主题:【原创】电力系统漫谈(六)新能源(1)风力发电 -- 乃力
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家园 【原创】电力系统漫谈(六)新能源(1)风力发电

乃力:电力系统漫谈 (一) 引子

乃力:电力系统漫谈(五)大停电(1)一棵树引发的事故

新能源,可再生能源这两个词现在用得有些乱,经常混着用。实际上,不是完全一样。比如说,现在应用最多也是最重要的可再生能源是我们的老朋友,水电。没人会把水电算做新能源。那么,新能源都是可再生的吗?好象是,但也说不定。我这里就不细区分了,大体上要介绍的就是大家都熟悉的两种,风和太阳,再加上一个电池。都是既属于新能源,也属于可再生能源。更重要的,从对电网运行调度的影响来看,它们都跟传统的水电火电不一样,属于间歇性能源(Intermittent )。接触这几种新能源发电,大概还是去年这个时候,主要琢磨的是它们对电网运行的影响,顺便了解了一下各自工作的过程。

其实,提到新能源和可再生能源,还有一个比较重要的:地热。请参考马鹿:【科普】地热发电。在传统的电网运行调度中,对地热的处理可以采取与对水电类似的方法。不过因为地热发电整体规模小,实际上并没有真正做水火电协调调度。在电力市场里,根据市场规则的不同,可能对地热和水电的调度方式也不一样,有可能又倾向于和风力、太阳能发电类似了。这个说来话长,暂且按下不表。先说说风力发电。

关于风力发电,网上的资料太多了,看不过来。下面是一些从网上找到的关于风力发电的图片和图表,从不同的侧面给大家一个直观的印象。

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图1 风力发电机内部构造

其中最重要的是发电机(Generator)和控制器(Controller)。它们决定了风力发电接入电网的方式和对电网运行的影响。后面再详细谈。

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图2 美国风力发电装机容量(截止2007年)

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图3 风力发电机生产厂商在美国的市场份额

在2007年美国风力发电新增容量占总新增发电容量的36%。GE在风力发设备电市场上占优势地位,但已经从前几年的统治地位跌落下来。主要原因是市场太大,GE自己产量不足,只好眼看着份额被别人吃掉。

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图4 风力发电机的尺寸

这里说的都算是比较大的风力发电机了。实际上,还有很多小风电,在100kW以下的,尺寸也小很多。主要应用在偏远地区的居民和农场。现在电力系统里最常用的是1.5MW到3.5MW这么大的风力发电。

风力发电的占地面积也是很可观的,建一个100MW的风力发电场,可能需要3000英亩以上的土地(1英亩约等于4046平方米),好在风力资源丰富的地方,土地价格一般都不是太贵。但是2007年的统计数据显示,风力发电的总体安装(主要包括发电设备和接入系统的变电站设备等)成本还是很高,100MW的容量需要的费用大约在1.2亿到2.6亿美元之间。最终的实际投资有可能会更高,因为往往需要为风力发电额外地加固电网,这部分钱可能比发电场本身更多。但一般这两部分投资是分开算的。

风力发电的价格主要受两个因素的影响,一个是安装成本,一个是容量系数(大概相当于利用小时数,但风力发电和火力发电又不太一样,受自然条件影响更大些)。现在看,近期的趋势是安装成本上升,容量系数也上升,所以风力发电价格变化不大。有统计显示,风力发电平均趸售价格比整体平均趸售电价还是低一些。我也不知道这个是怎么核算的,但美国政府对风力发电的税收政策肯定起到了关键作用。

宏观的说完了,下面就该说说跟电力系统直接相关的了。讲电力系统没什么别的好办法,绕不过去的是还是模型(不是实物模型)。

现在常用的风力发电有四种不同的方式。按开始应用的时间顺序,前三种都是异步发电方式,分别是感应电动机发电(类型1)、Wound Rotor (中文不知道怎么说)Induction Motor(类型2)、Doubly-fed(中文还是不知道怎么说) Induction Motor(类型3)。最近开始出现的是采用同步发电机的风力发电(类型4),但是,这个“同步”并不是和电网频率同步,只是说其发电机的工作方式是和其他同步发电机一样的。这四种风力发电机接入系统的方式是这样的:

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图5 风力发电机的类型

类型1和类型2一样,都是直接介入系统。二者的区别是类型2发电机转子的转速是可以控制的。这两类风力发电机实质上是电动机,具有和电动机一样的功率特性,都从系统吸收无功功率。因此都需要在发电机出口安装无功补偿装置。类型3是比较新的设计,大概两年前开始应用的。从图中看到,有一部分功率通过AC/DC转换送到电网。关键是这个转换设备可以向系统提供无功,所以生产厂家不推荐在发电机出口安装无功补偿设备。但是,类型3的发电机本身仍然是传统的异步电动机结构,其输出无功功率的能力也不象传统发电机那么强。到了类型4就不一样了,变成了同步发电机的结构,但因为频率和系统频率不同,所以还是需要AC/DC转换。类型4号称可以向系统提供更多的无功支持。类型3和类型4目前还没有实际运行记录,预计未来2年会有很多。

下面是风力发电场的接线示意图。很多个风力发电机先连入Collector System(不知道是否可以翻译成汇集系统),然后再统一接入输电系统。这个汇集系统一般是34.5kV的架空线或地下电缆,是个很大的无功负荷,所以一般需要在汇集站安装无功补偿。

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图6 风力发电场系统

风力发电对电力系统运行的影响包括两个方面主要:一个是系统稳态运行时由于风的变化会引起系统功率平衡的变化,进而影响系统频率;另一个是在系统有故障或故障后,风力发电机的电动机特性和自带的无功设备对系统电压稳定的影响。总体上看,这些取决于风力发电占系统总发电量的比例。另外一个次要的影响是谐波。但由于风力发电场一般远离负荷,这个影响往往被忽略不计。因为风力发电不是同步接入系统,所以对系统的暂态稳定没有直接影响。

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