新能源发电及并网技术

世界化石能源结构
天然气 20%
煤炭 60%
石油 20%
石油 煤炭 天然气
中国化石能源结构
煤炭 91%
天然气 4%
石油
石油
煤炭
5%
天然气
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我国电源装机及发电情况
电源
煤电 水电 核电 风电
2009
装机容量
电量
(GW) 652 197 9.1 26
(%) 75% 23% 1.0% 3.0%
(TWh) 2987 513
由于风电出力快速增 长，导致白城电网同发 风电场母线电压最低下 降到213kV，并大幅波 动。
kV
235
230
225
220
215
210
7:40
7:45
7:50
7:55
8:00
8:05
时间
8:10
8:15
8:20
8:25
白城变220kVII母线电压幅值(ab) 镇赉变220kV主母线电压幅值(ab) 同发风场220kV东母线电压幅值(ab)
为求风电技术创新，一批国家高等研究单位如中国科学院、中国电 科院，学府如清华大学，华北电力大学等和各大型企业的研发机构对风 电技术包括理论研究和风电机组气动、结构、传动、控制、材料以及风 电场的并网特性等方面，开始进行全面深入研究，以期有所大突破；
顺应风电发展的需求，我国已水规院、电规院， 东北、华北西北、 华东、中南以及各省级国家大型有关电力的设计咨询机构全面进军风电 设计领域，承担风电场设计的重大任务；
风力发电系统的基本结构和工作原理
离网型
并网型
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1. 风力发电的基本原理及结构
恒速恒频风力发电系统
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1. 风力发电的基本原理及结构
变速恒频风力发电系统
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1. 风力发电的基本原理及结构
变速恒频风力发电系统
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G128-4.5MW 半直驱
2019年底Gamesa 在西班牙 Cabezo Negro安装了半直驱的G128--4.5MW风电机组 .风轮直径 128米，机头重量250吨
功率（MW）
10000
8000
6000
负荷曲线
4000 风电出力曲线 2000
等效负荷曲线
0 0 8 16 24 32 40 48 56 64 72 80 88 96 104112120128136144 时间（h）
增加旋转备用容量带来不利影响
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（2）电压控制问题 我国风电接入地区大多处于电网末端，风电功率的大幅度变化，导 致电网运行电压调整十分困难，影响系统电压稳定。
吉林西部
蒙西
江苏沿海
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七大风电基地2020年的风电装机将达到1.3亿千瓦，2030年将达
到1.9亿千瓦。此外，山东也提出规划建设沿海千万千瓦级风电基地
（已获批）。
4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000
500 0
3988 2191
甘肃
2020年
2030年 3199 3199
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建筑物安装
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不同位置发电效率
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逆变器
与此同时，风电行业的学术组织、协会组织，信息、中介、认证、 试验以及专业运行、维修等风电服务机构也相继建立并发挥越来越重要 的作用。
P50
风电机组及风电场并网测试
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Wind power plant performance – solutions 风电场的性能——解决方案
Power quality 电能质量 Fault ride-through * 故障穿越 Reactive power range 无功功率范围 Voltage stability 电压稳定性 Fast voltage control 快速电压控制 Transient stability 暂态稳定性 Power ramp rate 功率变化率 Power derating 降负荷 Frequency support 频率支持 Inertial response ** 惯性响应 Power system damping 电力系统阻尼
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千万千瓦级风电基地跨区域输电方案
P30
3、风力发电并网中的关键技术问题
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大规模风电接入电网的影响
对调峰调频 能力的影响
风电对电网 的影响
对无功功率 平衡与电压 水平的影响
对稳定性 的影响
对电能质量 的影响
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风电并网存在的相关问题
1、并网运行问题 （1）调峰问题 风电出力具有随机性、间歇性，反调
新能源发电及并网技术
Technology of New Energy and Paralleling operation
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1 风力发电及并网技术
2 光伏发电及并网技术
3
直流输电技术介绍
4
核电技术简单介绍
P2
