风力发电与电力市场

书书书风力发电与电力市场雷亚洲1!Gordonlightbody21.爱尔兰国家电网公司爱尔兰2.universityCollegeCorkIreland摘要!在介绍现代风力发电及其控制技术!欧美国家与风电有关的电网导则以及风电在欧洲自由电力市场中的角色的基础上阐述了风力发电遇到的主要问题!技术发展趋势及其在电力市场中的竞争潜力#关键词!电力市场$电网导则$风力发电$电力电子中图分类号!TMG14$TM73收稿日期%2OO4-11-O3$修回日期%2OO5-O1-17#0引言能源供应形式的多样化是降低一个国家能源风险提高能源安全的战略之一风力发电作为到目前为止技术最成熟效率最高的可再生能源受到世界各国的普遍重视虽然装机容量在整个电力市场中所占比例还无法与水火电容量相比但是风力发电已经形成完整的产业链条从风机的制造控制直到风电场并网从学术研究到工业应用风力发电是当今电力系统最为活跃的领域之一[1]2OO4年11月22日～25日在英国伦敦召开的欧洲风电年会暨展览会吸引了42OO多名风能专业人士参加涉及商业技术科学政策等各个领域究其原因就在于风力发电在未来能源领域的重要地位已经成为业界的共识根据欧洲风能协会EWEA和美国风能协会AWEA的统计截至2OO3年底全世界风电装机容量已经达到39294MW其中新装机容量达到8133MW比上年增长2G%预计在下一个2O年内会继续保持两位数的增长势头欧洲和美国继续主导新增的市场份额尽管比上一年93%的比例下降了3个百分点在欧美之外印度遥遥领先于其他国家新增装机达到4O8MW[2]EWEA预计到2O1O年欧洲的风电装机容量将从2OO3年的284OOMW增加到75GW到2O2O年达到18OGW能够满足欧洲半数以上人口的用电需要正如EWEA的首席执行官CorinMillais所说欧洲的石油煤炭天然气不够丰富但是有巨量的风力资源和世界领先的风力发电技术我国的风力资源也很丰富像新疆的达饭城内蒙的辉腾锡勒都是百兆瓦级风电场的优良场址东南沿海也有很多地区具备发展风电的潜力本文将介绍当今主流的风力发电技术和机型结合电力系统运行的需要阐述这些技术的优缺点和未来发展趋势同时还将介绍丹麦德国美国瑞典爱尔兰等国家输电网运行公司TSO针对风电拟定的电网导则并以丹麦和爱尔兰为例介绍风电参与电力市场运作的模式分析其在自由市场环境下的竞争性与发展潜力1风机及控制技术简言之一个风力发电机组包括以下基本模块[3]=风机发电机控制系统模型例如桨矩控制转子电阻或电压控制等如图1所示图l风力发电机组基本模块FiglBasicschemeforawindpowergenerator11定桨矩风机及电容器控制这种风力发电机主要由一个定桨矩的风机一个普通感应式发电机和一组用于无功补偿的并联电容器组成风机和发电机的轴系通过齿轮箱连接在正常运行时通过调整补偿电容器组数维持整个机组的功率因数在O.98～O.99滞后在事故情况下投入全部补偿容量帮助风机及系统渡过故障12桨矩及转子电阻控制一般而言当风速高于额定值时风机桨叶的失速特性将分流一部分过剩功率以防止风机过载但是在风速高到一定程度时分流的功率会过多导致风机运行在额定功率以下从而降低了风机的效率为解决这个间题变桨矩风机根据风速调节桨叶的1第29卷第1O期2OO5年5月25日Vol.29No.1OMay252OO5迎风角度确保在风速高于额定值时风机的出力水平维持在额定值附近从而提高了风机的效率如图2所示变桨矩风机一般采用比例积分型控制器当机械转矩与功率近似成正比大于参考值时增加桨矩角反之减少桨矩角图2卜卜棚分型桨矩控制系统Fig2Picontrolsystemforthewindturbinepitch普通感应发电机只能运行在某一固定滑差与转子电阻值近似相等附近这一特点决定了通过齿轮箱与之直接相连的风机也只能恒速运行根据风机桨叶的空气动力学特性如果转速不变风机只能在某一特定风速下达到最大效率在多数风速下风机只能低效运行为达