风力发电和光伏发电并网问题研究毕业设计.doc

1、1.1 课题背景51.2 智能电网的概念51.3 智能电网的发展现状6美国7日本7欧洲72.1 并网型风力发电102.2.2并网型光伏发电的发展和现状142.3 风力发电和光伏发电并网主要问题和研究现状163.1 概述223.2.1 并网型风力发电机组发电原理223.2.2 并网型风力发电机组分类233.2.3 风速的数学模型25 v k 253.3 光伏发电系统的基本模型253.4 可靠性评估指标273.5 评估指标可靠性计算283.5.1 负荷建模293.5.2 发电机组建模293.5.3 风力发电和光伏发电模型修正313.7 本章小结324.1 风力发电和光伏发电机组位置在馈线以外对电压

2、水平的影响334.1.1 风力发电和光伏发电放置在配电所334.1.2 风力发电和光伏发电机组接入馈线末端344.1.4 风力发电和光伏发电接入用户侧354.2 风力发电和光伏发电机组位于馈线上对电压水平的影响354.2.1 基本试验354.2.2 风力发电和光伏发电机组位置变化试验374.3 本章小结385.1 准入功率的计算方法395.1.1 试探法405.2.2风力发电和光伏发电主动调压时准入功率计算435.3 本章小结447.智能电网技术优劣分析47给人们的生活带来的好处47对于电力系统的意义48对于能源资源配置的意义49对于清洁能源发展的意义49*对于节能减排的意义498结束语539

3、.参考文献541.王承煦,张源.风力发电 .中国电力出版社 ,2003.542.欧洲风能协会.风力 12：于 2020 年风力发电达到世界电力总 量 12%的蓝图.中国环境科学出版社,2004.543.苏芃.中国风力发电制造产业的创新系统分析： 硕士学位论文.清华大学热能系,2005.544.张希良.风能开发利用.化学工业出版社.2005.545.施鹏飞.风力发电的进展和趋势.中国电力 ,2002,35(9):8690546.施鹏飞.2004年中国风力发电场装机容量统计.2004.547.杨金焕,邹乾林,等.各国光伏路线图与光伏发电的进展J.中国建设动态（阳光能源）,2006(4)：51-54

4、.548.昌金铭.国内外光伏发电的新进展J.中国建设动态（阳光能源）,2007（1）30549.李春鹏等.太阳能光伏发电综述J.电工材料,2006（3）48.：5510.严陆光等.太阳能与风力发电的现状与展望.电网技术,1995,5.5511.茹美琴.风光柴蓄复合发电及其智能控制系统研究D.合肥工业大学,2004,6.5512.王志群,朱守真,周双喜等.分散电源对配电网电压分布的影响.电力系统自动化,2004,28(16):5660.5513.吴俊玲,周双喜,孙建锋,陈寿孙.并网风力发电的最大注入功率分析.电网技术2004,28(20)：2832.5514.雷亚洲,王伟胜,印永华等.基于机会约

5、束规划的风电穿透功率极限计算.中国电机工程学报,2002,22(5)：3235.5515.郑国强,鲍海,陈树勇.基于近似线性规划的风电场穿透功率极限的优化算法.中国电机工程学报,2004,24(10)：6871.5516许荣,赵岩,李磊等.基于节能降耗的发电权交易效益分析,水电能源科学,2007,25(6):150-153.5517黎灿兵,康重庆,夏清等发电权交易及其机理分析电力系统自动化,2003,27(6)：13-18.5518.王雁凌,张粒子,杨以涵.基于水火电置换的发电权调节市场.中国电机工程学报,2006,26(5):131-136.5519.姚建刚,周启亮,张佳启,等.基于期权理论

6、的发电权交易模型J.中国电机工程学报,2005,25(21):76-81.55摘 要风力发电和光伏发电是一类特殊的电力，具有许多不同于常规能源发电的特点，由于其并入电网的电能呈波动性，大规模的风电和光电并网对电网的安全稳定、运行调度等诸多方面都会有一定影响。本文设计了含风力发电和光伏发电的电力系统发电容量模型和算法，进行了基于蒙特卡罗仿真的风力发电的发电容量可信度评估，计算了接入风力发电机组和光伏发电机组后电网的可靠性指标和节约的燃煤量。本文设计了计算准入功率的优化算法，并运用试探法计算了风力发电和光伏发电的最大准入功率。本文还讨论了风力发电和光伏发电机组在不同位置接入智能电网对电压水平的影响

