p>　　風力發(fā)電和光伏發(fā)電不主動調壓時準入功率計算</p><p>　　風力發(fā)電和光伏發(fā)電主動調壓時準入功率計算</p><p><b>　　本章小結<

15、;/b></p><p><b>　　智能電網的發(fā)展前景</b></p><p>　　智能電網技術優(yōu)劣勢分析</p><p><b>　　結束語</b></p><p><b>　　參考文獻</b></p><p><b>　　1. 緒

16、論</b></p><p>　　2005年，坎貝爾發(fā)明了一種技術，利用的是（Swarm)群體行為原理，讓大樓里的電器互相協(xié)調，減少大樓在用電高峰期的用電量?？藏悹柊l(fā)明了一種無線控制器，與大樓的各個電器相連，并實現(xiàn)有效控制。比如，一臺空調運轉15分鐘，以把室內溫度維持在24℃；而另外兩臺空調可能會在保證室內溫度的前提下，停運15分鐘。這樣，在不犧牲每個個體的前提下，整個大樓的節(jié)能目標便可以實現(xiàn)。這個技術

17、賦予電器于智能，提高能源的利用效率。 </p><p>　　2006年歐盟理事會的能源綠皮書《歐洲可持續(xù)的、競爭的和安全的電能策略》(A European Strategy forSustainable，Competitive and SecureEnergy)強調智能電網技術是保證歐盟電網電能質量的一個關鍵技術和發(fā)展方向。這時候的智能電網應該是指輸配電過程中的自動化技術?！?</p><p&

18、gt;　　2006年中期，一家名叫“網點“(Grid Point)的公司最近開始出售一種可用于監(jiān)測家用電路耗電量的電子產品，可以通過互聯(lián)網通信技術調整家用電器的用電量。這個電子產品具有了一部分交互能夠，可以看作智能電網中的一個基礎設施。 </p><p>　　2006 年，美國IBM公司曾與全球電力專業(yè)研究機構、電力企業(yè)合作開發(fā)了“智能電網”解決方案。這一方案被形象比喻為電力系統(tǒng)的“中樞神經系統(tǒng)”，電力公司可以通

19、過使用傳感器、計量表、數(shù)字控件和分析工具，自動監(jiān)控電網，優(yōu)化電網性能、防止斷電、更快地恢復供電，消費者對電力使用的管理也可細化到每個聯(lián)網的裝置。這個可以看作智能電網最完整的一個解決方案，標志著智能電網概念的正式誕生。 </p><p>　　2007年10月，華東電網正式啟動了智能電網可行性研究項目，并規(guī)劃了從2008年至 2030年的“三步走”戰(zhàn)略，即：在2010年初步建成電網高級調度中心，2020年全面建成具有

20、初步智能特性的數(shù)字化電網，2030年真正建成具有自愈能力的智能電網。該項目的啟動標志著中國開始進入智能電網領域。 </p><p>　　2008年美國科羅拉多州的波爾得(Boulder)已經成為了全美第一個智能電網城市，每戶家庭都安裝了智能電表，人們可以很直觀地了解當時的電價，從而把一些事情，比如洗衣服、燙衣服等安排在電價低的時間段。電表還可以幫助人們優(yōu)先使用風電和太陽能等清潔能源。同時，變電站可以收集到每家每戶

21、的用電情況。一旦有問題出現(xiàn)，可以重新配備電力。 </p><p>　　2008年9月 Google與通用電氣聯(lián)合發(fā)表聲明對外宣布，他們正在共同開發(fā)清潔能源業(yè)務，核心是為美國打造國家智能電網。 </p><p>　　2009年1月25日美國白宮最新發(fā)布的《復蘇計劃尺度報告》宣布：將鋪設或更新3000英里輸電線路，并為4000萬美國家庭安裝智能電表——美國行將推動互動電網的整體革命。2月2 日

22、能源問題專家武建東在《全面推動互動電網革命拉動經濟創(chuàng)新轉型》的文章中，明確提出中國電網亟須實施“互動電網”革命性改造。 </p><p>　　2009年2月4日，地中海島國馬耳他在周三公布了和IBM達成的協(xié)議，雙方同意建立一個“智能公用系統(tǒng)”，實現(xiàn)該國電網和供水系統(tǒng)數(shù)字化。IBM及其合作伙伴將會把馬耳他2萬個普通電表替換成互動式電表，這樣馬耳他的電廠就能實時監(jiān)控用電，并制定不同的電價來獎勵節(jié)約用電的用戶。這個工程

23、價值高達9100萬美元（合7000萬歐元），其中包括在滇網中建立一個傳感器網絡。這種傳感器網絡和輸電線、各發(fā)電站以及其他的基礎設施一起提供相關數(shù)據(jù)，讓電廠能更有效地進行電力分配并檢測到潛在問題。 IBM將會提供搜集分析數(shù)據(jù)的軟件，幫助電廠發(fā)現(xiàn)機會，降低成本以及該國碳密集型發(fā)電廠的排放量。 </p><p>　　2009年2月10日，谷歌表示已開始測試名為谷歌電表﹙PowerMeter﹚的用電監(jiān)測軟件。這是一個測試

24、版在線儀表盤，相當于谷歌正在成為信息時代的公用基礎設施。 </p><p>　　2009年2月28日，作為華北公司智能化電網建設的一部分——華北電網穩(wěn)態(tài)、動態(tài)、暫態(tài)三位一體安全防御及全過程發(fā)電控制系統(tǒng)在京通過專家組的驗收。這套系統(tǒng)首次將以往分散的能量管理系統(tǒng)、電網廣域動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、在線穩(wěn)定分析預警系統(tǒng)高度集成，調度人員無需在不同系統(tǒng)和平臺間頻繁切換，便可實現(xiàn)對電網綜合運行情況的全景監(jiān)視并獲取輔助決策支持。此外，該

25、系統(tǒng)通過搭建并網電廠管理考核和輔助服務市場品質分析平臺，能有效提升調度部門對并網電廠管理的標準化和流程化水平。 </p><p>　　美國谷歌2009年3月3日向美國議會進言，要求在建設“智能電網（Smart Grid）”時采用非壟斷性標準。 </p><p>　　2010年1月12日，國家電網公司制定了《關于加快推進堅強智能電網建設的意見》，確定了建設堅強智能電網的基本原則和總體目標。&

26、lt;/p><p><b>　　1.1 課題背景</b></p><p>　　近年來，我國電力行業(yè)緊密跟蹤歐美發(fā)達國家電網智能化的發(fā)展趨勢，著力技術創(chuàng)新，研究與實踐并舉，在智能電網發(fā)展模式、理念和基礎理論、技術體系以及智能設備等方面開展了大量卓有成效的研究和探索。 </p><p>　　2009年5月，在北京召開的“2009特高壓輸電技術國際會議”

