1、风电场选址与并网技术分析大学学位论文2013届 分 类 号：TK89 单位代码：10452 毕业论文（设计）风电场选址与并网技术分析姓 名 于文娟 学 号 200909140505 年 级 2009 专 业 电气工程及其自动化 系（院） 汽车学院 指导教师 周海玲 2013年 3月 19日摘 要论文基于对风电场场址选择的意义、影响因素、基本原则和选址步骤的初步探讨,阐明风电场场址选择中应注意的问题及遵循的原则。阐述了大规模风电并网后对电力系统稳定性、电能质量、电网频率等方面的影响，提出改善风电并网影响的措施。结合仝家河风电场的实例，对风电场选址和并网进行了分析。关键词：风电场；选址；并网 Ab
2、stractBased on wind farm site selection of the meaning, influence factors, basic principles and steps of the preliminary discussion to clarify the location, should pay attention to wind farm site selection problems and principles. The integration of large-scale wind power on the power system stabili
3、ty, power quality, power grid frequency effects, is proposed to improve the impact of wind power integration measures. Combined with the example of Tongjia River wind farm, the location of wind farms and grid are analyzed.Keywords: The wind farm; site selection; parallel in目录引 言 11风电场场址选择 11.1 风电场宏观
4、选址 11.1.1风能资源 11.1.2联网条件 11.1.3交通运输和土地利用 11.1.4地质条件和地形条件 21.1.5其他因素 21.2风电场微观选址 21.2.1风资源评估 21.2.2 风机排布 21.3风电场场址选择实例 31.3.1宏观选址分析 31.3.2微观选址分析 52风电并网 72.1风能发电的主要特点 72.2风电并网对电力系统的影响 82.2.1对系统稳定性的影响 82.2.3对电能质量的影响 92.3改善风电并网影响的措施 92.3.1无功功率补偿措施 92.3.2合理确定风电场并网电压等级 92.3.3加强管理提高控制水平 92.3.4加强技术研究提高预测精度
5、92.4风电场并网实例 102.4.1接入系统方案 102.4.2低电压穿越要求 122.4.3电能质量监测 132.4.4风功率预测系统 152.4.5无功功率补偿 153结语 16参考文献 17致 谢 18引 言随着全球能源危机的逐步凸显，世界各国把推动可再生能源的发展作为21世纪能源发展的基本战略。在各类可再生能源中，风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。风力发电技术最为成熟、最具商业化和规模化发展前景，近些年来发展极为迅速。风电场选址和并网是风电场设计中的关键问题，其中涉及许多技术和经济因素。对于特定的场点特别是并网运行的大型风电场来讲选择最佳地点以最大限度地利用风能
6、和产生最好的经济效益是风电场设计中首要解决的关键问题1。我国风力发电建设逐步进入了快速发展的时期，大规模的风力发电必须要实现并网运行。风电场接入电力系统的分析是风电场规划设计和运行中不可缺少的内容，是风力发电技术重要的组成部分。1风电场场址选择风电场选址一般可分为宏观选址和微观选址两个阶段。下面主要从这两方面对风电场选址进行综合分析。1.1 风电场宏观选址风电场宏观选址过程是对一个较大地区的气象条件、风能、电网、交通、地质、周围环境等多种因素和条件进行综合考察后，选择出一个资源丰富、且最有利用价值的小区域的过程2。1.1.1风能资源 建设风电场最基本的条件是要有能量丰富、风向稳定的风能资源，选
