风力发电和光伏发电并网问题研究.docx

1、风力发电和光伏发电并网问题研究武汉电力职业技术学院WUHAN ELECTRIC POWER TECHNICAL COLLEGE毕业设计论文课题 智能电网关键技术与探讨 专 业： 发电厂与电力系统 学员姓名: 张洁 2012-2-13至2012-3-11指导教师： 黄娜 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

2、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。1绪论：1.1课题背景正式提出1.2智能电网的概念1.3智能电网的发展现状1.3.1国外研究现状1.3.2国内研究进展2并网型风力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2.1.2并网型风力发电的发展和现状.2并网型光伏发电.

3、2.1并网型光伏发电特点.2.2并网型光伏发电的发展和现状2.3风力发电和光伏发电并网主要问题和研究现状.3.1风力发电和光伏发电并网对电能质量影响.3.2孤岛效应问题.3.3可靠性问题.3.4准入功率的计算问题.3.5电网效益问题.3.6配电网故障问题3 风力发电和光伏发电并网基本模型和可靠性技术研究.1 概述.2 风力发电系统的基本模型.2.1并网型风力发电机组发电原理.2.2并网型风力发电机组分类.2.3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.

4、6 风力发电和光伏发电并网节约的燃煤量 3.7 本章总结4风力发电和光伏发电并网对电网电压分布的技术研究.1风力发电和光伏发电组位置在馈线以外对电压水平影响.1.1风力发电和光伏发电放置在配电所 .1.2风力发电和光伏发电机组接入馈线末端.1.3风力发电和光伏发电机组接入线路调压器的副端.1.4风力发电和光伏发电接入用户侧.2机组位于馈线上对电压水平的影响.2.1基本试验.2.2风力发电和光伏发电机组位置变化试验.3本章小结5风力发电和光伏发电准入功率计算技术研究.1准入功率的计算方法.1.1试探法.1.2解析计算法.25.2 求解考虑电压调整约束的准入功率.2.1风力发电和光伏发电不主动调压

5、时准入功率计算.2.2 风力发电和光伏发电主动调压时准入功率计算.3本章小结6智能电网的发展前景7智能电网技术优劣势分析8结束语9参考文献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

6、的、竞争的和安全的电能策略(A European Strategy forSustainable，Competitive and SecureEnergy)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“(Grid Point)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

7、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(B

8、oulder)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

9、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与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、各发电站以与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

10、件，帮助电厂发现机会，降低成本以与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与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

11、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（Smart Grid）”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、技术体系以与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

12、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（smart power grids），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

13、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与电力稳定供应，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，涉与到通信、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

14、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与时调度，平衡电力供应缺口，从而达到对整

15、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

16、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

17、、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，欧洲主要国家与韩国纷纷着手强化智能电网基础设施建设。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，对企业与地方团体实施的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

18、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。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与蓄电装置建设。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与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

19、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。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“EEnergy”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

20、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

21、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

22、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

23、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

24、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。风力发电机组与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

25、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 35 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，并难以与时准确预测。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

26、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，风力发电运行技术与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910。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

27、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

28、、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、辽宁沿海与其岛屿的沿海风带，有效风能密度在 200W/m2 以上，420m/s 有效风力出现百分率达80%90%；二是内蒙北部、甘肃、新疆北部以与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

29、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

30、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、控制器和电能储存与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

31、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

32、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与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