7、，重点研究了当风力发电和光伏发电机组位于馈线上时，其对电压水平的影响。1. 绪论 2005年，坎贝尔发明了一种技术，利用的是（Swarm)群体行为原理，让大楼里的电器互相协调，减少大楼在用电高峰期的用电量。坎贝尔发明了一种无线控制器，与大楼的各个电器相连，并实现有效控制。比如，一台空调运转15分钟，以把室内温度维持在24；而另外两台空调可能会在保证室内温度的前提下，停运15分钟。这样，在不牺牲每个个体的前提下，整个大楼的节能目标便可以实现。这个技术赋予电器于智能，提高能源的利用效率。 2006年欧盟理事会的能源绿皮书欧洲可持续的、竞争的和安全的电能策略(A European Strategy

8、forSustainable，Competitive and SecureEnergy)强调智能电网技术是保证欧盟电网电能质量的一个关键技术和发展方向。这时候的智能电网应该是指输配电过程中的自动化技术。 2006年中期，一家名叫“网点“(Grid Point)的公司最近开始出售一种可用于监测家用电路耗电量的电子产品，可以通过互联网通信技术调整家用电器的用电量。这个电子产品具有了一部分交互能够，可以看作智能电网中的一个基础设施。 2006 年，美国IBM公司曾与全球电力专业研究机构、电力企业合作开发了“智能电网”解决方案。这一方案被形象比喻为电力系统的“中枢神经系统”，电力公司可以通过使用传感器

9、、计量表、数字控件和分析工具，自动监控电网，优化电网性能、防止断电、更快地恢复供电，消费者对电力使用的管理也可细化到每个联网的装置。这个可以看作智能电网最完整的一个解决方案，标志着智能电网概念的正式诞生。 2007年10月，华东电网正式启动了智能电网可行性研究项目，并规划了从2008年至 2030年的“三步走”战略，即：在2010年初步建成电网高级调度中心，2020年全面建成具有初步智能特性的数字化电网，2030年真正建成具有自愈能力的智能电网。该项目的启动标志着中国开始进入智能电网领域。 2008年美国科罗拉多州的波尔得(Boulder)已经成为了全美第一个智能电网城市，每户家庭都安装了智能

10、电表，人们可以很直观地了解当时的电价，从而把一些事情，比如洗衣服、烫衣服等安排在电价低的时间段。电表还可以帮助人们优先使用风电和太阳能等清洁能源。同时，变电站可以收集到每家每户的用电情况。一旦有问题出现，可以重新配备电力。 2008年9月 Google与通用电气联合发表声明对外宣布，他们正在共同开发清洁能源业务，核心是为美国打造国家智能电网。 2009年1月25日美国白宫最新发布的复苏计划尺度报告宣布：将铺设或更新3000英里输电线路，并为4000万美国家庭安装智能电表美国行将推动互动电网的整体革命。2月2 日能源问题专家武建东在全面推动互动电网革命拉动经济创新转型的文章中，明确提出中国电网亟

11、须实施“互动电网”革命性改造。 2009年2月4日，地中海岛国马耳他在周三公布了和IBM达成的协议，双方同意建立一个“智能公用系统”，实现该国电网和供水系统数字化。IBM及其合作伙伴将会把马耳他2万个普通电表替换成互动式电表，这样马耳他的电厂就能实时监控用电，并制定不同的电价来奖励节约用电的用户。这个工程价值高达9100万美元（合7000万欧元），其中包括在滇网中建立一个传感器网络。这种传感器网络和输电线、各发电站以及其他的基础设施一起提供相关数据，让电厂能更有效地进行电力分配并检测到潜在问题。 IBM将会提供搜集分析数据的软件，帮助电厂发现机会，降低成本以及该国碳密集型发电厂的排放量。 20

12、09年2月10日，谷歌表示已开始测试名为谷歌电表PowerMeter的用电监测软件。这是一个测试版在线仪表盘，相当于谷歌正在成为信息时代的公用基础设施。 2009年2月28日，作为华北公司智能化电网建设的一部分华北电网稳态、动态、暂态三位一体安全防御及全过程发电控制系统在京通过专家组的验收。这套系统首次将以往分散的能量管理系统、电网广域动态监测系统、在线稳定分析预警系统高度集成，调度人员无需在不同系统和平台间频繁切换，便可实现对电网综合运行情况的全景监视并获取辅助决策支持。此外，该系统通过搭建并网电厂管理考核和辅助服务市场品质分析平台，能有效提升调度部门对并网电厂管理的标准化和流程化水平。 美

