【正文】 靠、經(jīng)濟、節(jié)能為目的的先進的現(xiàn)代化電力系統(tǒng)。 2021 年 5 月，在北京召開的 “2021 特高壓輸電技術國際會議 ”上，國家電網(wǎng)公司正式發(fā)布了 “ 堅強智能電網(wǎng) ” 發(fā)展戰(zhàn)略。 2021 年 2 月 10 日， 谷歌 表示已開始測試名為谷歌電表﹙ PowerMeter﹚的用電監(jiān)測軟件。 2021 年 9 月 Google 與通用電氣聯(lián)合發(fā)表聲明對外宣布，他們正在共同開發(fā)清潔能源業(yè)務，核心是為美國打造國家智能電網(wǎng)。這一方案被形象比喻為電力系統(tǒng)的 “ 中樞神經(jīng)系統(tǒng) ” ，電力公司可以通過使用傳感器、計量表、數(shù)字控件和分析工具，自動監(jiān)控電網(wǎng)，優(yōu)化電網(wǎng)性能、防止斷電、更快地恢復供電，消費者對電力使用的管理也可細化到每個聯(lián)網(wǎng)的裝置。比如，一臺空調(diào)運轉(zhuǎn) 15 分鐘，以把室內(nèi)溫度維持在 24℃ ；而另外兩臺空調(diào)可能會在保證室內(nèi)溫度的前提下，停運 15 分鐘。 2021213 至 2021311 畢業(yè)設計論文 課題 智能電網(wǎng)關鍵技術與探 討 專 業(yè)： 發(fā)電廠及電力系統(tǒng) 學員姓名 : 張潔 指導教師： 黃娜 設計時間： 答辯教師： 武漢電力職業(yè)技術學院 WUHAN ELECTRIC POWER TECHNICAL COLLEGE 封二 摘 要 風力發(fā)電和光伏發(fā)電是一類特殊的電力，具有許多不同于常規(guī)能源發(fā)電的特點，由于其并 入電網(wǎng)的電能呈波動性，大規(guī)模的風電和光電并網(wǎng)對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定、運行調(diào)度等諸多方面都會有一定影響 。這樣，在不犧牲每個個體的前提下，整個大樓的節(jié)能目標便可以實現(xiàn)。這個可以看作智能電網(wǎng)最完整的一個解決方案，標志著智能電網(wǎng)概念的正式誕生。 2021 年 1 月 25 日 美國 白宮 最新發(fā)布的《復蘇計劃尺度報告》宣布：將鋪設或更新 3000 英里 輸電線路 ，并為 4000 萬美國家庭安裝智能電表 —— 美國行將推動互動電網(wǎng)的整體革命。這是一個測試版在線儀表盤，相當于谷歌正在成為信息時代的公用基礎設施。 2021 年 8月，國家電網(wǎng)公司啟動了智能化規(guī)劃編制、標準體系研究與制定、研究檢測中心建設、重大專項研究和試點工程等一系列工作。 通信技術、傳感器技術、信息技術是智能電網(wǎng)建設的基礎 。 （ 1）智能電網(wǎng)是電網(wǎng)技術發(fā)展的必然趨勢。為抵御日益頻繁的自然災害和外界干擾，電網(wǎng)必須依靠智能化手段不斷提高其安全防御能力和自愈能力。 奧巴馬總統(tǒng)強調(diào)說， “ 現(xiàn)在是建設綠色能源高速公路的時代 ” 。 日本智能電網(wǎng)與歐美不同，主要特征是積極地利用家庭進行太陽能發(fā)電。特高壓電網(wǎng)解決了遠距離、大容量輸電問題，在一定程度上解決了能源輸送問題，但 “ 重電源輕電網(wǎng) ” 導致供電可靠性較低，同時網(wǎng)架結構薄弱則限制了新能源有效利用。 2021 年 5 月 21 日，在北京召開的 “2021 特高壓輸電技術國際會議 ” 上，國家電網(wǎng)公司正式宣布將建設 “ 堅 強的智能電網(wǎng) ” ，并公布了規(guī)劃試點、全面建設、引領提升三階段的建設方案。（ 2）可再生，清潔無污染。（ 5）技術逐漸成熟，發(fā)電成本降低。通 常認為風力發(fā)電只能提供電力而不能提供有效的發(fā)電容量。風力發(fā)電在一些風能資源利用較好的國家 ，如丹麥和德國，已經(jīng)占到總發(fā)電量的 10％和 ％ 。 