27、上，國家電網公司正式發(fā)布了“堅強智能電網”發(fā)展戰(zhàn)略。2009年8月，國家電網公司啟動了智能化規(guī)劃編制、標準體系研究與制定、研究檢測中心建設、重大專項研究和試點工程等一系列工作。 </p><p>　　在2010年3月召開的全國“兩會”上，溫家寶總理在《政府工作報告》中強調：“大力發(fā)展低碳經濟，推廣高效節(jié)能技術，積極發(fā)展新能源和可再生能源，加強智能電網建設”。這標志著智能電網建設已成為國家的基本發(fā)展戰(zhàn)略。</

28、p><p>　　1.2 智能電網的概念</p><p>　　智能電網（smart power grids），智能電網（SmartGrid）是指運用IT技術自動控制電力供求平衡的第二代供電網。主要利用能夠進行雙向通訊的智能電表（SmartMeter），即時掌握家庭太陽能發(fā)電量和電力消費量等信息。電力公司也可以通過智能電表控制空調運轉等實現(xiàn)節(jié)能。加強太陽能和風力等開發(fā)利用以及電力穩(wěn)定供應，必須構建

29、智能電網。</p><p>　　賽迪顧問認為智能電網是以先進的通信技術、傳感器技術、信息技術為基礎、以電網設備間的信息交互為手段、以實現(xiàn)電網安全、可靠、經濟、節(jié)能為目的的先進的現(xiàn)代化電力系統(tǒng)。</p><p>　　通信技術、傳感器技術、信息技術是智能電網建設的基礎。</p><p>　　智能電網是新技術在電網行業(yè)應用的產物，涉及到通信、傳感器、信息等技術，這些技術是

30、智能電網建設的基礎，也是智能電網能夠實現(xiàn)新應用的保證。</p><p>　　智能電網的數(shù)據(jù)獲取、保護和控制都需要通信系統(tǒng)的支持，因此建立通信系統(tǒng)是邁向智能電網的第一步；通過傳感器可以對整個電網系統(tǒng)進行測量并傳輸數(shù)據(jù)，獲取實時數(shù)據(jù)，并提供各種信息交互；信息技術的發(fā)展是智能電網的直接推動力，通過信息技術能夠實現(xiàn)高級應用，并在合適的時機催生出新的應用模式。</p><p>　　設備間的信息交互是

31、實現(xiàn)電網智能化的最重要手段?，F(xiàn)在的電網除了一些二次設備可以實現(xiàn)遠程操作外，其他信息基本上是單向傳輸，而未來智能電網將會形成一種新的通信和交互機制，實現(xiàn)電網設備間的信息交互，以此為依托可以大幅度提高電網的智能性。 </p><p>　　利用智能電網的互動性，能夠實現(xiàn)雙向的傳輸數(shù)據(jù)，實行動態(tài)的浮動電價制度，可以利用傳感器對發(fā)電、輸電、配電、供電等關鍵設備的運行狀況進行實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)整合，遇到電力供應的高峰期之時，能夠

32、在不同區(qū)域間進行及時調度，平衡電力供應缺口，從而達到對整個電力系統(tǒng)運行的優(yōu)化管理。</p><p>　　1.3 智能電網的發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　電網已成為工業(yè)化、信息化社會發(fā)展的基礎和重要組成部分。同時，電網也在不斷吸納工業(yè)化、信息化成果，使各種先進技術在電網中得到集成應用，極大提升了電網系統(tǒng)功能。 </p><p>　?。?）智能電網是電網技術發(fā)展的必然趨

33、勢。近年來，通信、計算機、自動化等技術在電網中得到廣泛深入的應用，并與傳統(tǒng)電力技術有機融合，極大地提升了電網的智能化水平。傳感器技術與信息技術在電網中的應用，為系統(tǒng)狀態(tài)分析和輔助決策提供了技術支持，使電網自愈成為可能。調度技術、自動化技術和柔性輸電技術的成熟發(fā)展，為可再生能源和分布式電源的開發(fā)利用提供了基本保障。通信網絡的完善和用戶信息采集技術的推廣應用，促進了電網與用戶的雙向互動。隨著各種新技術的進一步發(fā)展、應用并與物理電網高度集成，

34、智能電網應運而生。 </p><p>　?。?）發(fā)展智能電網是社會經濟發(fā)展的必然選擇。為實現(xiàn)清潔能源的開發(fā)、輸送和消納，電網必須提高其靈活性和兼容性。為抵御日益頻繁的自然災害和外界干擾，電網必須依靠智能化手段不斷提高其安全防御能力和自愈能力。為降低運營成本，促進節(jié)能減排，電網運行必須更為經濟高效，同時須對用電設備進行智能控制，盡可能減少用電消耗。分布式發(fā)電、儲能技術和電動汽車的快速發(fā)展，改變了傳統(tǒng)的供用電模式，促

35、使電力流、信息流、業(yè)務流不斷融合，以滿足日益多樣化的用戶需求。 </p><p>　　電力技術的發(fā)展，使電網逐漸呈現(xiàn)出諸多新特征，如自愈、兼容、集成、優(yōu)化，而電力市場的變革，又對電網的自動化、信息化水平提出了更高要求，從而使智能電網成為電網發(fā)展的必然趨勢。</p><p>　　1.3.1 國際智能電網發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　世界主要發(fā)達國家均在抓緊智能電網建設

36、工作。美國奧巴馬政府作為一項公共投資投入約40億美元，歐洲主要國家及韓國紛紛著手強化智能電網基礎設施建設。</p><p><b>　?、迕绹?lt;/b></p><p>　　美國已開始向部分家庭安裝帶有通訊功能的智能電表（SmartMeter），目標是以家庭為單位，隨時監(jiān)測電力消費和管理，更加有效地實現(xiàn)輸電和供電。為此，對企業(yè)及地方團體實施的100個項目給予財政援助，計

37、劃2013年前在2600萬個家庭安裝智能電表，相當于09年3倍。</p><p>　　奧巴馬總統(tǒng)強調說，“現(xiàn)在是建設綠色能源高速公路的時代”。新能源產業(yè)有望創(chuàng)造43000個就業(yè)崗位，環(huán)保產業(yè)將成為拉動未來美國經濟的重要支柱之一。</p><p><b>　?、嫒毡?lt;/b></p><p>　　東京電力和関西電力等電力公司開始投資構建第二代智能電

38、網（SmartGrid），目標除在所有家庭安裝智能電表（SmartMeter）外，還計劃加強送變電設施及蓄電裝置建設。2020年前相關電力設施投資預計超過1萬億日元。</p><p>　　智能電表作為第二代智能電網的核心設備，主要測量每個家庭電力消費情況及隨時掌握太陽能發(fā)電量等信息。東京電力2010年起主要面向家庭安裝2千萬部。関西電力2010年3月底前在40萬個家庭安裝，并計劃更換1200萬部。預計2020年前

39、日本智能電表需求量約5千萬部，每部成本近2萬日元，共計約1萬億日元。</p><p>　　日本智能電網與歐美不同，主要特征是積極地利用家庭進行太陽能發(fā)電。太陽能發(fā)電長期目標是2020年發(fā)電2800萬千瓦，相當于現(xiàn)在20倍；2030年發(fā)電5300萬千瓦，相當于現(xiàn)在30倍。為此，需要增設電壓調整裝置和變壓器，預計2030年前追加投資6千億日元。</p><p><b>　?、鐨W洲&l