13、国谷歌2009年3月3日向美国议会进言，要求在建设“智能电网（Smart Grid）”时采用非垄断性标准。 2010年1月12日，国家电网公司制定了关于加快推进坚强智能电网建设的意见，确定了建设坚强智能电网的基本原则和总体目标。1.1 课题背景近年来，我国电力行业紧密跟踪欧美发达国家电网智能化的发展趋势，着力技术创新，研究与实践并举，在智能电网发展模式、理念和基础理论、技术体系以及智能设备等方面开展了大量卓有成效的研究和探索。 2009年5月，在北京召开的“2009特高压输电技术国际会议”上，国家电网公司正式发布了“坚强智能电网”发展战略。2009年8月，国家电网公司启动了智能化规划编制、标准

14、体系研究与制定、研究检测中心建设、重大专项研究和试点工程等一系列工作。 在2010年3月召开的全国“两会”上，温家宝总理在政府工作报告中强调：“大力发展低碳经济，推广高效节能技术，积极发展新能源和可再生能源，加强智能电网建设”。这标志着智能电网建设已成为国家的基本发展战略。1.2 智能电网的概念智能电网（smart power grids），智能电网（SmartGrid）是指运用IT技术自动控制电力供求平衡的第二代供电网。主要利用能够进行双向通讯的智能电表（SmartMeter），即时掌握家庭太阳能发电量和电力消费量等信息。电力公司也可以通过智能电表控制空调运转等实现节能。加强太阳能和风力等开

15、发利用以及电力稳定供应，必须构建智能电网。赛迪顾问认为智能电网是以先进的通信技术、传感器技术、信息技术为基础、以电网设备间的信息交互为手段、以实现电网安全、可靠、经济、节能为目的的先进的现代化电力系统。通信技术、传感器技术、信息技术是智能电网建设的基础。智能电网是新技术在电网行业应用的产物，涉及到通信、传感器、信息等技术，这些技术是智能电网建设的基础，也是智能电网能够实现新应用的保证。智能电网的数据获取、保护和控制都需要通信系统的支持，因此建立通信系统是迈向智能电网的第一步；通过传感器可以对整个电网系统进行测量并传输数据，获取实时数据，并提供各种信息交互；信息技术的发展是智能电网的直接推动力，

16、通过信息技术能够实现高级应用，并在合适的时机催生出新的应用模式。设备间的信息交互是实现电网智能化的最重要手段。现在的电网除了一些二次设备可以实现远程操作外，其他信息基本上是单向传输，而未来智能电网将会形成一种新的通信和交互机制，实现电网设备间的信息交互，以此为依托可以大幅度提高电网的智能性。 利用智能电网的互动性，能够实现双向的传输数据，实行动态的浮动电价制度，可以利用传感器对发电、输电、配电、供电等关键设备的运行状况进行实时监控和数据整合，遇到电力供应的高峰期之时，能够在不同区域间进行及时调度，平衡电力供应缺口，从而达到对整个电力系统运行的优化管理。1.3 智能电网的发展现状电网已成为工业化

17、、信息化社会发展的基础和重要组成部分。同时，电网也在不断吸纳工业化、信息化成果，使各种先进技术在电网中得到集成应用，极大提升了电网系统功能。 （1）智能电网是电网技术发展的必然趋势。近年来，通信、计算机、自动化等技术在电网中得到广泛深入的应用，并与传统电力技术有机融合，极大地提升了电网的智能化水平。传感器技术与信息技术在电网中的应用，为系统状态分析和辅助决策提供了技术支持，使电网自愈成为可能。调度技术、自动化技术和柔性输电技术的成熟发展，为可再生能源和分布式电源的开发利用提供了基本保障。通信网络的完善和用户信息采集技术的推广应用，促进了电网与用户的双向互动。随着各种新技术的进一步发展、应用并与

18、物理电网高度集成，智能电网应运而生。 （2）发展智能电网是社会经济发展的必然选择。为实现清洁能源的开发、输送和消纳，电网必须提高其灵活性和兼容性。为抵御日益频繁的自然灾害和外界干扰，电网必须依靠智能化手段不断提高其安全防御能力和自愈能力。为降低运营成本，促进节能减排，电网运行必须更为经济高效，同时须对用电设备进行智能控制，尽可能减少用电消耗。分布式发电、储能技术和电动汽车的快速发展，改变了传统的供用电模式，促使电力流、信息流、业务流不断融合，以满足日益多样化的用户需求。 电力技术的发展，使电网逐渐呈现出诸多新特征，如自愈、兼容、集成、优化，而电力市场的变革，又对电网的自动化、信息化水平提出了更

