江苏电网风力发电系统可行性研究

第36卷　第4期2008年4
月
Vol.36　No.4
Ap r.　2008江苏电网风力发电系统可行性研究
张　芳1,李　雪1,罗凯明2,奚　康1,王立伟1
(1.南京供电公司电力调度中心,江苏南京　210008;2.华东电力调度中心,上海　200002)
摘　要:电力市场的发展和能源问题的关注,都促进了分布式发电和储能技术的发展。

大电网与分布式电源相结合的方式,在提高供电可靠性、减小系统旋转储备和有效利用能源等方面都颇具优势。

本文将新兴的发电技术风力发电引入传统的电力系统,在风力发电机详细数学模型的基础上,通过仿真详细分析了风力发电系统的动态性能,及其对配电系统的影响,证实了发展风力发电的可行性,并展望了今后研究工作的方向。

关键词:分布式电源;电力变电站;风力发电
作者简介:张　芳(19742),女,工程师,从事电力系统调度工作。

中图分类号:T M614 文献标识码:A 文章编号:100129529(2008)0420055203
Fea sib ility of w i n d power genera ti on system s i n J i a ngsu Power Gr id
ZHAN G Fang1,L I Xue1,LUO Kai2m ing2,X I Kang2,WAN G L i2w ei1
(1.Electric Power D is patch Center,Nanjing Power Supp ly Company,Nanjing210008,China;
2.East China Electric Power D is patch Center,Shanghai200002,China)
Abstract:Recent deregulati on in the electricity market and the increasing envir on ment concern have accelerated the i m p r ove ment of distributed generati on and energy st orage technol ogy.The combinati on of the large grid and distributed power s ources is quite advantageous in reliability i m p r ove ment,s p inning reserve reducti on,and energy utilizati on. The e merging wind power generati on technol ogies were intr oduced int o the traditi onal power syste m,and the math2 e matic model of the wind turbine was used t o analyze the dyna m ic perfor mance of the wind power generati on syste m as well as its influence on the distributi on syste m.The feasibility of devel op ing wind power is validated,and the direc2 ti on of future study is p r os pected.
Key words:distributed power s ource;power substati on;wind power generati on
1　江苏电网风力资源
江苏省东部沿海地区风能资源丰富,风能比较丰富的地区50m高程年平均风速在6m以上,具有开发风能资源的良好条件。

据估算,江苏省陆上风能资源可开发量约为3000MW。

同时,江苏省拥有近千公里的海岸线,浅海和海上风电场可开发量更大。

从具体情况看,风能丰富区主要位于沿海岛屿地区,年平均风速在5m/s以上,年平均风功率密度在200W/m2以上,年有效风速累计小时数在6000h以上;风能较丰富区主要位于沿海海岸地区,年平均风速在4m/s以上,平均风功率密度在150～200W/m2之间,年有效风速累计小时数超过5000h;风能可利用区主要位于长江口、太湖附近区域、平行海岸线的沿海地区,如赣榆、连云港、灌云、响水、滨海、射阳、大丰、东台、启东以东至海边的沿海地区以及太湖以东地区,此区域年平均风速在3m/s以上,平均风功率密度在50～150W/m2之间,年有效风速累计时数在4000～5000h之间。

根据有效风速累计小时数,江苏全省年有效风速累计小时数大于3000h的区域面积占全省的68.65%,小于2000h的区域面积占全省面积的0.71%,风能资源较为丰富。

江苏省海岸线长954km,沿海滩涂总面积约65.37万hm2,占全国总面积的28%,并以每年1300hm2以上的速度自然增加,滩涂由潮上带(26.01×104h m2)、潮间带(26.68×104hm2)和岸外辐射沙洲(12.67×104h m2)三部分组成,随着滩涂不断淤长和辐射沙洲的部分并陆,及工程技术水平的提高,全省可围面积约可增加6.67×104hm2,开发潜力很大。

沿海滩涂地区蕴藏着巨大的风能资源,是未来风电发展的重点。

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)2008,36(4)
2　风力发电经济性研究
假设,风电场造价成本为9000元/k W,上网电价(并网收购电价)为0.6元/k W(不含税价),运行小时数(风能利用时间)为3000h,上网(并网)损耗为5%,风电场运行费用(年k W收入) 10%,风电场运行年限20年计,即:
1年k W发电收入=(运行时数×上网损耗)×上网电价×运行费用=(3000×5%)×0.6元/k W×10%≈1539元/(年・k W)
投资回收期(年)=风电场造价成本/年k W 发电收入=9000/1539≈6年
目前,全国风电平均上网电价为0.55元/(k W・h),比火电高出60%。