40、t;/b></p><p>　　英國目標是2020年在全國所有2600萬個家庭安裝智能電表，此項工作主要通過電力公司完成。并且已正式進行了適應風力發(fā)電等可再生能源的智能電表等相關實驗。</p><p>　　法國09年秋天也發(fā)布了將再生能源納入智能電網的計劃，并開始征集相關企業(yè)參與。</p><p>　　德國制定了“E—Energy”計劃，總投資1億4千萬歐元，

41、09年至2012年4年時間內，在全國6個地點進行智能電網實證實驗。</p><p>　　1.3.2 國內發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　隨著我國經濟的快速發(fā)展，對電力的需求日益增強，而國內能源結構不合理、能源分布不均衡嚴重制約電力行業(yè)的發(fā)展。特高壓電網解決了遠距離、大容量輸電問題，在一定程度上解決了能源輸送問題，但“重電源輕電網”導致供電可靠性較低，同時網架結構薄弱則限制了新能源有效利用。為

42、了解決這些問題，國內電網企業(yè)也開始尋求利用信息技術提高電網運營能力，而智能電網則是一個重要的研究方向。</p><p>　　2007年10月，華東電網正式啟動了以提升大電網安全穩(wěn)定運行能力為目的的智能互動電網可行性研究項目。2008年4月，在前期智能電網研究成果的基礎上，華東電網啟動高級調度中心項目群建設，該項目是智能電網建設藍圖“三步走”的第一階段“鞏固提升”的重點內容。</p><p>

43、;　　從2007年華北電網公司開始進行智能電網相關的研究和建設，致力于打造智能調度體系，為智能輸電網奠定基礎；建立企業(yè)級服務總線，搭建智能電網信息架構；超前研發(fā)清潔能源關鍵技術，做好可再生能源并網準備；結合客戶信息采集系統(tǒng)，試點建設智能供電網。2009年華北電網將在前期工作的基礎上，深度體會國網公司建設中國特色智能電網的概念、理論，結合華北特色大力建設智能電網，制定智能電網發(fā)展規(guī)劃和實施方案，繼續(xù)推進智能電網的研究和建設。</p&

44、gt;<p>　　2009年初，國家電網公司啟動了“堅強智能電網體系研究報告”、“堅強智能電網綜合研究報告”和“智能電網關鍵技術研究框架”等重要課題的研究。通過積極探索國內外智能電網技術發(fā)展動態(tài)，分析中國堅強智能電網技術需求，調研中國智能電網建設已有技術基礎，揭示堅強智能電網的內涵與特征，制定了堅強智能電網總目標、技術框架體系與實施計劃等。</p><p>　　2009年5月21日，在北京召開的“2

45、009特高壓輸電技術國際會議”上，國家電網公司正式宣布將建設“堅強的智能電網”，并公布了規(guī)劃試點、全面建設、引領提升三階段的建設方案。隨后國家電網公司將智能電網技術作為2009年科技重點工作領域之一，研究方向的確定和研究框架項目的實施，將會使智能電網脫離概念炒作階段，正式進入規(guī)劃建設階段。</p><p>　　2．并網型風力發(fā)電和光伏發(fā)電發(fā)展狀況</p><p>　　2.1 并網型風力發(fā)電

46、</p><p>　　2.1.1 并網型風力發(fā)電的特點</p><p>　　風力發(fā)電有兩種不同的類型：獨立運行的離網型和接入電力系統(tǒng)的并網型風力發(fā)電。離網型的風力發(fā)電規(guī)模較小，通過蓄電池等儲能裝置或者與其他分布式能源發(fā)電技術相結合，如風力發(fā)電/水電互補系統(tǒng)、風/光互補系統(tǒng)、風力發(fā)電/柴油機組聯(lián)合供電系統(tǒng)，它可以解決無電網的偏遠地區(qū)的供電問題。并網型風力發(fā)電是規(guī)模較大的風力發(fā)電場，容量大約為

47、幾兆瓦到幾百兆瓦，由幾十臺甚至成百上千臺風力發(fā)電機組構成。并網運行的風力發(fā)電場可以得到大電網的補償和支撐有利于更加充分地開發(fā)可利用的風力資源，是國內外風力發(fā)電的主要發(fā)展方向，在日益開放的電力市場環(huán)境下，風力發(fā)電的成本也將不斷降低，如果考慮到環(huán)境效益等因素，則風力發(fā)電在經濟上也具有很大的吸引力。</p><p>　　并網運行的風力發(fā)電的優(yōu)點有：（1）風能資源豐富。據(jù)統(tǒng)計，全球可開發(fā)的風能資源潛力約為目前全球用電量

48、5 倍。（2）可再生，清潔無污染。常規(guī)的石化能源是有限的，而風能幾乎是取之不盡，用之不竭。（3）建設工期短，自動化程度高。風力發(fā)電機組及其輔助設備具有模塊化的特點，設計和安裝簡單，單臺風力發(fā)電機組的運輸和安裝時間僅需幾個星期，可多臺同時安裝，互不干擾，且安裝一臺即可投產一臺。一個 10 兆瓦級的風力發(fā)電場建設工期不超過一年。（4）占地面積小，對土地質量要求低。風力發(fā)電場內設備的建筑面積僅約占風力發(fā)電場的 1%，其余場地仍可供農、牧、漁使

49、用。風力資源充足的地方往往是荒灘或山地等土地利用率低的地方。（5）技術逐漸成熟，發(fā)電成本降低。據(jù)歐洲風能協(xié)會2004 年統(tǒng)計[8]，風力發(fā)電機組單位 kW 的造價已經降到 900 歐元，單位發(fā)電成本為 3～5 歐分/kWh。</p><p>　　但風力發(fā)電同時也存在一定的局限性：（1）不可控性。風力發(fā)電以自然風常規(guī)能源發(fā)電一樣根據(jù)負荷要求來改變風力發(fā)電機組的出力?，F(xiàn)有的技術條件，如改變風力機葉片的漿距角，只能在很

50、有限的范圍內進行調節(jié)。（2）不穩(wěn)定性。風速具有波動性和間歇性，并難以及時準確預測。因此風力發(fā)電機組的輸出功率也具有隨機性的特點。通常認為風力發(fā)電只能提供電力而不能提供有效的發(fā)電容量。尺寸比相應的水輪機大幾十倍，限制了風力發(fā)電機組的單機容量和風力發(fā)電場的規(guī)模。風力機在理論上的最大風能利用率為 59%，而實際上最高只能達到 40%左右。</p><p>　　2.1.2并網型風力發(fā)電的發(fā)展和現(xiàn)狀</p>

51、<p>　　利用風能發(fā)電始于 19 世紀末，到上世紀 80 年代通過建立大型風力發(fā)電場來大規(guī)模利用風能，風力發(fā)電運行技術及并網研究也得到較大發(fā)展。 90 年代以來，自風力發(fā)電容量以每年平均 22%的速度增長，近五年的增長速度為35%~50%，在各種發(fā)電方式中風力發(fā)電量增長速度居于首位[9][10]。圖 2.1 是世界風力發(fā)電裝機總容量的發(fā)展趨勢圖，可以看出，風力發(fā)電裝機總容量在1999 年后上升很快，總裝機容量每年都在 20%