表 中國并網(wǎng)風力發(fā)電機組發(fā)展規(guī)劃目標（ MW） 我國的風力發(fā)電興起于 20 世紀 80 年代，最初的風力發(fā)電設備和技術都是依靠進口。 圖 光 伏發(fā)電系統(tǒng)按與電力系統(tǒng)關系分類，也通常分為獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)和并 網(wǎng) 光伏發(fā)電系統(tǒng)。光伏發(fā)電所發(fā)的直流電能經(jīng)變換器變換成與電網(wǎng)相同頻率的交流電能 ，以電壓源或電流源的方式送入電力系統(tǒng)。晶體硅的壽命可達 20 年以上。 (6)太陽能資源豐富，分布范圍廣。日本安裝了 292MW， 比前一年增長了 14%。它標志著光伏發(fā)電由邊遠地區(qū)和特殊應用正在向城市過渡，由補充能源向替代能源過渡，由大型集中電站向分布式供電模式過渡。鼓勵發(fā)展利用太陽能，鼓勵改造傳統(tǒng)能源利用技術，提高能源利用效率，降低污染排放，并給予稅收優(yōu)惠等支持政策。其 中 ， IEC100037 評 估 了 風 力 發(fā) 電 對 電 網(wǎng) 電 能 質(zhì) 量 的 影 響 。 (2)影響配電系統(tǒng)上的保護開關動作程序。 可靠性問題 風力發(fā)電和光伏發(fā)電并網(wǎng)對可靠性產(chǎn)生不利的影響為：（ 1）大系統(tǒng)停電時有些風力發(fā)電和光伏發(fā)電也會同時停運，仍無法提高供電的可靠性。換流器和其他電子裝置對電壓畸變是很敏感的， 3%左右的電壓畸變就會讓它們把風力發(fā)電和光伏發(fā)電裝置切除。進而導致風力發(fā)電和光伏發(fā)電接入系統(tǒng)后電壓穩(wěn)定裕度多變且難以預測。 電網(wǎng)效應問題 風力發(fā)電和光伏發(fā)電的接入可能使配網(wǎng)的某些設備閑置或成為備用。如圖 所示。假設兩條線路具有相同的長度和單位阻抗，風力發(fā)電和光伏發(fā)電接在距離線路末端 1/4 處。例如，中國西部地區(qū)氣候特點經(jīng)常是白天風力小、夜間風力大，而白天只 要天氣晴好，光伏系統(tǒng)就能正常發(fā)電運行，夜間光伏系統(tǒng)停止發(fā)電，因此發(fā)電正好構成一定的互補關系。 風力發(fā)電系統(tǒng)的基本模型 并 網(wǎng)型風力發(fā)電機組發(fā)電原理 典型的并網(wǎng)型風力發(fā)電機組主要包括起支撐作用的塔架、風能的吸收和轉(zhuǎn)換裝置 —— 風輪機（葉片、輪轂及其控制器），起連接作用的傳 動機構 —— 傳動軸、齒輪箱、輪轂，能量轉(zhuǎn)換裝置 —— 發(fā)電機，以及其他風機運行控制系統(tǒng) —— 偏航系統(tǒng)和制動系統(tǒng)等。 圖 恒速恒頻風力發(fā)電 機 統(tǒng) 圖 為風輪機直接驅(qū)動同步發(fā)電機構成的變速恒頻風力發(fā)電機組。目前，風力發(fā)電系統(tǒng) 升壓變壓器并聯(lián)于線路系統(tǒng)中。不同地區(qū)有不同的平均值和形狀系 數(shù)。由上述可知，整個系統(tǒng)的電能變換 裝置包括光伏電池模擬器、具有 MPPT 功能的充電器、超級電容適配器和電流型逆變器，是電力電子技術在光伏發(fā)電的重要應用。本文也采用了這些指標。當系統(tǒng)的可靠性指標給定時，將風力發(fā)電機組和光伏發(fā)電機組與常規(guī)機組在承載負荷能力方面的比例關系作為衡量發(fā)電容量可信度的指標，定義如下： 式中 PLCCorig ， PLCCwind ， PLCCconv 分別為系統(tǒng)初始，加入一定容量的風力發(fā)電，加入一定容量的常規(guī)發(fā)電機組的系統(tǒng)承載負荷能力。 圖 發(fā)電系統(tǒng)可靠性評估模型 負 荷建模 目前應用的用以計算可靠性指標的三種負荷模型都是以日最大負荷持續(xù)一整天作為基礎的。