随着大中型风电机组生产的国产化、标准化、批量化,风电成本将大大降低,若政府给予税费优惠政策支持,上网电价可望降至0.42～0.45元/(k W・h)。

小型风力机的容量通常是1MVA左右,相对大型风力发电场而言,它灵活、受自然条件的约束小,因而具有较广泛的应用前景。

3　小型风力发电系统仿真
3.1　风力发电系统的构成
风力机功率输出随风速变化,具有很大的随机性。

由于风力机功率输出跟风速的函数是三次方的关系,所以在低风速时,风力机输出功率将急剧下降。

即是每两倍的风速增加,风力机的功率输出可增加八倍。

在此情况下,发电机发出的电能与电网要求的标准不相适应,必须进行能量变化,才有可能将风力能源送入电网中。

并网运行的风力发电系统一般有以下几种联网方式:风力机启动双速异步发电机与电网并联运行;风力机驱动滑差可调的绕线式异步电动机与电网并联运行;变速风力机驱动双馈异步发电机与电网并联运行;风力机直接驱动低速交流发电机经变频器与电网并联运行;变速风力机经滑差连接器驱动同步发电机与电网并联运行;变速风力机驱动交流发电机经变频器与电网并联运行[1]。

随着电力电子变流技术的进步,先进的同步风力发电常采用交—直—交的接入方式,即先把交流同步电机发出的变频交流变成直流,然后再逆变成工频交流接入电网,风力机可以是水平轴变桨距控制或失速控制的定桨距风力机[2]。

这种发电方式的优点是,发电机转速不必与电网频率要求的转速同步,因而是一种较好的平稳的并网方式。

本文的仿真采用这种风力发电系统。

图1　风力机驱动交流发电机经整流—逆变装置与电网连接图图1中变频器除了用于耦合同步交流发电机转速和电网频率以外,通过控制变频器的电流,可以控制同步发电机的电磁转矩,而控制发电机电磁转矩就可以控制风力机的转速,使之达到最佳运行状态。

风力发电系统的基本控制思想是:在风速低于额定风速时,通过变频器来控制同步发电机的电磁转矩,实现对风力机转速的控制;在风速高于额定风速时,考虑传动系统对变化负荷的承受能力,采用节矩调节的方法将多余能量除去。

4.2　风力机接入系统仿真
通常在含有分布式电源的电力系统仿真中,将它们作为负的负荷考虑。

当分布式电源在电力系统中的渗透水平低时,仿真误差不会太大;但是如果分布式电源的渗透水平较高时,就需要提高分布式电源模型的精度了[325]。

本文基于MAT LAB PS AT工具箱[6],对风力机—无穷大系统进行仿真,电气接线如图2示。

风力机为双馈入异步电机模型,风力机直接驱动低速交流发电机经变频器与电网并联运行。

考虑到交流同步电机的转子和定子磁通动态比系统侧的动态行为要快得多,换流器的控制基本能够将电机和系统解耦。

图2　风力发电系统接入系统仿真图
风力发电机容量为2MVA,电压控制增益K
v =10pu.,时间常数T v=1s;桨距角控制增益K p =10pu.,时间常数T p=3s;有功和无功功率控制时间常数均为0.01s。

额定风速:15m/s,空气
张　芳,等　江苏电网风力发电系统可行性研究57(总445)
密度:1.225kg/m 3
,威布尔分布常数:K =2,C =
4。

在进行潮流计算的时候,将风力电机节点当作P V 节点,系统基准容量为10MVA,潮流计算的结果作为动态仿真的初始值
:
图3　
风力机输出功率
图4　风速曲线
表1　风力发电系统潮流计算结果
母线
电压幅值/pu .电压相角/rad 电机有功功率/pu .电机无功功率
/pu .Bus110.00182
0.18-0.02283Bus2
1
-0.17997
0.01316
所有仿真结果图中,纵轴均为标幺值,系统基
准容量为10MVA 。

通过上述风力发电—无穷大系统详细仿真,可以看出,风力发电的输出功率是相对平稳的,功率峰谷差最大仅为0.02MW 。

考虑到江苏电网目前约40000MW 的负荷水平,以及目前江苏电网的机组构成比例,在地理、气候适宜风力发电的地区大力发展风力发电是可行的,其渗透水平不会影响到电网的稳定运行。

4　结论
风力发电机—无穷大系统中,由于风力发电系统的容量相对整个电力系统而言比较小,其功率波动对整个电力系统的影响不大。

把小型风力机接入电力变电站以后,其自身的调节控制基本
可以满足一般负荷的功率需求,但是,对某些特定的负荷而言,风力发电系统引起的功率波动是不能忍受的,这就需要在接入小型风力发电装置的同时,配备相应容量的储能装置,在风力强的期间,除了通过风力发电机组向用电负荷提供所需的电能以后,将多余的风能转换为其他形式的能量在蓄能装置中储存起来;在风力弱或无风期间,在将蓄能装置中储存的能量释放出来并转换为电能,向用电负荷供电。

这也是目前小型风力机应
用中的主要发展方向[7]。

参考文献:
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张　森,张正亮,等编著.MAT LAB 仿真技术与实例应用教程[M ].北京:机械工业出版社.2004.
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收稿日期:2007212213本文编辑:杨林青。