52、以上的速度增長，2004 年年底達到 47.317GW。</p><p>　　圖2.1 世界風力發(fā)電裝機總容量（GW）</p><p>　　與此同時，風力發(fā)電在全球總發(fā)電量中所占的份額也在不斷增加，2003 年已達到全球發(fā)電總量的 0.49%，具體數(shù)據(jù)見表 2.1。歐洲風能協(xié)會制定的風能發(fā)展計劃 中預計到 2020 年風力發(fā)電占到全球發(fā)電總量的 11.81%。風力發(fā)電在一些風能資源利用較好

53、的國家，如丹麥和德國，已經占到總發(fā)電量的 10％和 5.3％ 。2002年，歐洲風力發(fā)電已占總發(fā)電量的 2%。到 2002 年底，全世界并網運行的風力發(fā)電裝機容量達到 31127MW，其中歐洲裝機 23291MW，美國 4685MW，其它地區(qū)3151MW。風力發(fā)電裝機較多的國家為：德國 12000MW、西班牙 4830MW、美國4685MW、丹麥 2880MW 和印度 1702MW、中國 468MW。</p><p&

54、gt;　　表2.1 風力發(fā)電在全球總發(fā)電量中所占比率</p><p>　　在我國有廣闊的發(fā)展前景，主要原因有：（1）我國風力資源豐富，具有開發(fā)風力發(fā)電的巨大潛力；（2）國家政府部門的鼓勵政策。據(jù)國家氣象局勘測，全國風能資源總儲量為 2.53 億 kW，僅次于美國和俄羅斯，居世界第三位。我國的風能資源主要分布在兩大風帶：一是東南沿海、山東、遼寧沿海及其島嶼的沿海風帶，有效風能密度在 200W/m2 以上，4~20m

55、/s 有效風力出現(xiàn)百分率達80%~90%；二是內蒙北部、甘肅、新疆北部以及松花江下游的內陸風帶，有效風能密度一般大于 200W/m2，有效風力出現(xiàn)的時間百分率均在 70%左右。《中華人民共和國可再生能源法》[規(guī)定了風力發(fā)電的三項原則：（1）對風力發(fā)電要實行保護性固定電價，在成本上，保證有合理的利潤；（2）電網無條件收購風力發(fā)電，價差由所</p><p>　　在電網分攤；（3）國家財政設立專項資金，支持可再生能源發(fā)

56、展。</p><p>　　表2.2 中國并網風力發(fā)電機組發(fā)展規(guī)劃目標（MW）</p><p>　　我國的風力發(fā)電興起于 20 世紀 80 年代，最初的風力發(fā)電設備和技術都是依靠進口。近年來，風機制造的國產化率越來越高，600kW 風力發(fā)電機組的國產化發(fā)電場的發(fā)電成本大約是 0.4-0.8 元/kWh。隨著風力發(fā)電成本的明顯下降，風力發(fā)電發(fā)展速度加快。到 2004 年末，我國已經建成 44

57、座風力發(fā)電場，累計風力發(fā)電機組 1291 臺，裝機容量764MW與 2003 年累計裝機 567MW 相比，2004 年累計裝機增長率為 34.7%。我國具有開發(fā)風力發(fā)電的良好基礎和廣闊前景。 </p><p>　　2.2. 并網型光伏發(fā)電</p><p>　　2.2.1 并網型光伏發(fā)電特點</p><p>　　光伏發(fā)電系統(tǒng)是由光伏電池板、控制器和電能儲存及變換環(huán)節(jié)

58、構成的發(fā)電與</p><p>　　電能變換系統(tǒng)。太陽光輻射的能量經由光伏電池板直接轉換為電能，并通過電纜</p><p>　　控制器、儲能等環(huán)節(jié)予以儲存和轉換，提供負載使用。圖 2.2 是一個典型光伏發(fā)電系統(tǒng)的結構圖。</p><p>　　圖2.2光伏發(fā)電系統(tǒng)結構圖</p><p>　　光伏發(fā)電系統(tǒng)按與電力系統(tǒng)關系分類，也通常分為獨立光伏發(fā)電

59、系統(tǒng)和并網光伏發(fā)電系統(tǒng)。獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)是不與常規(guī)電力系統(tǒng)相連而孤立運行的發(fā)電系統(tǒng)，通常建設在遠離電網的邊遠地區(qū)或作為野外移動式便攜電源，其建設的主要目的是解決無電問題。由于光伏發(fā)電的特點是白天發(fā)電，而負荷用電特性往往是全天候的，因此在獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)中儲能元件必不可少。一般而言，系統(tǒng)在白天把太陽能轉化為電能，通過蓄電池將電能儲存起來，晚上再通過放電器把儲存在蓄電池里的電能釋放出來適當使用。與孤立運行的光伏發(fā)電站相比，并入大電網可以給光

60、伏發(fā)電帶來諸多好處；（1）不必考慮負載供電的穩(wěn)定性和供電質量問題。（2）光伏電池可以始終運行在最大功率點處，由大電網來接納光伏發(fā)電所發(fā)的全部電能，提高了光伏發(fā)電的效率。（3）省略了蓄電池作為儲能環(huán)節(jié)，降低了蓄電池充放電過程中的能量損失免除了由于存在蓄電池而帶來的運行與維護費用，同時也消除了處理廢舊蓄電池帶來的間接污染。</p><p>　　并網光伏發(fā)電系統(tǒng)是與電力系統(tǒng)連接在一起的光伏發(fā)電系統(tǒng)，像其他類型發(fā)電站一樣

61、，可為電力系統(tǒng)提供有功和無功電能。光伏發(fā)電所發(fā)的直流電能經變換器變換成與電網相同頻率的交流電能，以電壓源或電流源的方式送入電力系統(tǒng)?？刂破饕话阌蓡纹瑱C或數(shù)字信號處理芯片作為核心器件構成，用以實現(xiàn)光伏電池最大功率點跟蹤及控制逆變器并網電流的頻率、波形和功率，使向電網轉送的功率與光伏陣列所發(fā)的最大功率電能平衡。變換器主要是由電力電子開關器件連接電感或電容構成，以脈寬調制方式形成所需電能形式向電網送電。無窮大的公共電網在這里可以視為扮演著儲能

62、環(huán)節(jié)的角色。因此并網光伏發(fā)電系統(tǒng)不需要額外的蓄電池，降低了系統(tǒng)運行成本，提高了系統(tǒng)運行和供電的穩(wěn)定性。并網光伏發(fā)電系統(tǒng)的電能轉換效率要大大高于獨立系統(tǒng)，成為光伏發(fā)電的最合理發(fā)展方向。</p><p>　　綜上所述，光伏發(fā)電具有以下優(yōu)勢：(1)可靠。光伏發(fā)電很少用到運動部件，</p><p>　　目前已有數(shù)千套光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行經驗。晶體硅的壽命可達 20 年以上?？煽啃愿?，適合無人值守。(

