大型风力发电场规划和运行技术研究

作者：戴慧珠 陈述勇 于红梅 吴学光 王伟胜

欢迎访问e展厅 展厅 2 中小型发电机展厅 柴油发电机组, 汽油发电机, 燃气发电机组, 移动电站, ... 摘 要:本文介绍了风力发电方面的研究成果，包括风力发电场的规划方法、含风电场的电力系统潮流计算模型和方法、风电场对系统电能质量影响的计算方法以及风力发电信息管理系统的结构和功能。这些研究成果对于促进我国风力发电事业的发展具有重要的理论和实用价值。 1 引言 随着全球经济的发展和人口的增长，人类正面临着能源利用和环境保护两方面的压力。一方面煤炭、石油和天然气等化石燃料的储量由于本世纪下半叶的大量开采而日益减少；另一方面是大量使用化石燃料对自然环境产生了严重的污染和破坏。这两方面的问题已经引起世界各国政府和人民的高度重视，并在积极寻求一条可持续发展的能源道路。 在太阳能、风能、潮汐能和生物质能等多种可再生能源中，风能最具有大力开发利用的前景。风力发电技术在本世纪70年代发展迅速，风力发电机组的单机容量已由80年代初期的几十kW发展到当今2~3MW，更大单机容量的风力发电机组也正在研制开发之中。截止1997年底，全世界并网运行的风力发电装机容量已达到7800 MW，其中德国2080 MW，美国1800 MW，丹麦1030 MW。预计到本世纪末全世界风力发电机装机容量将达到15000~20000 MW。 我国的风力发电事业近几年发展迅速，相继在新疆、内蒙古、河北和广东等省区建设了数个大型风力发电场。预计本世纪末我国风力发电机组装机容量将接近1000 MW。随着大型风力发电场的开发和建设，风电场规划和运行的研究工作越来越重要，这是保证风电场经济和安全运行的基础工作[1]。 本文研究了风力发电场的规划方法，提出了含风电场的电力系统潮流计算模型和方法，并以实际系统为例进行了仿真与分析，最后还介绍了风力发电信息管理系统的结构和功能。本文研究工作是国家“九五”科技攻关项目“风电并网系统规划方法和运行技术研究”的部分内容。 2 风电场规划方法研究 做好风电场的规划问题是大力发展风力发电的重要基础和前提条件，风电场的规划大致包括三个方面的问题[2]。 风速测量记录和风资源特性评估 为此首先需要选定测风地点，安装测风仪器，测量和记录2到3年的完整数据，然后在考虑地形、地貌和障碍物等影响的基础上进行各种相关性分析，得出所考察区域的总体风资源状况，并在此基础上进行风电场的宏观选址。 风电机组选择和布置 选择和布置风电机组的原则是使风电场的单位度电成本最低。为此在了解机组性能和价格的同时，特别需要认真研究风电场在考虑尾流影响和风速风向分布条件下的功率输出特性。 含风电场的电力系统随机生产模拟 电力系统随机生产模拟是评价电力系统运行的技术经济指标、分析生产成本和制定燃料计划的主要工具。随着风电场数量和容量的增加，应当在电力系统随机生产模拟中考虑风电场的影响。为此关键的问题是建立风电场的发电可靠性模型。 针对以上问题，笔者进行了以下的研究工作。 2.1 风电场输出功率特性计算 由于受尾流效应的影响，风电场的输出功率不仅和风的大小相关，而且还和风的方向相关。通过定义尾流系数矩阵可以反映尾流效应对风电场输出功率的影响，并依此求出多台相同风电机组的等效功率特性，最终得到整个风电场的实际输出功率和尾流损失[3]。 该研究成果可以改进现有风电场输出功率的计算方法，对于提高风电场规划的准确性和科学性具有重要价值。 2.2 风电场发电可靠性模型研究 以不同风电场风速、风向和气温的联合概率分布为基础，首先计算风电场输出功率的联合概率分布，并由此建立适合多个风电场的可靠性模型与算法。该模型不但考虑了风的随机性和机组的强迫停运率，而且还考虑了风电场之间风的相关性以及尾流效应和环境温度对风电场可靠性的影响。 应用所建立的风电场发电可靠性模型可以进行含风电场的电力系统随机生产模拟和风电场的技术经济评估工作。 2.3 含风电场的电力系统随机生产模拟 对电力系统运行而言，风电场可以节约常规机组燃料、减少发电厂污染物排放和替代部分常规发电机组容量。因此采用风力发电后，在满足相同负荷要求的条件下电力公司在常规能源方面的费用将减少，所减少的费用称为可避免费用(Avoided Cost)。通过对含风电场的电力系统进行随机生产模拟，可以计算风电场给电力系统运行带来的可避免费用。 可避免费用是并网运行风电场对电力系统贡献的综合度量，也是评估风电场的重要指标。 3 风电场并网运行研究 相对于常规发电厂，风电场在运行中具有两个显著特点，其一是风力发电机一般采用异步发电机，在运行时需要从系统吸收无功功率来建立磁场，从而使大型风电场并网运行后对局部电网的电压水平有明显的影响；其二是由于风速为随机变化的量，使得风电场的输出功率具有波动性，从而将影响局部电网的电能质量。为定量计算风电场在以上两方面的不良影响，本文进行了如下研究工作，并开发了相应的计算程序。 3.1 风电场对系统稳态电压的影响 研究风电场对电力系统稳态电压的影响，需要对含风电场的电力系统进行潮流计算，关键是正确处理风电场的节点类型。 