风力发电及并网技 术
1 风力发电的基本原理及结构 2 现代风力发电技术的发展概述 3 风力发电并网中的关键技术 4 未来风电技术发展的展望
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固定式
太阳高 度角和 方位角 不变
P67
双轴太阳能追日系统
太阳电池组件 始终垂直太阳 光线，与固定 式相比可提高 40%发电量
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平单轴太阳能追日系统
Hale Waihona Puke 太阳电池组件 始终垂直太阳 高度角，与固 式式相比可提 高25%发电量 适用于赤道 地区
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斜单轴太阳能追日系统
太阳电池组件 始终垂直太阳 方位角，与固 定式相比可提 高25%的发电 量
Firm capacity 稳定可靠容量
Planned 计划中
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风电机组及风电场并网测试 1、 《山东电网风电调度管理规定》（试行）
2、 《山东电网新建风电场并网验收流程》 3、《山东电网风电场并网验收测试规程》（试行）
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光伏发电及并网技 术
1 光伏发电原理及基本知识 2 国内外光伏发电的发展概况 3 未来光伏发电技术的发展前景
风电穿透功率5%-10%，明显感受到风电出力对发电计划的影响， 此时可配置风电调度日前计划系统
风电穿透功率10-15%，可能出现限风电现象，此时可配置日内滚 动计划系统
风电穿透功率超过15%，将对调度运行产生极大压力，应具备完整 的风电调度支持系统
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预测系统结构
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短期预测
预测时间尺度：0-48小时，时间分辨率：15分钟 主要用于：合理安排常规机组发电计划，解决电网调峰问题。
70 26
(%) 82% 14% 1.9% 0.7%
合计
874
100%
3664
100%
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1、风力发电的基本原理及结构
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1. 风力发电的基本原理及结构
1.1 风力发电机组的基本原理及结构
工作原理
风以一定的速度和攻角流 过桨叶，使风轮获得旋转 力矩而转动，风轮通过主 轴联接齿轮箱，经齿轮箱 增速后带动发电机发电
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1、光伏发电原理及基本知识
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太阳能电池光伏效应
光生伏特效应简称光伏效应，指光照使pn结产生电位差的现象。
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太阳能应用： 光伏 光热 光热发电
Wp（峰瓦）：指太阳电池组件，在标准测试条件 下 （ 1000W/m2 的 太 阳 光 照 射 、 AM1.5 、 25℃ ）的额定最大输出功率。
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光伏电池的I-V曲线
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辐照度：太阳光在单位面积上照射的能量。MJ/M2 转换效率：把太阳能转化为电能的百分比。单晶
18%，多晶16%，薄膜6% 倾角：与地面夹角 峰值日照时数:太阳辐射能量的有效时间段 平均日照天数：每年太阳辐射能量的有效天数
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峰值日照时数
P60
例如： 年太阳辐射总量约5103MJ/平方米，可换算出每天平均峰值 日照时间为4.52h，平均日照天数约308天。1Wp年可发电 量为4.52*308=1.39kWh，7MWp光伏电站年发电量约975 万度电。
大安变220kV主母线电压幅值(ab) 洮南变220kV主母线电压幅值(ab) 长山电厂220kV北母线电压幅值(ab)
P35
（3）安全稳定问题 风电大规模并网后，电网稳定运行的风险增加。
系统潮流多变，断面运行控制困难； 系统惯量下降，动态稳定水平降低； 故障后风电无法重新建立机端电压，导致电压失稳； 风电机组没有低电压穿越能力，在系统扰动造成电压的瞬
41
P41
超短期预测
预测时间尺度：0-4小时、15分钟滚动预测，时间分辨 率：15分钟 主要用于：实时调度，解决电网调频问题。
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我国当前新能源接入系统技术上存在的主要问题:
由于电源结构而导致的调峰能力问题。 电网资源配置能力难以满足千万千瓦风电基地远距离电力外送问题。 风电机组并网电气性能问题。 新能源发电功率预测及调度决策支撑系统问题。 技术标准与检测认证体系问题。 配电网建设适应新能源发电分布式接入问题。
间跌落时，风机自行脱网对系统造成冲击。
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（4）电能质量问题 风电出力的随机波动会引起电压波动和闪变，风机中的电力电 子设备会给电网带来一定的谐波污染，导致电能质量下降。 风电场多次发生电压波动和电压闪变超标现象。 风电场出力大幅波动，引起附近35千伏母线电压越限。
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风电穿透功率小于5%时，风电对电网调度的影响不明显，此时可 配置风电功率预测系统及资源实时监测系统