63、2)安全、無噪聲及其它公害。不產生任何的固體，液體和氣體有害廢棄物，無環(huán)境污染和公害問題。(3)安裝維護簡單，運行成本低。(4)兼容性好。光伏發(fā)電可以與其他能源配合使用，自身增容也很方便。(5)標準化程度較高，可由組件的串并聯(lián)滿足不同用電的需要，通用性強。(6)太陽能資源豐富，分布范圍廣。但光伏發(fā)電能量分散，占地面積大，間歇性大，地域性強。建設初始投資大，成本較高。</p><p>　　2.2.2并網型光伏發(fā)電的

64、發(fā)展和現(xiàn)狀</p><p>　　目前世界太陽電池生產量日本第一，推廣應用光伏發(fā)電系統(tǒng)卻是德國領先全球太陽能電池年產量正在迅速增長，2004 年的增長率超過 60%，2005 年的增長率為 44%，太陽電池年產量達到 1656MW。其中日本的產量占世界總產量 46%。歐洲占世界總產量 28%。2005 年全球安裝太陽電池組件 1460MW，比前一年增長了 34%。其中德國安裝了838MW，比前一年增長了 53%，占

65、世界安裝量的 57%。日本安裝了 292MW，比前一年增長了14%。到 2005 年年末，全球累計安裝太陽電池組件容量比前一年增長了 39%，達到了5GW。日本新能源和工業(yè)技術發(fā)展組織在 2004 年 6 月發(fā)表的“面向 2030 年光伏路線圖的概述”中提出：到 2030 年累計安裝太陽電池組件容量要達到 1000GW，屆時日本所有住宅所消費的電力中將有 50%由光伏發(fā)電提供，大約占全部電力供應的 10%。2002 年 5 月，歐洲光伏

66、工業(yè)協(xié)會發(fā)表的報告“工業(yè)需要及路線圖”預計：2010 年前光伏發(fā)電市場平均年增長率為 27%，2010 年～2020 年間增長率為 34%，2020 年～2040 年間增長率為</p><p>　　表 2.3 歐洲、日本和美國制定的光伏發(fā)電發(fā)展計劃（GW）</p><p>　　國際光伏應用中并網發(fā)電和光伏建筑集成（BIPV）發(fā)展迅速，已成為光伏市場的最大份額。它標志著光伏發(fā)電由邊遠地區(qū)和特

67、殊應用正在向城市過渡，由補充能源向替代能源過渡，由大型集中電站向分布式供電模式過渡。據(jù)國際能源協(xié)會下屬光伏電力系統(tǒng)項目研究小組在 2006 年發(fā)布的報告“光伏發(fā)電應用技術的趨計勢”中統(tǒng)計：2006 年中國光伏發(fā)電設備的年銷售量為 15MW，光伏系統(tǒng)的總裝機容量達85MW。光伏發(fā)電將在中國未來的電力供應中扮演重要的角色，預計到 2010 年中國的光伏發(fā)電累計裝機容量將達到 600MW，2020 年累計裝機容量將達到 30GW，2050 年

68、將達到 100GW。根據(jù)中國電力科學院的預測，到 2050 年中國可再生能源發(fā)電將占到全國總電力裝機的 25%，其中光伏發(fā)電將占 5%。穩(wěn)定且不斷發(fā)展的市場和強有力的政府支持是光伏電池研發(fā)的根本動力。目前，我國正在繼續(xù)培育國內的光伏市場，加大城市屋頂和沙漠并網電站的研發(fā)和示范投入等；同時注意人才培養(yǎng)，抓緊技術平臺和隊伍的建設，積極研發(fā)新型電池生產和應用技術，努力降低成本，并從稅收、信貸等方面扶植光伏產業(yè)。另外，我國的太陽能資源非常豐富，

69、據(jù)統(tǒng)計</p><p>　　表 2.4 中國太陽能年輻射的地區(qū)分布</p><p>　　我國《1996-2010 年新能源和可再生能源發(fā)展綱要》中明確指出 [23]，要按社會主義市場經濟的要求，加快新能源和可再生能源的發(fā)展和產業(yè)化的建設，要求采取措施調整能源結構，提高清潔能源在能源消費中所占比重，要求通過技術進步來推動可再生能源事業(yè)的發(fā)展。鼓勵發(fā)展利用太陽能，鼓勵改造傳統(tǒng)能源利用技術，提高

70、能源利用效率，降低污染排放，并給予稅收優(yōu)惠等支持政策。綜上可知，我國的光伏發(fā)電產業(yè)的發(fā)展前景是輝煌的。</p><p>　　2.3 風力發(fā)電和光伏發(fā)電并網主要問題和研究現(xiàn)狀</p><p>　　風力發(fā)電和光伏發(fā)電功率輸出波動很大，不確定性程度高，難以調節(jié)。這樣擁有大容量風力發(fā)電和光伏發(fā)電的電力系統(tǒng)需要較高的發(fā)電備用容量，以及輸電網絡備用容量。風力發(fā)電和光伏發(fā)電的接入將原來輻射型無源電網變成

71、了有源環(huán)網，系統(tǒng)因為潮流變化頻繁，系統(tǒng)保護配置，電壓調整比較困難，給系統(tǒng)安全運行帶來新的挑戰(zhàn)。由于風力發(fā)電場和光伏發(fā)電所在地區(qū)往往人口稀少，處于供電網絡的末端，承受沖擊的能力較弱，隨著風力發(fā)電和光伏發(fā)電規(guī)模的不斷擴大其特性對電網的影響也愈加顯著，成為制約風力發(fā)電和光伏發(fā)電容量和規(guī)模的嚴重障礙，研究風力發(fā)電和光伏發(fā)電并網對系統(tǒng)造成的影響具有重要意義。針對并網型風力發(fā)電和光伏發(fā)電，國內外學者和工程技術人員的研究與經驗表明，與風力發(fā)電和光伏發(fā)

72、電并網相關的課題研究主要集中在以下幾個方面</p><p>　　2.3.1 風力發(fā)電和光伏發(fā)電并網對電能質量的影響</p><p>　　國內外對于風力發(fā)電和光伏發(fā)電等分布式電源并網對電能質量的影響方面較多。國際電工委員會為研究風力發(fā)電并網對電網電能質量的影響，成立了與之相關的工作組，并發(fā)表了一系列的報告和標準。其中，IEC1000-3-7評估了風力發(fā)電對電網電能質量的影響。IEC64100

73、-21給出了并網風力發(fā)電機組電能質量測量和評估的標準，為風力發(fā)電電能質量的測量和評估提供了一個統(tǒng)一的方法，其內容包括：風力發(fā)電并網機組電能質量特征參數(shù)的定義和說明，電能質量參數(shù)的測量過程，這些參數(shù)是否能滿足電網要求的評估方法。研究風力發(fā)電并網電能質量問題的文獻還有很多，但電能質量問題不是限制風力發(fā)電接入電力系統(tǒng)的全局性關鍵問題，而且隨著電力電子技術的發(fā)展該問題已經逐步得到較好解決。</p><p>　　2.3.2