到变速运行进而提高风机效率的目的可以在转子绕组中串接入一个可控电阻通过电力电子控制设备快速调整该电阻值实现一定程度的变速运行13双馈电机及矢量控制这是一种采用脉宽调制及矢量控制技术的新型风力发电机组也是当前风力发电分析与控制的研究热点之一4～9]与普通感应发电机采用鼠笼式转子不同双馈发电机转子采用绕线式绕组如图3所示矢量控制的实质是通过适当的坐标变换建立转子电流与转矩的简单比例关系通过控制变频器输出的转子电压达到调节转子电流进而控制风机转矩的目的图3双馈发电机基本结构Fig3Basicschemeforthedoubly!fedinductiongenerator这种发电机不但定子绕组与电网有电气连接转子绕组也通过变频器一般由转子侧逆变器~直流电容及电网侧逆变器组成与电网相连当风速较低时风机必须运行在低于同步速的状态才能达到较高效率为维持发电机机械转矩与电磁转矩的平衡转子绕组从电网吸收一定数量的功率再通过定子绕组送回电网当风速较高时风机需要运行在高于同步速的状态才能达到较高效率在这种情况下一部分功率直接通过转子绕组送入电网当风机运行在同步速时如果忽略损耗转子绕组上的通过功率为O风力发电机组与电网的全部功率交换都通过定子绕组完成额定状态下通过转子绕组及变频器的功率占全部功率的2O%左右因此所需变频器容量也较小有效降低了风机造价14同步发电机与普通同步发电机不同这种发电机将变速运行并通过功率变频器与电网间接相连以防止风电功率波动对主电网的电能质量造成不良影响1O]与双馈电机相比这种电机需要配备1OO%容量的变频器因此造价较高损耗也比较大如图4所示相比于双馈电机这种机型的市场潜力在目前看来还不大除非电网对风电场有相当严格的要求或者大型变频器的价格显著下降图4变速同步风力发电机Fig4Variable!speedsynchronousgeneratorwindturbine总而言之风力发电在技术水平~性能价格比以及装机容量等方面都取得了长足的进步1112]从采用丹麦概念即恒速的感应电机发展到采用变速恒频的双馈电机风力发电在电能质量~效率~无功控制等关键技术领域都取得了突破已经具备向电力系统提供一定程度辅助服务的能力双馈发电机~同步发电机进入风电市场是大势所趋2风电场并网的特点及电网导则2.1并网特点小型风电场并网主要可能会导致局部地区的电能质量下降如谐波~闪变~电压和无功管理难度增加等间题解决这些间题有2个途径:①风机及其控制技术的提高如第1节所述②局部网络的加强适当配置无功补偿或者电压调节设备从潮流和稳定分析的角度讲风电对电网的冲击与同等规模的波动负荷区别不大风电造成的功率波动完全可以被整个系统的惯性及负荷跟踪能力平衡大中型风力发电场5OMW及以上与小型风电不同这种规模的发电场一般直接接入输电网在这种情况22OO5291O下电网对风电的要求已经从电能质量进一步发展到暂态稳定~事故后自动恢复~调频调压~直接调度等能力0尤其是最近美加东部大停电事故[13I瑞典1丹麦互联系统[14I以及意大利电网[15I等事故给各国电网公司敲响了警钟0现代风力发电技术与电力电子技术相结合电能质量显著改善可控性和可靠性也不断提高尤其是在事故情况下不脱网并且能够向主系统提供必需的电压和功率支持0风电技术的不断发展不但为风电场参与整个电网的集中调度与控制提供了基础[1GI也为相关导则的实施提供了现实基础对于维持风电在电力市场环境中的竞争力非常重要它意味着风电场无需从第三方购买辅助服务即可满足新的电网导则的要求[17I0电网导则的引入有利于引导风力发电技术朝着系统友好和统一技术标准的方向发展从根本上提高风电并网以后整个系统的安全可靠性最大限度降低因风电并网增加的系统运行和维护成本022相关电网导则丹麦东部电力系统TSO111Elkraft和西部电力系统TSO111Eltra[18I德国5个TSO之一111EonNetz[19I爱尔兰TSO111ESBNG[2OI以及苏格兰输配电和苏格兰水利电力公司[21I等都