风电对电网影响-中英文对照翻译Word格式文档下载.doc

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2012年3月30日

附件1：

外文资料翻译译文

风力发电对电力系统的影响

简奥斯丁，费力克斯

（电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室，纽约市曼哈顿区）

摘要：

风力发电依赖于气象条件，并逐渐以大型风电场的形式并入电网，给电网带来各种影响。

电网并未专门设计用来接入风电，因此如果要保持现有的电力供应标准，不可避免地需要进行一些相应的调整。

讨论了在风电场并网时遇到的各种问题。

由于风力发电具有大容量、动态和随机的特性，它给电力系统的有功/无功潮流、电压、系统稳定性、电能质量、短路容量、频率和保护等方面带来影响。

针对这些问题提出了相应的解决建议和措施，以及更好利用风力发电。

关键词：

风力发电；

电力系统；

影响；

风电场

0、引言

人们普遍接受，可再生能源发电是未来电力的供应。

由于电力需求快速增长，对以化石燃料为基础的发电是不可持续的。

正相反，风力发电作为一种有前途的可再生能源受到了很多关注。

当由于工业的发展和在世界大部分地区的经济增长而发电的消费需求一直稳步增长时，它有减少排放和降低不可替代的燃料储备消耗的潜力。

当大型风电场（几百兆瓦）是一个主流时，风力发电越来越更受欢迎。

2006年间，世界风能装机容量从2005年的59091兆瓦达到74223兆瓦。

在2006年极大的生长表明，决策者开始重视的风能发展能够带来的好处。

由于到2020年12%的供电来于1250GW的安装风电装机，将节约累积10771000000吨二氧化碳[1]。

大型风电场的电力系统具有很高的容量，动态随机性能，这将会挑战系统的安全性和可靠性。

而提供电力系统清洁能源的同时，风农场也会带来一些对电力系统不利的因素。

风力发电的扩展和风电在电力系统的比重增加，影响将很可能成为风力集成的技术性壁垒。

因此，应该探讨其影响和提出克服这些问题的对策。

1、风力发电发展现状

从全球风能委员会（GWEC）的报告中，拥有最高装机容量总数的国家是德国（20621兆瓦），西班牙（11615兆瓦），美国（11603兆瓦），印度（6270兆瓦）和丹麦（3136兆瓦）。