74、 孤島效應</p><p>　　孤島效應是指當電力公司的供電因故障事故或停電維修而中斷時，各個用戶端的風力發(fā)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)未能及時檢測出停電狀態(tài)而將自身切離市電網路，從而形成由風力發(fā)電和光伏發(fā)電并網發(fā)電系統(tǒng)和周圍的負載構成的一個電力公司無法掌握的自給供電孤島。當風力發(fā)電和光伏發(fā)電總容量較大時尤其可能出現(xiàn)這種情況。一般認為，只要孤島電網不是為了提高供電可靠性故意配置的，都應當避免。IEEE 標準 1547 也強調

75、了這個原則。一般來說，孤島效應可能對整個配電系統(tǒng)設備及用戶端的設備造成不利的影響：(1)對電力公司輸電線路維修人員產生安全危害。(2)影響配電系統(tǒng)上的保護開關動作程序。風力發(fā)電和光伏發(fā)電形成孤島電網后，如果重合閘非同期重合，會造成過電壓，并且形成很大的沖擊電流，影響設備安全和正常運行，導致保護誤動作[35]。(3)電力孤島區(qū)域發(fā)生的供電電壓和頻率的不穩(wěn)定將危害系統(tǒng)設備。(4)當電力公司供電恢復時所造成的相位不同步問題。(5)光伏發(fā)電系統(tǒng)

76、若采用單相供電而造成系統(tǒng)三相負載的欠相供電問題。孤島檢測方法一般可分為兩類：無源檢測方法和有源檢測方法。常見的無源檢測方法有過電壓/欠電壓、高頻/低頻檢測，相位突跳檢測和電壓諧</p><p>　　2.3.3 可靠性問題</p><p>　　風力發(fā)電和光伏發(fā)電并網對可靠性產生不利的影響為：（1）大系統(tǒng)停電時有些風力發(fā)電和光伏發(fā)電也會同時停運，仍無法提高供電的可靠性。（2）風力發(fā)電和光伏發(fā)電

77、與配電網的繼電保護配合不好，可能使繼電保護誤動作，反而使可靠性降低。（3）不適當?shù)陌惭b地點、容量和連接方式會使配網可靠性變壞。有利情況為：（1）風力發(fā)電和光伏發(fā)電可部分消除輸配電網的過負荷和堵塞，增加輸配電網的輸電裕度。（2）在適當?shù)娘L力發(fā)電和光伏發(fā)電布置和電壓調節(jié)方式下，風力發(fā)電和光伏發(fā)電可緩解電壓驟降，提高系統(tǒng)對電壓的調節(jié)性能。（3）特殊設計的風力發(fā)電和光伏發(fā)電可使它在大電力輸配電系統(tǒng)發(fā)生故障時仍能保持運行。由于單相負荷的存在和低壓

78、線路不對稱的分布，帶有風力發(fā)電和光伏發(fā)電裝置的配電系統(tǒng)經常運行在不平衡的狀態(tài)下，這樣，三相電壓和三相電流的相角差經常不是 120°。換流器和其他電子裝置對電壓畸變是很敏感的，3%左右的電壓畸變就會讓它們把風力發(fā)電和光伏發(fā)電裝置切除。風力發(fā)電和光伏發(fā)電并網引起的穩(wěn)定問題主要是電壓穩(wěn)定問題，其對系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的影響主要包括以下幾個方面：（1）普通的風力發(fā)電和光伏發(fā)電機組無功補償方式為電容器補償，補償量與接入點的電</p>

79、<p>　　綜上，并網型風力發(fā)電和光伏發(fā)電對電網穩(wěn)定性的一個主要威脅是風速波動性和隨機性引起風力發(fā)電場出力變化過頻，以及光照強度隨日照、天氣、季節(jié)、溫度等自然因素變化引起的光伏發(fā)電輸出功率不穩(wěn)定。進而導致風力發(fā)電和光伏發(fā)電接入系統(tǒng)后電壓穩(wěn)定裕度多變且難以預測。由于已有的方法大都采用確定性的分析方法，因此無法考慮風力和光伏發(fā)電量的波動性和隨機性。本文將在第三章討論風力發(fā)電和光伏發(fā)電并網對配電網電壓分布的影響。</p&g

80、t;<p>　　2.3.4 準入功率計算問題</p><p>　　確定一個給定電網最大能夠承受的風力發(fā)電和光伏發(fā)電注入功率成為風力發(fā)電場和光伏發(fā)電系統(tǒng)規(guī)劃設計階段迫切需要解決的問題。國內外的學者和工程技術人員通常采用風力發(fā)電穿透功率極限或風力發(fā)電場短路容量比來表征電力系統(tǒng)中風力發(fā)電規(guī)模的大小，以此作為計算分析和進行評價的依據(jù)。風力發(fā)電穿透功率極限是指在滿足一定技術指標的前提下接入系統(tǒng)的最大風力發(fā)電場

81、裝機容量與系統(tǒng)最大負荷的百分比。風力發(fā)電場短路容量比則定義為風力發(fā)電場額定容量與其電力系統(tǒng)連接點的短路容量之比。風力發(fā)電和光伏發(fā)電的最大接入容量的確定受到諸多因素的制約，要確定風力發(fā)電和光伏發(fā)電的合理的建設規(guī)模和最大容量，應該采用系統(tǒng)的、結合具體系統(tǒng)實際的計算分析方法，其數(shù)值的大小不僅取決于風力發(fā)電和光伏發(fā)電的運行特性和系統(tǒng)中其它發(fā)電設備的調節(jié)能力，還與風力發(fā)電和光伏發(fā)電接入的系統(tǒng)的網絡結構等諸多因素密切相關。 </p>

82、<p>　　2.3.5 電網效應問題</p><p>　　風力發(fā)電和光伏發(fā)電的接入可能使配網的某些設備閑置或成為備用。如：當風力發(fā)電和光伏發(fā)電運行時，與配電系統(tǒng)相連的配電變壓器和電纜線路常常因負荷小而輕載，導致配電系統(tǒng)部分設備成為相應的風力發(fā)電和光伏發(fā)電的備用設備，從而使配電網的成本增加，供電局的效益下降。另外還可能使配電系統(tǒng)負荷預測更加困難。風力發(fā)電和光伏發(fā)電影響系統(tǒng)的潮流分布，因為電網的損耗主要取決

83、于系統(tǒng)的潮流，因此風力發(fā)電和光伏發(fā)電的接入必然影響電網的損耗。風力發(fā)電和光伏發(fā)電可能增大也可能減小系統(tǒng)網損，取決于風力發(fā)電和光伏發(fā)電的位置、容量與負荷量的相對大小以及網絡的拓撲結構等因素。文獻[42]提出的兩種網損分配方案：臨界損耗系數(shù)法和直接損耗系數(shù)法，彌補了傳統(tǒng)置換法的不足。對于風力發(fā)電和光伏發(fā)電等分布式電源在 MV 級電網資源優(yōu)化配置，文獻[43]采用遺傳算法分別解決了系統(tǒng)網損最小、電網改造升級投資最少和發(fā)電機耗費最省的問題。&l