传动系统采用紧凑型设计，包含主轴（双轴承）、两级齿轮箱(1:37)和永磁同步 发电机；
多变量控制系统：减少叶片振动和载荷。
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2、现代风力发电技术的发展概述
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我国陆地10米高度年平均风功率密度分布图（W/m2）
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我国电能输送流向图
根据相关统计结果： 2019年，全国共核准风电场199个，装机容量1167万千瓦；其 中装机容量为4.95万千瓦的风电场139个，占70%，装机容量688 万千瓦，占60%。
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千万千瓦级风电基地规划 10 GW size Wind Power Base Planning
新疆哈密
甘肃酒泉
河北
蒙东
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中国的能源状况
中国是一个能源资源相对贫乏的国家，人均占有能源资源仅相当于世 界平均数的一半。
主要化石资源占世界资源的比例和排名
煤
11.6%
石油
1.7%
天然气
1.0%
第3位 第11位 第18位
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中国的能源状况
我国化石能源的结构：石油、天然气资源数量明显低于世界 平均水平,资源构成以劣质能源为主。
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4、未来风电技术发展的展望
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风电发展规划问题
（1）风电发展缺乏系统整体规划。风电发展目标十分宏伟，但对风 电与其它电源、风电与电网的协调发展问题研究不够，有待结合电力 系统的整体规划，进行深入研究。
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风电发展规划问题
（2）目前规定5万千瓦以下的风电场由地方政府审批，由此带来风 电项目拆批现象严重
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1. 风力发电的基本原理及结构
1.2 风力机的类型
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1. 风力发电的基本原理及结构
1.2 风力机的类型
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1. 风力发电的基本原理及结构
风力机基础理论
贝茨（Betz）理论
假定风轮是理想的，没 有轮毂，叶片无穷多， 并且对通过风轮的气流 没有阻力。纯粹的能量 转换器。 根据该理论可 以计算风轮获取的风能 和功率。
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中国的五类区域： 1、西藏新疆 2、西北东北华北西南部分（包括东营滨州） 3、华东中南（山东大部） 4、华南 5、四川重庆贵州 跟：辐照度、峰值日照时数、平均日照天数有关
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太阳电池和太阳电池组件
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组件结构
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电池结构
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支架种类： 固定式
平单轴
单轴跟踪
跟踪式
斜单轴
双轴跟踪
节特性明显，增加系统调峰难度。
负荷曲线
8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000
负荷曲线 风电功率曲线 等效负荷曲线
0 8 16 24 32 40 48 56 64 72 80 88 96 104112120128136144 时间（h）
风电出力曲线
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功率（MW）
2080 1080
1813 1413
新疆
河北
蒙西
单位：万千瓦
2735
2729
2081
2132
蒙东
吉林
2218 1075
江苏
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优势： •风能资源稳定丰富 •不占用土地空间
技术难题： •海上风资源评估，气象参数难测定 •海上风电机组设计注重可靠性 •海上风电送出问题 •海上风电面临台风危害
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风电技术研究、设计咨询和服务业相继发展
叶素理论
把叶片分割成无限多个 微元，每个微元都是叶 片的一部分，每个微元 的长度无限小。用于分 析微元的空气动力学特 征。
动量理论
应用该理论去研究风力 发电机组各部件的运动 规律及运动状态的理论。
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1. 风力发电的基本原理及结构
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1. 风力发电的基本原理及结构
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1. 风力发电的基本原理及结构