电力系统潮流计算的任务是求解系统在给定网络结构与参数、各负荷节点功率和发电机节点出力条件下的运行状态，包括所有节点的电压和支路的功率。在电力系统潮流计算中，系统节点被划分为三种类型，即PV节点、PQ节点和Vθ节点。然而对风电场而言，由于其节点电压取决于系统电压，机组本身从系统吸收的无功以及机端电容器补偿的无功又均和系统电压相关，因此在潮流求解之前风电场节点的电压和吸收的无功功率均为未知量。换言之，在潮流计算中风电场节点不能简单地处理为PV节点或PQ节点。 通过深入研究，本文提出了在潮流计算中准确考虑风电场影响的方法，所提出的方法能够计及机端电容器组的投切规律和风电场的尾流影响。此外还开发了相应的计算程序，可用于分析风电场并网运行后对系统稳态电压的影响。 3.2 风电场对系统电能质量的影响 电能质量问题直接关系到工业生产和居民生活，许多国家以及国际电工委员会(IEC)都对电能质量问题制定了一些标准，并电能质量问题及其对策进行了全面的研究工作。随着风力发电场规模的增加，人们非常关心由风电场运行后对电能质量带来的负面影响。为此我们从电压波动和闪变角度进行了计算和分析。 电压波动为一系列电压变动或工频电压包络线的周期性变化。电压波动值为电压方均根值的两个极值和之差，常以其与额定电压的百分数表示；所谓闪变是指人对白炽灯照度波动的主观视感，它包括电压波动的全部有害作用。不同的国家和地区，对闪变值具有不同的规定和标准。目前我国是以折合成10Hz的等效闪变值表示。 根据电压波动和闪变的定义，我们开发了有关分析程序，可用于计算风电场在不同运行工况下对电能质量的影响。通过对示例系统的仿真计算，发现在某些情况下风电场引起的电压波动和闪变可能超出国家有关标准。 4 风力发电信息管理系统的研究与开发 风力发电在我国是一个新兴领域，长期以来介绍国外风电建设、管理和政策的资料很少而且分散，限制和阻碍了我国在该领域的科研和工程工作的顺利开展。为了适应和促进中国风电产业的快速发展，急需建立一套比较完整的有关风力发电数据库。对有关风力发电方面的信息进行有效的计算机规范化管理，从而为我国政府决策部门、电力公司、科研机构提供必要的风电基础资料，并对国外投资者提供必要的市场信息和有关政策咨询。 在对风力发电信息系统进行详细而认真的需求分析，并广泛征询风力发电行业专家、技术人员及管理人员的基础上，研究和开发了风力发电信息系统，其功能框图如下所示[4]。 所开发的风力发电信息系统具有以下特点：(1)前端人机界面友好，具有数据查询、录入、修改、删除、统计、打印等功能，便于及时更新数据库的信息，以做到准确、动态的风力发电数据库管理；(2)后台由数据库管理系统维护数据库，保证了系统数据库的可靠性、完整性和一致性；(3)系统采用分布式处理网络模式Client/Server体系结构，充分地利用了服务器和客户机的资源，从而大大降低了网络流量，提高了整个系统的性能；(4)本系统可方便地扩充到Browse/Server模式下，为将来利用Internet网发布风力发电信息、进行国际技术交流做好了准备；(5)系统具有高的安全性，一方面由操作系统和数据库管理系统来实现，另一方面对无功能权限的用户，本系统将屏蔽相关的功能和按钮。 目前，风力发电信息系统已在电力科学研究院风力发电研究室局域网上运行，运行情况良好。对本系统扩充的考虑有以下两种方案，一种方案是风力发电信息系统在各风电相关部门的LAN上运行，由电科院风力发电研究室在自己的LAN上维护风力发电数据库，再适时把数据库复制到各风电相关部门的LAN,以保证风力发电数据库的一致性；另一种方案是把本LAN上的风力发电信息系统转化成基于Web技术的Browser/Server体系结构，在Internet网上实现风力发电数据库信息共享。 5 结语 本文介绍了风力发电方面的研究成果，包括风力发电场的规划方法、含风电场的电力系统潮流计算模型和方法、风电场对系统电能质量影响的计算方法以及风力发电信息管理系统的结构和功能。这些研究成果对于促进我国风力发电事业的发展具有重要的理论和实用价值。今后我们将对以上研究内容作进一步完善和补充，最终形成一套完整的理论和应用成果。 参考文献 Dai Huizhu, Chen Shuyong. Grid Connected Wind Power in China: Development, Problems and Solutions. International Conference on Energy Efficiency Improvements: Coal and Renewables, Dec.3-4, Beijing, China 陈述勇. 大型并网风力发电场规划方法研究.北京:电力科学研究院博士学位论文,1998 陈述勇,戴慧珠,白晓民,周孝信.尾流效应对风电场输出功率的影响.中国电力,1998 于红梅.风力发电信息系统的设计与开发.北京:电力科学研究院硕士学位论文,1999(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (1/10/2005)