84、t;/p><p>　　2.3.6 配電網故障問題</p><p>　　風力發(fā)電和光伏發(fā)電并網對線路保護靈敏度和保護范圍的影響如果一個風力發(fā)電和光伏發(fā)電接在距線路末端 x 處，當線路末端發(fā)生短路故障后，它將向故障點送出短路電流，減小了線路保護 K 檢測到的故障電流值 I k ，從而降低了保護 K 的靈敏度。如圖 2.3所示。</p><p>　　圖 2.3 本線故障時風力

85、發(fā)電和光伏發(fā)電對保護的影響</p><p>　　其中，Z s 為電網的阻抗（pu） Z l 為線路阻抗，（pu） Z d 為變壓器阻抗（pu）。假設 Z d = α Z s ， Z l = β Z s ，速斷保護整定值 I set1 按線路末端 F 點兩相短路整定，可靠系數(shù)取 K k ，過流保護整定值 I set 2 按最大負荷電流整定，此處假定為 1/2 速斷整定值。在 x 取不同值時，線路末端發(fā)生兩相短路故障

86、時，計算保護 K 檢測到的故障電流值 I k 。計算結果顯示當風力發(fā)電和光伏發(fā)電接入配電線路后，使得整條線路的靈敏度降低。尤其在線路的某些位置，速斷保護根本無法啟動，形成速斷保護死區(qū)，使線路故障不能及時切除。若風力發(fā)電和光伏發(fā)電并網點位于速斷保護死區(qū)，在不改變保護系統(tǒng)的情況下，只能由后備過流保護動作切除故障，增加了故障對電網的影響。若調減速斷保護整定值，則可能造成速斷、過流保護和其他風力發(fā)電和光伏發(fā)電在相鄰線路故障時引起所在線路保護誤動

87、作圖 2.4 數(shù)值同上，若相鄰線路在距離母線 x′ 處發(fā)生三相短路故障時，計′算保護 K 檢測到的故障電流值 I k 。假設兩條線路具有相同的長度和單位阻抗，風力發(fā)電和光伏發(fā)電接在距離線路末端</p><p>　　圖 2-4 相鄰線路故障時，風力發(fā)電和光伏發(fā)電對保護的影響</p><p>　　風力發(fā)電和光伏發(fā)電對重合閘的影響自動重合閘是將因故障跳開后的斷路器按需要自動投入的一種自動裝置。電

88、力系統(tǒng)運行經驗表明，配電網的故障 80%～90%的部分是瞬時性的。因此，在由繼電保護動作切除故障之后，電弧將自動熄滅，短路處的絕緣大多可以自動恢復。在輻射式配電網結構下，重合閘在迅速恢復瞬時性故障線路供電時，不會對配電系統(tǒng)產生任何沖擊和破壞。但當風力發(fā)電和光伏發(fā)電接入配電網，如果線路因故障跳閘，所形成的孤島保持功率和電壓在額定值附近運行，風力發(fā)電和光伏發(fā)電極有可能在重合閘動作時沒有跳離線路，這將產生兩種潛在的威脅：非同期重合閘和故障點電

89、弧重燃。</p><p>　　3. 風力發(fā)電和光伏發(fā)電并網基本模型和可靠性技術研究 </p><p><b>　　3.1 概述</b></p><p>　　風力發(fā)電和光伏發(fā)電都受自然條件、天氣限制，帶有一定的局限性，但它們之間存在一定的互補性。例如，中國西部地區(qū)氣候特點經常是白天風力小、夜間風力大，而白天只要天氣晴好，光伏系統(tǒng)就能正常發(fā)電運行，

90、夜間光伏系統(tǒng)停止發(fā)電，因此發(fā)電正好構成一定的互補關系。另一方面，風力由于其能量密度相對較高，現(xiàn)風力發(fā)電機組容量已達兆瓦級。風力發(fā)電單位裝機容量的建設成本比光伏發(fā)電要低很多，但其發(fā)電運行穩(wěn)定性比光伏發(fā)電要差。對于比較重要的或供電穩(wěn)定性要求較高的負載，需要考慮采用由包括微型燃氣輪機、內燃機、太陽能電池、風力發(fā)電機等組成的混合供電系統(tǒng)，或者并網運行。為了分析研究風力發(fā)電和光伏發(fā)電并網對電力系統(tǒng)的影響，需要建立合理的數(shù)學模型。風力發(fā)電是一個包含

91、多個學科的復雜系統(tǒng)：槳葉的制造基于空氣動力學；傳動系統(tǒng)和塔架的建設涉及到機械理論和結構學；發(fā)電機實現(xiàn)機電能量的轉換；控制和保護系統(tǒng)則廣泛涉及控制原理與電氣相關方面知識。建立數(shù)學模型時，除了針對單臺風力發(fā)電機組建立各環(huán)節(jié)模型，還應根據(jù)研究問題的需要建立風速模型和風能分布模型。影響光伏發(fā)電功率輸出的因素包括：電池元件的模型、功率轉化率以及元件的溫度等。</p><p>　　3.2 風力發(fā)電系統(tǒng)的基本模型</p&

92、gt;<p>　　3.2.1 并網型風力發(fā)電機組發(fā)電原理 </p><p>　　典型的并網型風力發(fā)電機組主要包括起支撐作用的塔架、風能的吸收和轉換裝置——風輪機（葉片、輪轂及其控制器），起連接作用的傳動機構——傳動軸、齒輪箱、輪轂，能量轉換裝置——發(fā)電機，以及其他風機運行控制系統(tǒng)——偏航系統(tǒng)和制動系統(tǒng)等。風力發(fā)電流程是：自然風吹轉葉輪，帶動輪轂轉動，將風能轉變?yōu)闄C械能，然后通過傳動結構將機械能送至發(fā)

93、電機轉子，帶動轉子旋轉發(fā)電，實現(xiàn)由機械能向電能的轉換，最后風力發(fā)電場將電能通過區(qū)域變電站注入電網。其能量轉換過程是：風能—>機械能—>電能。</p><p>　　3.2.2 并網型風力發(fā)電機組分類</p><p>　　就目前應用范圍來講，風力發(fā)電機組一般按調節(jié)方式和運行方式可以分恒速恒頻、變速恒頻兩種類型。恒速恒頻風力發(fā)電機組在額定轉速附近運行，滑差變化范圍很小，發(fā)電機輸出頻率

94、變化也很小，所以稱為恒速恒頻風力發(fā)電機組。恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的基本結構如圖 3.1所示，自然風吹動風力機，經齒輪箱升速后驅動異步發(fā)電機將風能轉化為電能。目前國內外普遍使用的是水平軸、上風向、定槳距（或變槳距）風力機，其有效風速范圍約為 3~30m/s，額定風速一般設計為 8~15m/s，風力機的額定轉速大約為 20~30 轉/分鐘。恒速恒頻風力發(fā)電機組在運行中會從電網中吸收無功電流建立磁場，導致電網功率因數(shù)變差，因此，一般在風機出口處