19、高要求，从而使智能电网成为电网发展的必然趋势。1.3.1 国际智能电网发展现状世界主要发达国家均在抓紧智能电网建设工作。美国奥巴马政府作为一项公共投资投入约40亿美元，欧洲主要国家及韩国纷纷着手强化智能电网基础设施建设。美国美国已开始向部分家庭安装带有通讯功能的智能电表（SmartMeter），目标是以家庭为单位，随时监测电力消费和管理，更加有效地实现输电和供电。为此，对企业及地方团体实施的100个项目给予财政援助，计划2013年前在2600万个家庭安装智能电表，相当于09年3倍。奥巴马总统强调说，“现在是建设绿色能源高速公路的时代”。新能源产业有望创造43000个就业岗位，环保产业将成为拉动

20、未来美国经济的重要支柱之一。日本东京电力和関西电力等电力公司开始投资构建第二代智能电网（SmartGrid），目标除在所有家庭安装智能电表（SmartMeter）外，还计划加强送变电设施及蓄电装置建设。2020年前相关电力设施投资预计超过1万亿日元。智能电表作为第二代智能电网的核心设备，主要测量每个家庭电力消费情况及随时掌握太阳能发电量等信息。东京电力2010年起主要面向家庭安装2千万部。関西电力2010年3月底前在40万个家庭安装，并计划更换1200万部。预计2020年前日本智能电表需求量约5千万部，每部成本近2万日元，共计约1万亿日元。日本智能电网与欧美不同，主要特征是积极地利用家庭进行太

21、阳能发电。太阳能发电长期目标是2020年发电2800万千瓦，相当于现在20倍；2030年发电5300万千瓦，相当于现在30倍。为此，需要增设电压调整装置和变压器，预计2030年前追加投资6千亿日元。欧洲英国目标是2020年在全国所有2600万个家庭安装智能电表，此项工作主要通过电力公司完成。并且已正式进行了适应风力发电等可再生能源的智能电表等相关实验。法国09年秋天也发布了将再生能源纳入智能电网的计划，并开始征集相关企业参与。德国制定了“EEnergy”计划，总投资1亿4千万欧元，09年至2012年4年时间内，在全国6个地点进行智能电网实证实验。1.3.2 国内发展现状随着我国经济的快速发展，

22、对电力的需求日益增强，而国内能源结构不合理、能源分布不均衡严重制约电力行业的发展。特高压电网解决了远距离、大容量输电问题，在一定程度上解决了能源输送问题，但“重电源轻电网”导致供电可靠性较低，同时网架结构薄弱则限制了新能源有效利用。为了解决这些问题，国内电网企业也开始寻求利用信息技术提高电网运营能力，而智能电网则是一个重要的研究方向。2007年10月，华东电网正式启动了以提升大电网安全稳定运行能力为目的的智能互动电网可行性研究项目。2008年4月，在前期智能电网研究成果的基础上，华东电网启动高级调度中心项目群建设，该项目是智能电网建设蓝图“三步走”的第一阶段“巩固提升”的重点内容。从2007年

23、华北电网公司开始进行智能电网相关的研究和建设，致力于打造智能调度体系，为智能输电网奠定基础；建立企业级服务总线，搭建智能电网信息架构；超前研发清洁能源关键技术，做好可再生能源并网准备；结合客户信息采集系统，试点建设智能供电网。2009年华北电网将在前期工作的基础上，深度体会国网公司建设中国特色智能电网的概念、理论，结合华北特色大力建设智能电网，制定智能电网发展规划和实施方案，继续推进智能电网的研究和建设。2009年初，国家电网公司启动了“坚强智能电网体系研究报告”、“坚强智能电网综合研究报告”和“智能电网关键技术研究框架”等重要课题的研究。通过积极探索国内外智能电网技术发展动态，分析中国坚强智

24、能电网技术需求，调研中国智能电网建设已有技术基础，揭示坚强智能电网的内涵与特征，制定了坚强智能电网总目标、技术框架体系与实施计划等。2009年5月21日，在北京召开的“2009特高压输电技术国际会议”上，国家电网公司正式宣布将建设“坚强的智能电网”，并公布了规划试点、全面建设、引领提升三阶段的建设方案。随后国家电网公司将智能电网技术作为2009年科技重点工作领域之一，研究方向的确定和研究框架项目的实施，将会使智能电网脱离概念炒作阶段，正式进入规划建设阶段。2并网型风力发电和光伏发电发展状况2.1 并网型风力发电2.1.1 并网型风力发电的特点风力发电有两种不同的类型：独立运行的离网型和接入电力

