【正文】 靠、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能為目的的先進(jìn)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(shù)國(guó)際會(huì)議 ”上，國(guó)家電網(wǎng)公司正式發(fā)布了 “ 堅(jiān)強(qiáng)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(cè)試名為谷歌電表﹙ PowerMeter﹚的用電監(jiān)測(cè)軟件。 2021 年 9 月 Google 與通用電氣聯(lián)合發(fā)表聲明對(duì)外宣布，他們正在共同開發(fā)清潔能源業(yè)務(wù)，核心是為美國(guó)打造國(guó)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(jì)量表、數(shù)字控件和分析工具，自動(dòng)監(jiān)控電網(wǎng)，優(yōu)化電網(wǎng)性能、防止斷電、更快地恢復(fù)供電，消費(fèi)者對(duì)電力使用的管理也可細(xì)化到每個(gè)聯(lián)網(wǎng)的裝置。比如，一臺(tái)空調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn) 15 分鐘，以把室內(nèi)溫度維持在 24℃ ；而另外兩臺(tái)空調(diào)可能會(huì)在保證室內(nèi)溫度的前提下，停運(yùn) 15 分鐘。 2021213 至 2021311 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 課題 智能電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)與探 討 專 業(yè)： 發(fā)電廠及電力系統(tǒng) 學(xué)員姓名 : 張潔 指導(dǎo)教師： 黃娜 設(shè)計(jì)時(shí)間： 答辯教師： 武漢電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 WUHAN ELECTRIC POWER TECHNICAL COLLEGE 封二 摘 要 風(fēng)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(diǎn)，由于其并 入電網(wǎng)的電能呈波動(dòng)性，大規(guī)模的風(fēng)電和光電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定、運(yùn)行調(diào)度等諸多方面都會(huì)有一定影響 。這樣，在不犧牲每個(gè)個(gè)體的前提下，整個(gè)大樓的節(jié)能目標(biāo)便可以實(shí)現(xiàn)。這個(gè)可以看作智能電網(wǎng)最完整的一個(gè)解決方案，標(biāo)志著智能電網(wǎng)概念的正式誕生。 2021 年 1 月 25 日 美國(guó) 白宮 最新發(fā)布的《復(fù)蘇計(jì)劃尺度報(bào)告》宣布：將鋪設(shè)或更新 3000 英里 輸電線路 ，并為 4000 萬(wàn)美國(guó)家庭安裝智能電表 —— 美國(guó)行將推動(dòng)互動(dòng)電網(wǎng)的整體革命。這是一個(gè)測(cè)試版在線儀表盤，相當(dāng)于谷歌正在成為信息時(shí)代的公用基礎(chǔ)設(shè)施。 2021 年 8月，國(guó)家電網(wǎng)公司啟動(dòng)了智能化規(guī)劃編制、標(biāo)準(zhǔn)體系研究與制定、研究檢測(cè)中心建設(shè)、重大專項(xiàng)研究和試點(diǎn)工程等一系列工作。 通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、信息技術(shù)是智能電網(wǎng)建設(shè)的基礎(chǔ) 。 （ 1）智能電網(wǎng)是電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。為抵御日益頻繁的自然災(zāi)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(qiáng)調(diào)說， “ 現(xiàn)在是建設(shè)綠色能源高速公路的時(shí)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(jìn)行太陽(yáng)能發(fā)電。特高壓電網(wǎng)解決了遠(yuǎn)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(dǎo)致供電可靠性較低，同時(shí)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)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(shù)國(guó)際會(huì)議 ” 上，國(guó)家電網(wǎng)公司正式宣布將建設(shè) “ 堅(jiān) 強(qiáng)的智能電網(wǎng) ” ，并公布了規(guī)劃試點(diǎn)、全面建設(shè)、引領(lǐng)提升三階段的建設(shè)方案。（ 2）可再生，清潔無(wú)污染。（ 5）技術(shù)逐漸成熟，發(fā)電成本降低。通 常認(rèn)為風(fēng)力發(fā)電只能提供電力而不能提供有效的發(fā)電容量。風(fēng)力發(fā)電在一些風(fēng)能資源利用較好的國(guó)家 ，如丹麥和德國(guó)，已經(jīng)占到總發(fā)電量的 10％和 ％ 。 表 中國(guó)并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)展規(guī)劃目標(biāo)（ MW） 我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電興起于 20 世紀(jì) 80 年代，最初的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備和技術(shù)都是依靠進(jìn)口。 圖 光 伏發(fā)電系統(tǒng)按與電力系統(tǒng)關(guān)系分類，也通常分為獨(dú)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(dá) 20 年以上。 (6)太陽(yáng)能資源豐富，分布范圍廣。日本安裝了 292MW， 比前一年增長(zhǎng)了 14%。它標(biāo)志著光伏發(fā)電由邊遠(yuǎn)地區(qū)和特殊應(yīng)用正在向城市過渡，由補(bǔ)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(lì)發(fā)展利用太陽(yáng)能，鼓勵(lì)改造傳統(tǒng)能源利用技術(shù)，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(píng) 估 了 風(fēng) 力 發(fā) 電 對(duì) 電 網(wǎng) 電 能 質(zhì) 量 的 影 響 。 (2)影響配電系統(tǒng)上的保護(hù)開關(guān)動(dòng)作程序。 可靠性問題 風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電并網(wǎng)對(duì)可靠性產(chǎn)生不利的影響為：（ 1）大系統(tǒng)停電時(shí)有些風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電也會(huì)同時(shí)停運(yùn)，仍無(wú)法提高供電的可靠性。換流器和其他電子裝置對(duì)電壓畸變是很敏感的， 3%左右的電壓畸變就會(huì)讓它們把風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電裝置切除。進(jìn)而導(dǎo)致風(fēng)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(yù)測(cè)。 電網(wǎng)效應(yīng)問題 風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的接入可能使配網(wǎng)的某些設(shè)備閑置或成為備用。如圖 所示。