本文選擇的是一年。（ 2）停機檢修。 設 Ci 為矢量 C 的第 i 個元素，含義為 C 中一個 可能的容量狀態(tài)。節(jié)約的燃煤為： 其中， Cs 為節(jié)約的燃煤， nhs 為總的小時數(shù)， X pv 為由光伏發(fā)電機組替代的容量， Yi , pv 為第 i 個小時光伏發(fā)電機組額定發(fā)電容量的百分比， X wind 為由風力發(fā)電機組替代的容量， Yi , wind 為第 i 個小時風力發(fā)電機組額定發(fā)電容量的百分比， η 為常規(guī)能源機組的效率?？傊?，通過本文提出的方法，可以有效得評估可再生能源并網(wǎng)對系統(tǒng)可靠性的影響，得出的結論可作為國家在考慮大力發(fā)展可再生能源時的有效參考。 風力發(fā)電和光伏發(fā)電機組接入線路 調(diào) 壓器的 副端 圖 風力發(fā)電和光伏發(fā)電接入線路調(diào)壓器 VR 的負荷端時電壓的變化 由于風力發(fā)電和光伏發(fā)電注入功率的影響，線路調(diào)壓器 VR（ Voltage Regulator）不能檢測到實際負荷的大小，所以 VR 的調(diào)壓不足，致使用戶電壓水平不能滿足要求。 風力發(fā)電和光伏發(fā)電機組位于饋線上對電壓水平的影響 當將風力發(fā)電和光伏發(fā)電接在饋線末端和變壓器之間時，風力發(fā)電和光伏發(fā)電的接入位置不同，相應地對原有網(wǎng)絡的影響也不同 。從圖 看出，無功注入功率對電壓分布的影響比相近的有功注入的影響要大得多。由圖 可以看出，風力發(fā)電和光伏發(fā)電越接近母線，對線路電壓分布的影響越小。該研究結果可以為風力發(fā)電和光伏發(fā)電 并網(wǎng)后的運行規(guī)劃提供一定的指導，并為風力發(fā)電和光伏發(fā)電準入功率的計算奠定了基礎 。提出了考慮電力系 統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析的風力發(fā)電場準入功率計算，其計算方法是優(yōu)化法，指出影響電力系統(tǒng)風力發(fā)電并網(wǎng)容量的主要因素是頻率波動。在計算準入功率容量時考慮的因素比較多，有電壓分布，線路容量和短路電流等，采用的計算方法有試探法等。準入功率和很多的運行參數(shù)有關，如短路保護，穩(wěn)定，可靠性等等。從而驗證了風力發(fā)電和光伏發(fā)電放置的位置，對于配電網(wǎng)的電壓分布產(chǎn)生的影響 。所以無功功率對于線路壓降，特別是主變壓器的壓降有重大的影響。 基 本試驗 本文共進行 3 次試驗：（ 1）風力發(fā)電和光伏發(fā)電有功注入 10MW 到節(jié)點 50 中 Tap=，用潮流程序計算電壓分布；（ 2）風力發(fā)電和光伏發(fā)電有功注入 43MW 到節(jié)點 50 中， Tap=，用潮流程序計算電壓分布；（ 3）風力發(fā)電和光伏發(fā)電無功 注 入 10MVar 到節(jié)點 50 中， Tap=，用潮流程序計算電壓分布。這種情況同風力發(fā)電和光伏發(fā)電接入到有 LDC 補償?shù)淖儔浩鞲倍说那闆r非常地類似。 風 力發(fā)電和光伏發(fā)電放置在配電所 當風力發(fā)電和光伏發(fā)電接入配電所有載調(diào)壓變壓器和母線之間，根據(jù)線路壓降補償器 LDC 的調(diào)壓原理，有載調(diào)壓變壓器 LTC 根據(jù)從變壓器副邊檢測到的電流、電壓相應地調(diào)整分接頭。 本章小結 在對以上環(huán)節(jié)進行分析建模的基礎上，本章提出了含風力發(fā)電和光伏發(fā)電的電力系統(tǒng)發(fā)電容量模型和算法。