25、系统的并网型风力发电。离网型的风力发电规模较小，通过蓄电池等储能装置或者与其他分布式能源发电技术相结合，如风力发电/水电互补系统、风/光互补系统、风力发电/柴油机组联合供电系统，它可以解决无电网的偏远地区的供电问题。并网型风力发电是规模较大的风力发电场，容量大约为几兆瓦到几百兆瓦，由几十台甚至成百上千台风力发电机组构成。并网运行的风力发电场可以得到大电网的补偿和支撑有利于更加充分地开发可利用的风力资源，是国内外风力发电的主要发展方向，在日益开放的电力市场环境下，风力发电的成本也将不断降低，如果考虑到环境效益等因素，则风力发电在经济上也具有很大的吸引力。并网运行的风力发电的优点有：（1）风能资源

26、丰富。据统计，全球可开发的风能资源潜力约为目前全球用电量 5 倍。（2）可再生，清洁无污染。常规的石化能源是有限的，而风能几乎是取之不尽，用之不竭。（3）建设工期短，自动化程度高。风力发电机组及其辅助设备具有模块化的特点，设计和安装简单，单台风力发电机组的运输和安装时间仅需几个星期，可多台同时安装，互不干扰，且安装一台即可投产一台。一个 10 兆瓦级的风力发电场建设工期不超过一年。（4）占地面积小，对土地质量要求低。风力发电场内设备的建筑面积仅约占风力发电场的 1%，其余场地仍可供农、牧、渔使用。风力资源充足的地方往往是荒滩或山地等土地利用率低的地方。（5）技术逐渐成熟，发电成本降低。据欧洲风

27、能协会2004 年统计8，风力发电机组单位 kW 的造价已经降到 900 欧元，单位发电成本为 35 欧分/kWh。但风力发电同时也存在一定的局限性：（1）不可控性。风力发电以自然风常规能源发电一样根据负荷要求来改变风力发电机组的出力。现有的技术条件，如改变风力机叶片的浆距角，只能在很有限的范围内进行调节。（2）不稳定性。风速具有波动性和间歇性，并难以及时准确预测。因此风力发电机组的输出功率也具有随机性的特点。通常认为风力发电只能提供电力而不能提供有效的发电容量。尺寸比相应的水轮机大几十倍，限制了风力发电机组的单机容量和风力发电场的规模。风力机在理论上的最大风能利用率为 59%，而实际上最高只

28、能达到 40%左右。2.1.2并网型风力发电的发展和现状利用风能发电始于 19 世纪末，到上世纪 80 年代通过建立大型风力发电场来大规模利用风能，风力发电运行技术及并网研究也得到较大发展。 90 年代以来，自风力发电容量以每年平均 22%的速度增长，近五年的增长速度为35%50%，在各种发电方式中风力发电量增长速度居于首位910。图 2.1 是世界风力发电装机总容量的发展趋势图，可以看出，风力发电装机总容量在1999 年后上升很快，总装机容量每年都在 20%以上的速度增长，2004 年年底达到 47.317GW。图2.1 世界风力发电装机总容量（GW）与此同时，风力发电在全球总发电量中所占的

29、份额也在不断增加，2003 年已达到全球发电总量的 0.49%，具体数据见表 2.1。欧洲风能协会制定的风能发展计划 中预计到 2020 年风力发电占到全球发电总量的 11.81%。风力发电在一些风能资源利用较好的国家，如丹麦和德国，已经占到总发电量的 10和 5.3 。2002年，欧洲风力发电已占总发电量的 2%。到 2002 年底，全世界并网运行的风力发电装机容量达到 31127MW，其中欧洲装机 23291MW，美国 4685MW，其它地区3151MW。风力发电装机较多的国家为：德国 12000MW、西班牙 4830MW、美国4685MW、丹麦 2880MW 和印度 1702MW、中国

30、468MW。表2.1 风力发电在全球总发电量中所占比率在我国有广阔的发展前景，主要原因有：（1）我国风力资源丰富，具有开发风力发电的巨大潜力；（2）国家政府部门的鼓励政策。据国家气象局勘测，全国风能资源总储量为 2.53 亿 kW，仅次于美国和俄罗斯，居世界第三位。我国的风能资源主要分布在两大风带：一是东南沿海、山东、辽宁沿海及其岛屿的沿海风带，有效风能密度在 200W/m2 以上，420m/s 有效风力出现百分率达80%90%；二是内蒙北部、甘肃、新疆北部以及松花江下游的内陆风带，有效风能密度一般大于 200W/m2，有效风力出现的时间百分率均在 70%左右。中华人民共和国可再生能源法规定了

