主题：【原创】电力系统漫谈（六）新能源（1）风力发电 -- 乃力

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。

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。

• 【原创】电力系统漫谈（五）大停电（1）一棵树引发的事故