7、择风电场场址时应尽量选择风能资源丰富的区域。根据我国风能情况，一般规定有效风速范围为325m/s，将风能丰富区规定为10m高度年平均风速在6m/s以上3，50m高度年平均风功率密度大于200W/m2，年有效风速小时数大于5000h。主导风向频率在30%以上为比较稳定 4。1.1.2联网条件 影响并网风电场最大安装容量的因素包括系统网架结构、常规机组的旋转备用水平、系统常规机组的优化调度、负荷特性、机组的类型和分布及风电场的无功补偿状况等。风电场场址选择时，应尽量靠近合适电压等级的变电站或电网以减少线损，并网点短路容量应足够大5。1.1.3交通运输和土地利用 交通运输条件应满足风电机组、工机械和
8、其它设备、设施材料的进场要求，在满足条件的情况下尽量利用现有公路，减少建设道路的费用。尽量使用未利用土地，少占或不占耕地。尽量避开政府部门依法批准的需要特殊保护的区域。1.1.4地质条件和地形条件 选址时，应避开地震带和水文地质情况复杂的地区。对地貌分析可利用1：5000地形图和卫星观测图，判别并尽量选择具有较高平均风速的地形地貌如高原、山峰等，尽量避开较低平均风速的地形地貌如盆地和森林等粗糙度较大的区域6。主风向上要求尽可能开阔、宽敞，障碍物尽量少、粗糙度低，对风速影响小。应选择地形比较简单的场址，利于大规模开发以及设备的运输、安装和管理。风电机组基础持力层的岩层应厚度较大、变化较小、土质均
9、匀，承载力能满足风电机组基础的要求。1.1.5其他因素结合国家风电发展规划和各项环保要求，在西北、华北、东北和东南沿海大规模开发风电。风电场选址时，与居民区保持适当距离以减小噪音污染，国家有关规范要求风电机组距居民区的最小距离应使居民区的噪声小于45db；避开自然保护区等区域；同时考虑各类极端气象条件的影响。1.2风电场微观选址风电场微观选址是在宏观选址选定的小区域中确定风力发电机组的分布位置，确定每台风机的位置，使整个风电场获得最大年发电量，并尽可能降低施工成本，以便使整个风电场具有更好的经济效益的过程7。风电场微观选址是风电场设计阶段的重要工作，它涉及的因素较多，主要有风电场土地的性质、周
10、围村庄和建筑物的分布、当地环境部门的要求等。在充分考虑这些限制因素的情况下，结合风电场风资源分布图进行优化选址，在初步选址之后进行现场勘探定点，确定并最终布局。1.2.1风资源评估 风资源评估需要对现场实测数据进行处理和修正，并计算平均风速、空气密度、有效风能密度、风速的频率分布、风速持续时间分布、风能玫瑰等风资源数据8。目前国内通用的风能资源评估软件是WasP。1.2.2 风机排布掌握风电场风能资源的分布后，进行风机的排布。在平坦地形区域对风能方向集中、主次风能方向基本呈180的风电场，按照8倍和5倍的原则进行风机的排布，即风机的间距取叶轮直径的5倍，风机的排距取叶轮直径的8倍，风机的排布与
11、主风能方向垂直，且风机前后错开，呈梅花状排布；对于风向较分散、主风能方向不明显的风电场，一般按10倍7倍原则进行风机布置。根据优化结果进行现场踏勘，对风机位置进行微调，使布置每台风机的机位都具有较好的施工条件。对于风能资源好、施工难度较大的机位应进行经济分析和计算，以确定该机位的取舍。根据风电场的上网电价，确定风电场单台风机的最低发电量，对于发电量低于该数值的风机位置，应进行调整。1.3风电场场址选择实例 以仝家河风电场工程为例 ，对风电场选址进行分析。1.3.1宏观选址分析（1）风力资源。仝家河风电场采用的测风塔塔高80m，分别在80m（两套风速仪）、70m、50m、30m、10m高度各安装
12、了一个风速仪，并在80m、70m、10m高度各安装了一个风向仪。风电场测风塔仪器配置表项目海拔高度测风塔坐标安装时间测风塔2mN：375159.3 E：11827.82007.8由实测风数据得测风塔10m高度实测平均风速3.7m/s，相应风功率密度为78.7W/m2；30m高度实测平均风速5.0m/s，相应风功率密度为141.7W/m2；50m高度实测平均风速5.6m/s，相应风功率密度为195.5W/m2；70m高度实测平均风速6.0m/s，相应风功率密度为241.0W/m2；80m高度实测平均风速6.2m/s，相应风功率密度为264.5W/m2。测风塔实测逐月平均风速统计表 单位：m/s月
13、份80m70m50m30m10m16.15.95.54.93.525.55.45.14.63.337.47.26.75.94.547.67.36.96.14.957.16.96.55.84.766.25.95.64.93.9754.84.642.984.44.343.52.594.84.74.33.82.7106.365.54.93.3116.86.55.95.13.5127.87.576.24.6年平均6.265.653.7实测年逐月风功率密度表 单位：W/m2月份80m70m50m30m10m1234.7216.2168.6119.461.82201.0189.2159.7122.369.