31、风力发电的三项原则：（1）对风力发电要实行保护性固定电价，在成本上，保证有合理的利润；（2）电网无条件收购风力发电，价差由所在电网分摊；（3）国家财政设立专项资金，支持可再生能源发展。表2.2 中国并网风力发电机组发展规划目标（MW）我国的风力发电兴起于 20 世纪 80 年代，最初的风力发电设备和技术都是依靠进口。近年来，风机制造的国产化率越来越高，600kW 风力发电机组的国产化发电场的发电成本大约是 0.4-0.8 元/kWh。随着风力发电成本的明显下降，风力发电发展速度加快。到 2004 年末，我国已经建成 44 座风力发电场，累计风力发电机组 1291 台，装机容量764MW与 20

32、03 年累计装机 567MW 相比，2004 年累计装机增长率为 34.7%。我国具有开发风力发电的良好基础和广阔前景。 2.2. 并网型光伏发电2.2.1 并网型光伏发电特点光伏发电系统是由光伏电池板、控制器和电能储存及变换环节构成的发电与电能变换系统。太阳光辐射的能量经由光伏电池板直接转换为电能，并通过电缆控制器、储能等环节予以储存和转换，提供负载使用。图 2.2 是一个典型光伏发电系统的结构图。图2.2光伏发电系统结构图光伏发电系统按与电力系统关系分类，也通常分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统。独立光伏发电系统是不与常规电力系统相连而孤立运行的发电系统，通常建设在远离电网的边远地区或

33、作为野外移动式便携电源，其建设的主要目的是解决无电问题。由于光伏发电的特点是白天发电，而负荷用电特性往往是全天候的，因此在独立光伏发电系统中储能元件必不可少。一般而言，系统在白天把太阳能转化为电能，通过蓄电池将电能储存起来，晚上再通过放电器把储存在蓄电池里的电能释放出来适当使用。与孤立运行的光伏发电站相比，并入大电网可以给光伏发电带来诸多好处；（1）不必考虑负载供电的稳定性和供电质量问题。（2）光伏电池可以始终运行在最大功率点处，由大电网来接纳光伏发电所发的全部电能，提高了光伏发电的效率。（3）省略了蓄电池作为储能环节，降低了蓄电池充放电过程中的能量损失免除了由于存在蓄电池而带来的运行与维护费

34、用，同时也消除了处理废旧蓄电池带来的间接污染。并网光伏发电系统是与电力系统连接在一起的光伏发电系统，像其他类型发电站一样，可为电力系统提供有功和无功电能。光伏发电所发的直流电能经变换器变换成与电网相同频率的交流电能，以电压源或电流源的方式送入电力系统。控制器一般由单片机或数字信号处理芯片作为核心器件构成，用以实现光伏电池最大功率点跟踪及控制逆变器并网电流的频率、波形和功率，使向电网转送的功率与光伏阵列所发的最大功率电能平衡。变换器主要是由电力电子开关器件连接电感或电容构成，以脉宽调制方式形成所需电能形式向电网送电。无穷大的公共电网在这里可以视为扮演着储能环节的角色。因此并网光伏发电系统不需要额

35、外的蓄电池，降低了系统运行成本，提高了系统运行和供电的稳定性。并网光伏发电系统的电能转换效率要大大高于独立系统，成为光伏发电的最合理发展方向。综上所述，光伏发电具有以下优势：(1)可靠。光伏发电很少用到运动部件，目前已有数千套光伏发电系统的运行经验。晶体硅的寿命可达 20 年以上。可靠性高，适合无人值守。(2)安全、无噪声及其它公害。不产生任何的固体，液体和气体有害废弃物，无环境污染和公害问题。(3)安装维护简单，运行成本低。(4)兼容性好。光伏发电可以与其他能源配合使用，自身增容也很方便。(5)标准化程度较高，可由组件的串并联满足不同用电的需要，通用性强。(6)太阳能资源丰富，分布范围广。但

36、光伏发电能量分散，占地面积大，间歇性大，地域性强。建设初始投资大，成本较高。2.2.2并网型光伏发电的发展和现状目前世界太阳电池生产量日本第一，推广应用光伏发电系统却是德国领先全球太阳能电池年产量正在迅速增长，2004 年的增长率超过 60%，2005 年的增长率为 44%，太阳电池年产量达到 1656MW。其中日本的产量占世界总产量 46%。欧洲占世界总产量 28%。2005 年全球安装太阳电池组件 1460MW，比前一年增长了 34%。其中德国安装了838MW，比前一年增长了 53%，占世界安装量的 57%。日本安装了 292MW，比前一年增长了14%。到 2005 年年末，全球累计安装太