世界范围内十三个国家现在可以算是达到1000兆瓦的风力发电能力，法国和加拿大在2006达到这一阈值。

如图1所示，直到2006年12月世界累计装机容量前10名[2]。

中国开始发展风电很晚。

只有在90年代它才走向市场化的发展和规模建设。

这些年新增累积装机容量如图2显示。

单一机组容量从100千瓦，200千瓦，300千瓦600千瓦，750千瓦，1500千瓦逐步增加。

在2006年中国通过安装风能的1347兆瓦，增加了一倍以上的总量容量，比去年的数值增长了70%。

这给中国带来多达2604兆瓦的能力，使中国成为世界第六个最大的市场。

中国市场在2006年大幅增长，这预计将继续增长并加快增长。

根据经批准的和在建设中的项目，在2007年将安装超过1500兆瓦。

到2010年底在中国的风电目标为5000兆瓦[3]。

图1到2006年12月世界累计装机容量

图2在中国累计和新增加安装的风力发电能力

2、风力发电项目的特点

从风能的角度来看，风能资源的最显特点是其变化性。

风电场输出的随机变化主要根源于风速的波动和方向。

无论是地理性和时间性，风是很易变的。

此外，无论是在空间和时间上，这种变化性持续的范围非常广泛。

由于时间和高度的功能，风速不断变化。

风变化的时间尺度显示在图3的风力频谱图上[4]。

在一秒到分钟的范围阵风引起动荡的高峰。

每日的峰值取决于每天的风速变化和天气高峰取决于天气变化，通常因每天或每周而异，但也包括季节性周期。

Fig.3WindspectrumfarmBrookhavenbasedonworkbyvanderHoven

从电力系统的角度来看，湍流高峰可能会影响风力发电的电能质量。

然而，昼夜和天气的高峰，可能会影响长期的电力系统的平衡，在这样的系统中风速预测起着显著作用。

另一个重要问题是风能资源的长期变化。

应知道加速到中心高度的风来计算风电场的输出。

大量风速测量表明，风速在一年中大多数是柔和的，介于0和25米/秒的概率是相当大的；

年均风速受制于威布尔分布[5]，如公式

（1）。

（1）

其中：

V是平均风速；

k为形状参数；

c是尺度参数。

风力发电机的输出之间的关系PW和风速集线器V的高度可以近似表示为风力发电机的输出与风速或分段函数的曲线，如公式

（2）。

（2）

PW是额定功率的风力发电机组的输出；

V是风速达枢纽的高度VCI是停机风速；

VCO被切出风速；

VR被评为风速。

3、风力发电对电力系统的影响

在电力系统中风力发电面临大型风电场对电网一体化的基本技术限制。

风力发电对电力系统的影响包括有效功和无效功流，电压，系统稳定性，电能质量，短路容量和基础设施的特点由于高容量的风力发电的动态和随机性能。

在技术上，它通过以下方式影响和必须详细研究：

（1）有功和无功流。

风力发电是一个间歇性和随机的电源，将功率流复杂化。

由于为了捕获更多的风能能源，许多风电场建成远离负荷中心，总有传输风力发电一些的障碍。

当引进额外的风力发电时一些传输或配电线路和其他电气设备可能过载。

因此，应确保互相连接传输或配电线路不过载。

有功和无功要求，都应予以调查。

无功功率应不仅在PCC中产生，但也通过整个网络产生，并应本地补偿[6]。

用于常规发电机的分析的方法是确定的，而忽略了不确定性的风速和负荷预测。

因此，概率性的方法是比较适合风力发电的。

约束以概率形式描述，并且预期参数值，如电压和功率，可以被计算。

（2）电压调节

一旦风电场已经确定了其地点，连接到电网的点必须确定。

小型风力发电场，可以在低电压下连接，从而节省了开关设备、电缆和变压器的成本。

如果拟议的发展规模太大导致不可以与当地分布电压的连接，进而不能满足较高的电压传输网络的需要[7]。

在电力系统中随着风力发电安装容量的增加，风力发电的变化引起电压变化，特别是如果并入电网，这可能不是专门设计用于迎合重要和可能快速变化的负载，这是由风力发电变化引起的。

因此，需要采取监管措施，使电压保持在指定的范围内。

然而，为了控制电压，这可能导致增加对无功功率的辅助服务[8]。

（3）系统的稳定性。

在风力发电的电力系统中，电压稳定和频率的稳定性都受到风功率集成影响，这不仅是因为风力发电的加入将改变流量分布，也因为风力发电机与传统的同步机无论是在稳态或瞬态状态时相比表现不同[9]。

对于目前的风力发电场，当发生干扰时，保护操作通常是切断风电场之间的连接电网。

因此，在这种时刻的暂态稳定是非常重要的，尤其是当大型风电场的有机结合时最为重要。

然而，由于电网结构，风也可能使电源集成系统的瞬态稳定性差。

因此，不同的电力系统，暂态稳定性应分别进行分析。

固定速度的风力涡轮机输出有功功率时，它吸收无功功率。

“风电场无功功率的整体需求是相当大，从而导致减少在PCC附近地区的电压稳定。

与此相反，双馈变速风力发电机组对无功功率有一定的控制能力。

根据不同的操作和控制计划，这种风力发电机组可以吸收或输出无功功率控制电压，有利于电压稳定。

电压稳定也与短路容量相关，传输的PCC行比R/X和在风力发电场使用的无功补偿方法有关。

（4）电能质量。

风力发电的波动和相关电源（AC或DC）的传输、供电质量有直接的影响。

结果，大量的电压波动，可能会导致电压在调控范围外变化，以及违反闪烁和其他电源的质量标准。

在连续的运行和开关操作，风力发电机组，引起电压波动和闪烁，这些因素是风力发电影响电网电能质量的主要因素。

对于变速风力涡轮机和恒定频率，转换器造成的谐波问题，也应考虑。

风力涡轮机对电网干扰有不同的原因，其中大多原因是风力机本体。

有关参数列于表1[10]。

平均发电量，湍流强度及风切变与气象和地理条件因素相关。

所有其他的原因不仅归咎于电器元件的特点，如发电机，变压器等，也是转子和传动系统的空气动力学和机械性能的原因。

涡轮形式（即变量与主要固定的速度档位与节距调节）对风力涡轮机和风力发电场的电能质量特性有重要性。

表1.风力发电机和风力发电厂对电网造成的影响

参数原因

电压升高电能生产

开关操作

塔影效应

电压波动和闪烁叶片调节误差

偏航误差

风切变

风速波动

谐波变频器

晶闸管控制器

电压峰值和谷值开关操作

闪烁是由风力发电机组的有功功率或无功功率的的波动造成的。

固定速度的风力发电机闪烁的主要原因是塔的尾流。

而变速风力发电机，平滑了快速功率波动，塔的尾流不影响输出功率。

因此，变速风力发电机组的闪烁一般比定速闪烁风力发电机低。

（5）短路容量。

往往是大多数的风力发电场远离负荷中心建造，这意味着他们之间和其他间的电力系统的电气之间的距离，是相当远的。

有一常理说，长电距离，使电压变化较大，但短路问题少[11]。

然而，风力发电场将能够给未来的电力系统运行的短路电流计算带来越来越重要的影响。

原因是双重的。

一个是上述的事实，风力发电网站通常是远离的传统的电力中心。

这意味着短路电流的分布可能产生了很大的变化，导致一个完全不同的短路容量地图。

其他事实的原因是，今天，越来越多的风力发电，特别是以所谓的大型风力发电场（数百兆瓦）的形式。

在风电场大量的个别单位连接在一起，总代能力将大大上升。

风电场对相邻节点短路能力有很大影响，然而对远离PCC节点的影响不大[9]。

因此，当具有大容量的风场并入电网时，相邻变压器和交换机的容量可能需要增加。

应该进一步研究的是如何判断风力发电对现有网络上的电气设备短路电流额定值的影响[12]。

（6）频率调整。

为了在规定的标准范围内控制电力系统频率，要求一些发电厂向电网公司提供频率控制配套服务。

然而，风力发电量总额的增加，其变化频率输出是一个很重要的影响[8]。

（7）保护。

电流在风电场和电网之间的流动是双向的，这是在保护的设计和配置应予以考虑的。

无论风力发电机采用何种发电机，风电场的整合将增加电网故障水平，进而影响原有的电网保护装置继电器的设置。

这可能需要增加新的保护装置或修改原有保护设备的继电器的设置。

尤其是如果风电场连接到分配网络，断路器可能在风电场装机容量增加时产生超负荷[8]。

4、减轻