针对风电并网制定了相关导则0这些导则归纳起来包括以下几个方面01)有功功率控制:要求风电场的出力变化速度(细分为爬坡/下降速率)低于一定限值3在极限风速条件下一个风电场内的风机不可以同时退出运行以确保其他常规机组有足够的反应时间抬取负荷0对不同容量的风电场其标准也各不相同02)频率调节:由于风速的不可控性这些导则都要求风电场的实际出力水平要在当时风速条件下可出力水平基础上下调一定的百分点以保证在系统频率偏低的情况下风电场具备一定的有功备用参与一次调频0在频率偏高的情况下通过切机实现风电场参与二次调频03)电压控制:对风电场的无功补偿~电压波动/闪变/谐波~变压器分接头的调节提出明确要求以确保风电场母线电压稳定在一定范围内电能质量合格04)保护配置及整定:只要系统电压~频率的偏离没有超出一定范围确保风电场在线运行以便向系统提供有力支持帮助系统在事故后尽快恢复稳定运行05)风电建模及验证:要求建立准确的风电场/机模型用于电力系统动态仿真分析并与实际测量结果相验证0G)通信能力:要求风电场能够向调度中卜实时传送气象数据如风速~风向~气温~气压~母线电压~有功功率及无功功率等信息同时能够实时接收来自调度中卜的指令0AWEA就风电场并网标准向联邦能源管理委员会(FERC)提交建议草案[22I主要包括以下内容01)低压度过能力:在系统发生事故电压水平降低的情况下风电场仍然能够在线运行确保系统的完整性和稳定性0AWEA建议采用新的欧洲标准以便允许较高的风电穿透功率水平02)电压控制/无功补偿:AWEA建议对风电场采用FERC提出的普遍电压标准以确保输电系统的可靠性但是不必严格要求对系统没有直接影响的每一台风机03)通信及控制:AWEA建议安装SCADA系统以便于风电场与TSO之间的通信协调和远程控制的实现0AWEA同时建议TSO和风机制造商积极开发~维护并不断改进风机的工程实用模型进行风机并网的可行性研究0需要指出的是这些TSO在引入导则时再三强调随着风电实际运行经验的不断积累和对风电认识的深入会及时对有关条款作出适当修改以期满足不断增加的风电并网需要从电网运行的角度促进风电的发展03电力市场中风力发电的竞争与发展潜力目前国际风电界言必称丹麦~德国但是就风电在整个电力市场中的比重而言爱尔兰的情况恐怕比其他欧洲国家更具代表性和典型意义0在3年～5年内爱尔兰电网的风电比例将是欧洲所有国家中最高的[23I0为此有必要介绍一下欧洲主要电网的概况及风电并网现状0uCTE是欧洲最大的互联电网包括德国~法国~意大利等2O多个国家电网容量在55OGW左右0位居第2的是斯堪的纳维亚的北欧电网Nordel包括丹麦~瑞典~挪威~芬兰~冰岛等国电网容量在83GW左右0丹麦西部电网Eltra集中了全国大部分风电其北部经一条容量为17OOMW的直流输电线与斯堪的纳维亚电网相联南部经2条4OOkV~2条22OkV和1条15OkV交流输电线与uCTE电网同步相联总容量达135OMW0因此虽然丹麦25%左右的电力来自风电但这只是政治地理概念与电力系统分析毫不相干0事实上风电(包括丹麦在内)在Nordel系统中的比例仅3特约专稿雷亚洲等风力发电与电力市场为1.2%左右在uCTE系统中的比例也只有4%左右24Eltra公司就承认与欧洲其他大型电网的紧密连接是保证丹麦西部电网在如此高的风电穿透功率下能够正常运行的决定因素北欧电力市场采用的是实时Spot电力市场模式Eltra作为丹麦西部系统的TSO和电力市场协调员负责整个电网的安全电力平衡输电及系统服务定价等在丹麦联合供热发电C~P由于燃料利用效率高和污染小的优点和风能一样是丹麦政府大力支持发展的发电方式根据法律规定Eltra要保证这些电厂优先发电并负责购买其所发电力价格核算的基本原则是风机并网低于1O年的为O.33丹麦克朗kWh并网时间超过1O年的按实时电价结算此外在一定kWh配额内每kWh给予O.27丹麦克朗的补贴超过规定配额发电量每kWh给予O.1O丹麦克朗的补贴对并网