37、阳电池组件容量比前一年增长了 39%，达到了5GW。日本新能源和工业技术发展组织在 2004 年 6 月发表的“面向 2030 年光伏路线图的概述”中提出：到 2030 年累计安装太阳电池组件容量要达到 1000GW，届时日本所有住宅所消费的电力中将有 50%由光伏发电提供，大约占全部电力供应的 10%。2002 年 5 月，欧洲光伏工业协会发表的报告“工业需要及路线图”预计：2010 年前光伏发电市场平均年增长率为 27%，2010 年2020 年间增长率为 34%，2020 年2040 年间增长率为 15%。在 2010 年光伏发电提供的电力将占总发电量的 1%，到 2040 年将占总发电

38、量的 26%。美国在 2004 年 9 月发表了“我们太阳电力的未来：2030 年及更久远的美国光伏工业路线图”，提出美国在 2025 年新增加发电容量的一半由光伏发电提供。表 2.3 是欧洲、日本和美国制定的光伏发电发展计划。表 2.3 欧洲、日本和美国制定的光伏发电发展计划（GW）国际光伏应用中并网发电和光伏建筑集成（BIPV）发展迅速，已成为光伏市场的最大份额。它标志着光伏发电由边远地区和特殊应用正在向城市过渡，由补充能源向替代能源过渡，由大型集中电站向分布式供电模式过渡。据国际能源协会下属光伏电力系统项目研究小组在 2006 年发布的报告“光伏发电应用技术的趋计势”中统计：2006 年

39、中国光伏发电设备的年销售量为 15MW，光伏系统的总装机容量达85MW。光伏发电将在中国未来的电力供应中扮演重要的角色，预计到 2010 年中国的光伏发电累计装机容量将达到 600MW，2020 年累计装机容量将达到 30GW，2050 年将达到 100GW。根据中国电力科学院的预测，到 2050 年中国可再生能源发电将占到全国总电力装机的 25%，其中光伏发电将占 5%。稳定且不断发展的市场和强有力的政府支持是光伏电池研发的根本动力。目前，我国正在继续培育国内的光伏市场，加大城市屋顶和沙漠并网电站的研发和示范投入等；同时注意人才培养，抓紧技术平台和队伍的建设，积极研发新型电池生产和应用技术，

40、努力降低成本，并从税收、信贷等方面扶植光伏产业。另外，我国的太阳能资源非常丰富，据统计，太阳能年辐照总量大于 5020MJ/m2，年日照时数在 2200 小时以上的地区约占国土面积的 2/3 以上，具体分布见表 2.4。表 2.4 中国太阳能年辐射的地区分布我国1996-2010 年新能源和可再生能源发展纲要中明确指出 23，要按社会主义市场经济的要求，加快新能源和可再生能源的发展和产业化的建设，要求采取措施调整能源结构，提高清洁能源在能源消费中所占比重，要求通过技术进步来推动可再生能源事业的发展。鼓励发展利用太阳能，鼓励改造传统能源利用技术，提高能源利用效率，降低污染排放，并给予税收优惠等支

41、持政策。综上可知，我国的光伏发电产业的发展前景是辉煌的。2.3 风力发电和光伏发电并网主要问题和研究现状 风力发电和光伏发电功率输出波动很大，不确定性程度高，难以调节。这样拥有大容量风力发电和光伏发电的电力系统需要较高的发电备用容量，以及输电网络备用容量。风力发电和光伏发电的接入将原来辐射型无源电网变成了有源环网，系统因为潮流变化频繁，系统保护配置，电压调整比较困难，给系统安全运行带来新的挑战。由于风力发电场和光伏发电所在地区往往人口稀少，处于供电网络的末端，承受冲击的能力较弱，随着风力发电和光伏发电规模的不断扩大其特性对电网的影响也愈加显著，成为制约风力发电和光伏发电容量和规模的严重障碍，研

42、究风力发电和光伏发电并网对系统造成的影响具有重要意义。针对并网型风力发电和光伏发电，国内外学者和工程技术人员的研究与经验表明，与风力发电和光伏发电并网相关的课题研究主要集中在以下几个方面2.3.1 风力发电和光伏发电并网对电能质量的影响国内外对于风力发电和光伏发电等分布式电源并网对电能质量的影响方面较多。国际电工委员会为研究风力发电并网对电网电能质量的影响，成立了与之相关的工作组，并发表了一系列的报告和标准。其中，IEC1000-3-7评估了风力发电对电网电能质量的影响。IEC64100-21给出了并网风力发电机组电能质量测量和评估的标准，为风力发电电能质量的测量和评估提供了一个统一的方法，其