14、03404.8366.6292.4211.7124.644523416.8350.3272.7179.75333.1303.2253.6190.6118.66208.8185.6157.7111.363.07118.8107.488.559.027.3891.284.766.146.421.09156.4143.6116.283.039.210231.2206.1159.8108.145.211297.4267.6204.0135.861.512444.4405.0329.2239.6133.7年平均264.5241.0195.5141.778.7（2）工程地质。风电场场址位于滨州市无棣县境内
15、，本区在大地构造上位于华北地台区之华北平原坳陷区的济阳坳陷区，在新构造单元上位于鲁西鲁北沉降平原区的次级构造单元东明渤海强烈沉降平原区。近场区内发育一系列的近东西向、北东东向和北北东向断裂，规模较大的断裂有羊二庄断裂、埕子口断裂、黄骅断裂和庆云断裂。图1 区域地质构造图区域范围内虽然有断裂构造发育，但近场区范围内无全新活动断裂和发震构造分布。根据对场地所处区域的断裂活动、地震活动、新构造运动等综合分析认为，拟选场地处于相对稳定区，适宜工程建设。（3）交通运输和施工条件。仝家河风电场工程场址距荣乌高速、长深高速约20km，距320省道、237省道不足5km，另外场区西、南、北三侧有多条县乡道路，
16、满足风电场施工期间的交通要求。施工用水、生活用水、消防用水可考虑从附近赛尔水库引接，并可作为升压站运行后的生产、生活用水。供水距离35km。施工用电可以从附近的配电网架引接至工地。1.3.2微观选址分析风电场风力机组的布置及每台风电机组发电量的计算，主要用Wasp10计算软件完成。影响该软件计算成果的有：粗糙度、障碍物的大小；地形文件数字化、复杂地形处理的精度；风电机组功率曲线、推力系数的准确性；机组的排布等因素。根据110000的地形图布置风电机组，绘出塔位的相对坐标。综合考虑风电场地形、并利用风电场各测站订正后的代表年测风资料，通过Wasp软件绘制图风电场风能资源分布图。图2 风电场风能资
17、源分布图为提高风场发电量，风机应尽量布置在风功率密度高的地方；本风电场区域内有农田、树林、果园、水库和村庄等。本着避开村庄、基本农田、防护林及远景规划的原则，将风机尽量布置在风能资源高、运输方便、较为平整的地方，并将尾流控制在较低的范围。由此对风电机组优化布置。图3 风电机组布置图2风电并网由于风能具有随机性、间歇性、不稳定性的特点，当风电装机容量占总电网容量的比例较大时会对电网的稳定和安全运行带来冲击。对风电场接入电力系统的分析是风电场规划设计和运行中不可缺少的内容。2.1风能发电的主要特点（1）风能的稳定性差。风能属于过程性能源。风速和风向经常变动，具有随机性、间歇性、不稳定性，风力发电机
18、不易调节和控制出力，因此风电机组发出的电能也是波动的、随机变化的。（2）风能的能量密度小。为了得到相同的发电容量，风力发电机的风轮尺寸比相应的水轮机大几十倍。（3）风能不能大量储存。因为蓄电的成本远远高于发电的成本，在整个电网上几乎没有蓄电的能力，一般都是以输出电量为基础来调节收纳的电量。（4）风轮机的效率较低。风轮的理论最大效率为59.3%，实际效率会更低一些。统计显示，水平轴风轮机最大效率通常在20%50%，垂直轴风轮机最大效率在30%40%。（5）风电场分布位置偏远。我国风资源丰富地区一般距离负荷中心较远，电网网架结构比较薄弱，当地电网的输电能力限制了风电的外送，在开发大规模风电的形势下
19、，需要建设配套的风电送出工程并加强电网建设。（6）电网不可调度性。由于风能的不可控性，因而不可能根据负荷的大小来对风力发电进行调度，给电网调度带来不小的压力。且大部分风电机组是无人值守的。2.2风电并网对电力系统的影响2.2.1对系统稳定性的影响 大规模风电场接入电力系统时，风电场对无功功率的需求是导致电网电压稳定性降低的主要原因。一方面，风电场的有功出力使负荷特性极限功率增大，增强了静态电压稳定性；另一方面，风电场的无功需求使负荷特性的极限功率减少，降低了静态电压稳定性。目前，风力发电多采用异步发电机，需要外部系统提供无功支持。变速恒频风电系统在向电网注入功率的同时需要从电网吸收大量的无功功
