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主题：【原创】电力系统漫谈（六）新能源（1）风力发电 -- 乃力
家园 【原创】电力系统漫谈（六）新能源（1）风力发电 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。
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。
图2 美国风力发电装机容量（截止2007年）
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。
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：
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。
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。
本帖一共被 1 帖 引用 (帖内工具实现)家园 吐槽：风力发电对风景的破坏太大，仅烟台长岛和京北坝上草原 就弄得快没地儿举相机了，到处都是风机。
家园 建风电和太阳能确实应该考虑环境因素 不能因为风和太阳能是替代能源又是清洁能源，就放任开发反而导致环境破坏。不过更多的时候考虑的是生态影响，而不是视觉。
美国有很多沙漠地带的太阳能项目被拒，就是因为对沙漠动植物的影响，比如沙漠龟什么的。
风能则主要是威胁鸟类的生存。比如不能建在候鸟迁徙的线路上。最近听到一个风电项目的故事，比较有意思。在某山区，地面有很多农场，养羊养牛什么的。该项目在这农牧地带的南面，再往南，是一大片某类猛禽的栖息地。这些猛禽经常袭击北方地面上的牲畜。经测试，发现猛禽俯冲时会撞上风车而殒命。项目审批搞了很久了，目前还没有通过。项目开发方比较上火，情急之下提出的一个解决方案是在风场南面放牛，或者干脆定期投放一些生肉。
家园 如果美学和生存需要不符合，必须修改美学 家园 比太阳能好看多了，风机好歹还形似古代风车
家园 【原创】能否制造风力发电机车 我是科盲，不懂 风力发电。但我有一个想法，就是能否把风力发电设备安装在火车的车底上，制造成风力发电机车，由火车头牵引多个发电机车发电。由于车速很快，就等于创造了风力发电场。可以节约场地，能够修建铁路的地方都可以修建风力发电场。这样也好解决并网输电问题，岂不是利国利民之举。请董行的河友给以科普一下。
家园 这句话不太明白 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。
- 复 这句话不太明白
家园 可能是我没说明白 应该先明确这里说的暂态稳定的含义。它是指由于作用在同步发电机转轴上的力矩不平衡导致的系统内同步发电机转子角失去同步。
当前风力发电的主流技术是通过AC/DC转换接入系统，其旋转部件和系统是隔离的，从这个角度看对暂态失稳没有直接影响。但是，影响是有的。主要是在一些故障条件下，风力发电自身运行状态改变，如发电和电压等，最终会反映到作用在同步发电机转子上的电气转矩，从而影响其力矩平衡。