43、内容包括：风力发电并网机组电能质量特征参数的定义和说明，电能质量参数的测量过程，这些参数是否能满足电网要求的评估方法。研究风力发电并网电能质量问题的文献还有很多，但电能质量问题不是限制风力发电接入电力系统的全局性关键问题，而且随着电力电子技术的发展该问题已经逐步得到较好解决。2.3.2 孤岛效应孤岛效应是指当电力公司的供电因故障事故或停电维修而中断时，各个用户端的风力发电和光伏发电系统未能及时检测出停电状态而将自身切离市电网路，从而形成由风力发电和光伏发电并网发电系统和周围的负载构成的一个电力公司无法掌握的自给供电孤岛。当风力发电和光伏发电总容量较大时尤其可能出现这种情况。一般认为，只要孤岛电

44、网不是为了提高供电可靠性故意配置的，都应当避免。IEEE 标准 1547 也强调了这个原则。一般来说，孤岛效应可能对整个配电系统设备及用户端的设备造成不利的影响：(1)对电力公司输电线路维修人员产生安全危害。(2)影响配电系统上的保护开关动作程序。风力发电和光伏发电形成孤岛电网后，如果重合闸非同期重合，会造成过电压，并且形成很大的冲击电流，影响设备安全和正常运行，导致保护误动作35。(3)电力孤岛区域发生的供电电压和频率的不稳定将危害系统设备。(4)当电力公司供电恢复时所造成的相位不同步问题。(5)光伏发电系统若采用单相供电而造成系统三相负载的欠相供电问题。孤岛检测方法一般可分为两类：无源检测

45、方法和有源检测方法。常见的无源检测方法有过电压/欠电压、高频/低频检测，相位突跳检测和电压谐波检测三种检测方法。常见的有源检测方法包括有源频率偏移、滑模频率偏移和输出功率扰动三种。2.3.3 可靠性问题风力发电和光伏发电并网对可靠性产生不利的影响为：（1）大系统停电时有些风力发电和光伏发电也会同时停运，仍无法提高供电的可靠性。（2）风力发电和光伏发电与配电网的继电保护配合不好，可能使继电保护误动作，反而使可靠性降低。（3）不适当的安装地点、容量和连接方式会使配网可靠性变坏。有利情况为：（1）风力发电和光伏发电可部分消除输配电网的过负荷和堵塞，增加输配电网的输电裕度。（2）在适当的风力发电和光伏

46、发电布置和电压调节方式下，风力发电和光伏发电可缓解电压骤降，提高系统对电压的调节性能。（3）特殊设计的风力发电和光伏发电可使它在大电力输配电系统发生故障时仍能保持运行。由于单相负荷的存在和低压线路不对称的分布，带有风力发电和光伏发电装置的配电系统经常运行在不平衡的状态下，这样，三相电压和三相电流的相角差经常不是 120。换流器和其他电子装置对电压畸变是很敏感的，3%左右的电压畸变就会让它们把风力发电和光伏发电装置切除。风力发电和光伏发电并网引起的稳定问题主要是电压稳定问题，其对系统电压稳定的影响主要包括以下几个方面：（1）普通的风力发电和光伏发电机组无功补偿方式为电容器补偿，补偿量与接入点的电

47、压的平方成正比，当系统电压水平降低很多时，无功补偿量下降很多，而风力发电场对电网的无功需求反而上升，进一步恶化电压水平，严重时会造成电压崩溃，风力发电和光伏发电机组被迫停机。（2）变速恒频风力发电机组虽然可采用电力电子技术来控制无功功率，但其定子侧无功功率只能在一定范围内进行调节，受风力发电机组转子转速和转子侧有功功率变化情况的影响。（3）在故障和操作后未发生失稳的情况下，部分风力发电和光伏发电机组由于自身的保护而停机，风力发电和光伏发电有功输出相应减少。（4）故障切除不及时，会发生暂态电压失稳。（5）风力发电和光伏发电出力过高有可能降低电网的电压稳定裕度，容易导致电压崩溃。（6）风速和光照的波动性和随机性引起风力发电和光伏发电出力多变，导致其接入系统的电压稳定裕度难以预测。综上，并网型风力发电和光伏发电对电网稳定性的一个主要威胁是风速波动性和随机性引起风力发电场出力变化过频，以及光照强度随日照、天气、季节、温度等自然因素变化引起的光伏发电输出功率不稳定。进而导致风力发电和光伏发电接入系统后电压稳定裕度多变且难以预测。由于已有的方法大都采用确定性的分析方法，因此无法考虑风力和光伏发电量的波动性和随机性。本文将在第三章讨论风力发电和光伏发电并网对配电网电压分布的影响。2.3.4 准入功率计算问题确定一个给定电网最大能够承受的风力发电和光伏发电注入功率成为风力发电场和光伏