95、裝設可投切的并聯(lián)電容器組提供非連續(xù)可變的無功補償，采用可控硅軟并網技術將起動電流限制在額定電流的 1.5～2倍之內以防止并網失敗。</p><p>　　圖3.1 恒速恒頻風力發(fā)電機統(tǒng)</p><p>　　圖 3.2為風輪機直接驅動同步發(fā)電機構成的變速恒頻風力發(fā)電機組。在這種結構中，風輪機直接跟發(fā)電機相連，不需要齒輪箱，發(fā)電機輸出電壓的頻率隨轉速變化，若通過交－直－交或者交－交變頻器與電網相

96、聯(lián)，在電網側得到頻率恒定的電壓。若變頻器采用具有自換相能力的電壓源換流器或輕型直流輸電系統(tǒng)（HVDC Light）與電網相連，還可實現(xiàn)有功和無功功率的綜合控制，進一步改善風力發(fā)電系統(tǒng)的運行性能</p><p>　　圖3.2 風輪機直接驅動同步發(fā)電機系統(tǒng)</p><p>　　圖 3.3為雙饋感應風力發(fā)電機組原理圖。雙饋感應風力發(fā)電機組的基本結構包括繞線式異步發(fā)電機、變頻器和控制環(huán)節(jié)，其定子繞

97、組直接接入電網，轉子采用三相對稱繞組，經背靠背的雙向電壓源變頻器與電網相連，給發(fā)電機提供交流勵磁，勵磁頻率即為發(fā)電機的轉差頻率。雙饋感應風力發(fā)電機組的特點在于可以最大限度的利用風能或者改善電網功率因數(shù)。雙饋電機的控制方式有兩種：（1）速度控制方式：在電機輸出有功功率和無功功率可變的情況下，以電機轉速為控制對象調節(jié)轉子勵磁電壓的幅值和相位使電機轉速等于給定值，該方式可以最大限度的利用風能；（2）功率控制方式：在電機轉速可變的情況下，以電機

98、輸出的有功功率和無功功率為控制對象，調節(jié)轉子勵磁電壓的幅值和相位使得電機的輸出有功和無功功率符合一定要求，該方式以改善電網功率因數(shù)和穩(wěn)定電網電壓為目的。變速恒頻風力發(fā)電機組實現(xiàn)了發(fā)電機轉速與電網頻率的解耦，降低了風力發(fā)電與電網之間的相互影響，但是它結構復雜、成本高、技術難度大。隨著電力電子技術的發(fā)展，變速恒頻風力發(fā)電技術也將進一步成熟。目前，風力發(fā)電系統(tǒng)</p><p>　　升壓變壓器并聯(lián)于線路系統(tǒng)中。</

99、p><p>　　圖3.3 雙饋感應風力發(fā)電機組原理圖</p><p>　　風速變化時，系統(tǒng)的工作情況如下：當風速降低（增高）時，風力機轉速降低（增高），異步發(fā)電機轉子轉速也降低（增高），轉子繞組電流產生的旋轉磁場轉速降低（高）于異步電機的同步轉速，定子繞組感應電動勢的頻率 f 將低（高）于 f 1 ，此時測量裝置將轉速降低(增高)的信息反饋到控制轉子電流頻率的電路，使轉子電流的頻率增高（降低）

100、，即轉子旋轉磁場的轉速又回升（降低）到同步轉速，這樣定子繞組感應電勢的頻率又恢復到額定頻率 f 1 。風力發(fā)電機的無功功率通常設定為端電壓恒定的控制方式，是靠控制發(fā)電機轉子電流的大小來實現(xiàn)的，控制過程與頻率控制相似。雙饋感應發(fā)電機，不僅改善了風力發(fā)電機組的運行性能，而且大大降低了變頻器的容量，將會成為今后大型風力發(fā)電設備的主要選擇。</p><p>　　3.2.3 風速的數(shù)學模型</p><p

101、>　　由于風力發(fā)電機組出力的隨機性是由風速引起的，因此，掌握和了解風速的變化規(guī)律，對于分析風力發(fā)電機組的運行和發(fā)電情況十分關鍵。對風速的大量實測數(shù)據(jù)表明，特別大的颶風發(fā)生概率非常小，一年當中的大部分時間中風速都是比較平緩的，風速在 0～25m/s 之間發(fā)生的概率很高。研究表明，絕大多數(shù)地區(qū)的年平均風速都可以采用威布爾分布函數(shù)來表示。</p><p><b>　　k ?1</b><

102、/p><p><b>　　k?v?</b></p><p>　　? (v ) = ? ?</p><p><b>　　c?c?</b></p><p>　　?? v ? k ?</p><p>　　exp ?? ? ?</p><p>　　?? c ? ?

103、??</p><p><b>　　（3-1）</b></p><p>　　其中 v 是平均風速，c 是尺度系數(shù)，它反映的是該地區(qū)平均風速的大小；另一個形狀系數(shù) k ，它能夠反映風速分布的特點，對應著威布爾分布密度函數(shù)的形狀，取值范圍一般在 1.8 到 2.3 之間。不同地區(qū)有不同的平均值和形狀系數(shù)。如果威布爾分布的形狀系數(shù) k = 2 ，則又稱為 Rayleigh 分

104、布，很多地區(qū)的風速分布都可以采用 Rayleigh 分布來近似表示。在有些研究中為了考察暫態(tài)過程中風速的變化情況，也可將風速分解，采用四分量模型 ，即：基本風、陣風、漸變風和隨機風。</p><p>　　3.3 光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本模型</p><p>　　光伏發(fā)電是指利用光伏電池板將太陽光輻射能量轉換為電能的直接發(fā)電方式，光伏發(fā)電系統(tǒng)是由光伏電池板、控制器、電能存儲和變換等環(huán)節(jié)構成的發(fā)電與

105、電能變換系統(tǒng)。光伏電池板產生的電能經過電纜、控制器、儲能等環(huán)節(jié)予以儲存和轉換，轉換為負載所能使用的電能。采用光伏電池發(fā)電具有不消耗燃料、不受地域限制、規(guī)模靈活、無污染、安全、可靠、維護簡單等優(yōu)點。光伏并網發(fā)電系統(tǒng)是指將光伏陣列輸出的直流電轉化為與電網電壓同幅值、同頻、同相的交流電，并實現(xiàn)與電網連接的系統(tǒng)。</p><p>　　圖 3.4并網光伏發(fā)電系統(tǒng)示意圖</p><p>　　圖 3.4

106、并網光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成結構，系統(tǒng)由光伏電池模擬器、MPPT 充</p><p>　　電控制器、超級電容、蓄電池組、正弦波逆變器和系統(tǒng)監(jiān)控部分等組成，其工作原理是：光伏陣列首先將接收來的太陽輻射能量直接轉換成電能供給負載，并將多余能量經過充電控制器后以化學能的形式儲存在蓄電池中，在日照不足時，儲存在蓄電池中的能量經過全橋逆變器后變成 SPWM 波，然后再經過濾波和工頻變壓器升壓后變成交流 220V/50Hz 的正弦