發(fā)電機組的概率模型由以下矢量表示： CC， PC， CPV，PPV 和 CWIND， PWIND，其中 CC 為常規(guī)發(fā)電子系統(tǒng)的容量矢量， PC 是常規(guī)發(fā)電子系統(tǒng)的概率矢量， CWIND 是風力發(fā)電子系統(tǒng)的容量矢量， PWIND 是風力發(fā)電子系統(tǒng)的概率矢量， CPV 是光伏發(fā)電子系統(tǒng)的容量矢量， PPV 是光伏發(fā)電子系統(tǒng)的概率矢量。發(fā)電機組總是處在這兩 個狀態(tài)中的一個，而且在兩個狀態(tài)之間來回的跳轉(zhuǎn)，可以用時間離散的馬爾科夫過程來模擬這個連續(xù)的電力系統(tǒng)運行過程 圖 兩狀態(tài)模型 其中， λ 為期望故障率， μ 為期望修復率， m 為平均無故障工作時間 =MTTF=1/ λ ， r 為 平 均 維 修 時 間 =MTTR=1/ μ ， m + r 為 平 均 故 障 間 隔 時 間 =MTTR=1/ f ， f 為循環(huán)頻率=1/T， T=循環(huán)時間。模擬模型假設負荷每小時的變化是離散的，而且這個離散的值持續(xù)一個小時。根據(jù)系統(tǒng)日最大負荷運行記錄繪制出來的一周、一月、一季或一年最大負荷持續(xù)曲線。此時，系統(tǒng)其他部分（輸電、配電網(wǎng)絡）在分析中均假定可完全滿足將全部發(fā)電出力傳輸和分配到預定的地點，而不致出現(xiàn)輸電瓶頸、過負荷和電壓偏移問題。 LOLE = ∑ P Tii∈ S 式中： Pi 為系統(tǒng)處于狀態(tài) i 的概率， S 為給定時間區(qū)間內(nèi)系統(tǒng)不能滿足負荷需求的系統(tǒng)狀態(tài)全集， T 為給定的時間區(qū)間的小時數(shù)或天數(shù)。這些公式是基于固定的傾斜平面。在有些研究中為了考察暫態(tài)過程中風速的變化情況，也可將風速分解，采用四分量模型 ，即：基本風、陣風、漸變風和隨機風。風力發(fā)電機的無功功率通常設定為端電壓恒定的控制方式，是靠控制發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流的大 小來實現(xiàn)的，控制過程與頻率控制相似。若變頻器采用具有自換相能力的電壓源換流器或輕型直流輸電系統(tǒng)（ HVDC Light）與電網(wǎng)相連，還可實現(xiàn)有功和無功功率的綜合控制，進一步改善風力發(fā)電系統(tǒng)的運行性能 圖 風輪機直接驅(qū)動同步發(fā)電機 系統(tǒng) 圖 為雙饋感應風力發(fā)電機組原理圖。其能量轉(zhuǎn)換過程是：風能 — 機械能 — 電能。風力發(fā)電單位裝機容量的建設成本比光伏發(fā)電要低很多，但其發(fā)電運行穩(wěn)定性比光伏發(fā)電要差。 圖 24 相鄰線路故障時，風力發(fā)電和光伏發(fā)電對保護的影響 風力發(fā)電和光伏發(fā)電對重合閘的影響自動重合閘是將因故障跳開后的斷路器按需要自動投入的一種自動裝置。假設 Z d = α Z s ， Z l = β Z s ，速斷保護整定值 I set1 按線路末端 F 點兩相短路整定，可靠系數(shù)取 K k ，過流保護整定值 I set 2 按最大負荷電流整定，此處假定為 1/2 速 斷整定值。另外還可能使配電系統(tǒng)負荷預測更加困難。本文將在第三章討 論風力發(fā)電和光伏發(fā)電并網(wǎng)對配電網(wǎng)電壓分布的影響。（ 2）變速恒頻風力發(fā)電機組雖然可采用電力電子技術來控制無功功率，但其定子側(cè)無功功率只能在一定范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)，受風力發(fā)電機組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子側(cè)有功功率變化情況的影響。（ 3）不適當?shù)陌惭b地點、容量和連接方式會使配網(wǎng)可靠性變壞。 (3)電力孤島區(qū)域發(fā)生的供電電壓和頻率的不穩(wěn)定將危害系統(tǒng)設備。研究風力發(fā)電并