20、率。风电场的无功仍可看作是个正的无功负荷，因此，当风电场的容量较大且无功控制能力不足时，易影响电压的稳定性，严重时会造成电压崩溃。风电场的并网改变了配电网的功率流向和潮流分布。因此，随着风电注入功率的增加。风电场附近局部电网的电压和联络线功率将超出安全运行范围，影响系统的稳定性。随着各地风力发电的蓬勃发展，风电场的规模不断扩大，风电装机容量在系统中所占的比例不断增加，风电输出的不稳定性对电网的功率冲击效应也不断增大，对系统稳定性的影响就更加明显。情况严重时，将会使系统失去动态稳定性，导致整个系统瓦解。2.2.2对电网频率的影响当风速大于切入风速时，风电机组启动挂网运行；当风速低于切入风速时，风
21、电机组停机并与电网解列。当风速大于切出风速时，为保证安全，风电机组必须停机。因此，受风速变化的影响，风电机组的出力也随时变化，一天内可能有多次启动并网和停机解列。风电场不稳定的功率输出会给电网的运行带来许多问题。如果风电容量在电网总装机容量中所占比例很小，风电功率的注入对电网频率影响甚微。但是，当风电场与其他发电方式的电源组成一个小型的孤立电网时，可能会对孤立系统的频率造成较大影响。随着电网中风力发电装机容量所占的比例逐步提高，大量风电功率的波动增大了系统调频的难度，而系统频率的变化又会对风电机组的运行状态产生影响9。所以要求风电机组能够在一定的频率范围内正常运行，频率超过一定范围后限制出力运
22、行或延迟一定时间后退出运行，以维持系统的频率稳定。 2.2.3对电能质量的影响风资源的不确定性和风电机组本身的运行特性使风电机组的输出功率呈波动性，可能会影响电网的电能质量，如电压偏差、电压波动和闪变、谐波等。大多数风电机组在启动时会产生倍额定电流的冲击电流，对小容量的电网而言，风电场并网瞬间将造成电网电压的大幅度下跌；正常运行时的风速变化也会导致风机出力的波动而影响电能质量。随着风速的增大，风电机组产生的电压波动和闪变也将增大10，并且风电机组公共连接点短路比越大，其引起的电压波动和闪变越小11。当风速超过切出风速时，风电机组会从额定出力状态自动退出运行，若风电场所有风电机组几乎同时退出，这
23、种冲击对配电网的影响十分明显。 2.3改善风电并网影响的措施2.3.1无功功率补偿措施采用动态无功补偿如静止补偿器等可以改善系统暂态特性，从而提高风电场的安全容量。静止无功补偿器（SVC）可以快速平滑地调节无功补偿功率的大小，提供动态的电压支撑，改善系统的运行性能。将SVC安装在风电场的出口，根据风电场接入点的电压偏差量来控制SVC补偿的无功功率，能够稳定风电场节点电压，降低风电功率波动对电网电压的影响。2.3.2合理确定风电场并网电压等级对于风资源较为集中，相邻几个风电场总容量超过200MW的，考虑以220kV电压等级接入系统；对于分布相对分散、容量在50100MW以内的单个风电场，或相邻几
24、个风场总容量在220以内的，可考虑以110kV电压等级接入系统；对于个别分布较为分散、容量在4MW以内的单个风电场，可考虑以35kV电压等级接入系统。2.3.3加强管理提高控制水平风电机组的低电压穿越、有功控制、无功控制等性能对于电力系统安全稳定运行影响巨大，必须加强风电机组选型及功能配置的管理，使得大规模集中并网的风电机组主要性能技术指标向常规电源靠近。加快风电场集群控制系统研究与开发，提高风电基地风电场运行控制的能力和水平；完善风电机组、无功补偿装置等关键设备的运行控制手段，提高风电场正常控制、紧急安全稳定控制能力，全面提高风电场的运行控制水平。建立与大规模风电基地集中接入电网相适应的技术
25、规范、管理规定；加强风电基地风电场建设、并网、启动验收和运行全过程管理，加快风电安全监督保证体系建设，确保大规模风电对电力系统安全稳定的影响风险可控、在控和能控。2.3.4加强技术研究提高预测精度加强风电场出力预测技术研究，加快风电基地预测预报系统建设；明确电网、风电场在风电预测预报方面责任，建立并不断完善风电预测预报系统，逐步提高风电预测预报的精度。2.4风电场并网实例 以仝家河风电场工程为例 ，对风电场并网进行分析。2.4.1接入系统方案滨州电网处于山东电网的北部末端，供电范围为惠民、阳信、无棣、沾化、博兴、邹平、滨城区、开发区六县二区负荷。电网通过两回500kV黄滨线与华北电网相连，通过
26、500kV陵滨线、淄滨线、滨油、线及220kV双河线、芦木线与主网相联，通过220kv沾利线、木胜线、沾盐线、车学线与东营电网相联12。无棣电网位于滨州市北部，通过220kV大杨变电站接入滨州电网。目前已形成以220kV大杨变电站为主供电源，以110kV、35kV、10kV为配电线路的辐射形供电网络。沾化电网位于滨州市东北部，通过220kV沾化电厂滨州线接入滨州电网，通过220kV沾化电厂盐镇、车王学堂双线、沾化电厂利津四回线路与东营电网相连。现已形成以220kV车王站、沾化电厂为主供电源，以110kV、35kV、10kV为配电线路的辐射形供电网络。图4 滨州电网地理接线示意图目前风电联合送出
27、方式对于风电场和电网无论从投资的角对度还是从对电网资源占用的角度都更具优势13。仝家河风电场工程、小米河风电场工程、朱龙河风电场工程、秦口河风电场工程，每期容量48MW。接入系统方案考虑四个风电场联合送出，在仝家河风电场建设1座220kV风电场升压站，安装1台100MVA（220/35kV）双绕组有载调压变压器； 48MW风机分别经机端变压器升压至35kV，经35kV集电线路接入升压站35kV配电装置。48MW风机经升压主变升压至220kV，以1回220kV线路接至220kV沾化南风电汇集站，线路长度约20km。图5 仝家河风电场接入系统示意图2.4.2低电压穿越要求 低电压穿越，指在风力发电
28、机并网点电压跌落的时候，风机能够保持低电压穿越并网，甚至向电网提供一定的无功功率，支持电网恢复，直到电网恢复正常，从而穿越这个低电压时间(区域)。低电压穿越是对并网风机在电网出现电压跌落时仍保持并网的一种特定的运行功能要求。根据国家电网公司企业标准中关于风电场接入电网技术规定，对于风电装机容量占电源总容量比例大于5%的省级电力系统，其电力系统区域内新增运行的风电场应具有低电压穿越能力，具体要求为：风电场并网点电压跌至20%额定电压时，风电场内的风电机组能够不脱网连续运行625ms；风电场并网点电压在发生跌落后2s内能够恢复到额定电压的90%时，风电场内的风电机组能够保证不脱网连续运行。图6 风
29、电场低电压穿越要求对于电网发生不同类型故障的情况，对风电场低电压穿越的要求如下：（1）当电网发生三相短路故障引起并网点电压跌落时，风电场并网点各线电压在图中电压轮廓线及以上的区域内时，场内风电机组必须保证不脱网连续运行；风电场并网点任意一线电压低于或部分低于图中电压轮廓线时，场内风电机组允许从电网切出。（2）当电网发生两相短路故障引起并网点电压跌落时，风电场并网点各线电压在图中电压轮廓线及以上的区域内时，场内风电机组必须保证不脱网连续运行；风电场并网点任意一线电压低于或部分低于图中电压轮廓线时，场内风电机组允许从电网切出。（3）电网发生单相接地短路故障引起并网点电压跌落时，风电场并网点各相电压
30、在图中电压轮廓线及以上的区域内时，场内风电机组必须保证不脱网连续运行；风电场并网点任意一相电压低于或部分低于图中电压轮廓线时，场内风电机组允许从电网切出。对电网故障期间没有切出电网的风电场，其有功功率在电网故障清除后应快速恢复，以至少10额定功率/秒的功率变化率恢复至故障前的值。2.4.3电能质量监测根据国家电网公司企业标准中关于风电场接入电网技术规定的相关要求，仝家河风电场配置1台电能质量在线监测装置，对风电场可能引起的电压偏差、频率偏差、三相不平衡度、负序电流谐波、闪变和电压波动进行在线监测，并将电能质量数据传送到电力调度和电能质量技术监督部门。（1）电压偏差风电场接入电力系统后，并网点的电压正、负偏差的绝对值之和不超过额定电压的10，一般应为额定电压的 37。（2）电压变动风电场在并网点引起的电压变动d（%）应当满足下表的要求。r （次/h）d （%）r131r102.510