假設(shè)兩條線路具有相同的長(zhǎng)度和單位阻抗，風(fēng)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(guó)西部地區(qū)氣候特點(diǎn)經(jīng)常是白天風(fēng)力小、夜間風(fēng)力大，而白天只 要天氣晴好，光伏系統(tǒng)就能正常發(fā)電運(yùn)行，夜間光伏系統(tǒng)停止發(fā)電，因此發(fā)電正好構(gòu)成一定的互補(bǔ)關(guān)系。 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本模型 并 網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電原理 典型的并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要包括起支撐作用的塔架、風(fēng)能的吸收和轉(zhuǎn)換裝置 —— 風(fēng)輪機(jī)（葉片、輪轂及其控制器），起連接作用的傳 動(dòng)機(jī)構(gòu) —— 傳動(dòng)軸、齒輪箱、輪轂，能量轉(zhuǎn)換裝置 —— 發(fā)電機(jī)，以及其他風(fēng)機(jī)運(yùn)行控制系統(tǒng) —— 偏航系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)等。 圖 恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電 機(jī) 統(tǒng) 圖 為風(fēng)輪機(jī)直接驅(qū)動(dòng)同步發(fā)電機(jī)構(gòu)成的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。目前，風(fēng)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(gè)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(jí)電容適配器和電流型逆變器，是電力電子技術(shù)在光伏發(fā)電的重要應(yīng)用。本文也采用了這些指標(biāo)。當(dāng)系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)給定時(shí)，將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和光伏發(fā)電機(jī)組與常規(guī)機(jī)組在承載負(fù)荷能力方面的比例關(guān)系作為衡量發(fā)電容量可信度的指標(biāo)，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(fēng)力發(fā)電，加入一定容量的常規(guī)發(fā)電機(jī)組的系統(tǒng)承載負(fù)荷能力。 圖 發(fā)電系統(tǒng)可靠性評(píng)估模型 負(fù) 荷建模 目前應(yīng)用的用以計(jì)算可靠性指標(biāo)的三種負(fù)荷模型都是以日最大負(fù)荷持續(xù)一整天作為基礎(chǔ)的。本文選擇的是一年。（ 2）停機(jī)檢修。 設(shè) Ci 為矢量 C 的第 i 個(gè)元素，含義為 C 中一個(gè) 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(shí)數(shù)， X pv 為由光伏發(fā)電機(jī)組替代的容量， Yi , pv 為第 i 個(gè)小時(shí)光伏發(fā)電機(jī)組額定發(fā)電容量的百分比， X wind 為由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組替代的容量， Yi , wind 為第 i 個(gè)小時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組額定發(fā)電容量的百分比， η 為常規(guī)能源機(jī)組的效率?？傊?，通過本文提出的方法，可以有效得評(píng)估可再生能源并網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響，得出的結(jié)論可作為國(guó)家在考慮大力發(fā)展可再生能源時(shí)的有效參考。 風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電機(jī)組接入線路 調(diào) 壓器的 副端 圖 風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電接入線路調(diào)壓器 VR 的負(fù)荷端時(shí)電壓的變化 由于風(fēng)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(cè)到實(shí)際負(fù)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(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電機(jī)組位于饋線上對(duì)電壓水平的影響 當(dāng)將風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電接在饋線末端和變壓器之間時(shí)，風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的接入位置不同，相應(yīng)地對(duì)原有網(wǎng)絡(luò)的影響也不同 。從圖 看出，無(wú)功注入功率對(duì)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(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電越接近母線，對(duì)線路電壓分布的影響越小。該研究結(jié)果可以為風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電 并網(wǎng)后的運(yùn)行規(guī)劃提供一定的指導(dǎo)，并為風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電準(zhǔn)入功率的計(jì)算奠定了基礎(chǔ) 。提出了考慮電力系 統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)準(zhǔn)入功率計(jì)算，其計(jì)算方法是優(yōu)化法，指出影響電力系統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)容量的主要因素是頻率波動(dòng)。在計(jì)算準(zhǔn)入功率容量時(shí)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(jì)算方法有試探法等。準(zhǔn)入功率和很多的運(yùn)行參數(shù)有關(guān)，如短路保護(hù)，穩(wěn)定，可靠性等等。從而驗(yàn)證了風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電放置的位置，對(duì)于配電網(wǎng)的電壓分布產(chǎn)生的影響 。所以無(wú)功功率對(duì)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(yàn) 本文共進(jìn)行 3 次試驗(yàn)：（ 1）風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電有功注入 10MW 到節(jié)點(diǎn) 50 中 Tap=，用潮流程序計(jì)算電壓分布；（ 2）風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電有功注入 43MW 到節(jié)點(diǎn) 50 中， Tap=，用潮流程序計(jì)算電壓分布；（ 3）風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電無(wú)功 注 入 10MVar 到節(jié)點(diǎn) 50 中， Tap=，用潮流程序計(jì)算電壓分布。這種情況同風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電接入到有 LDC 補(bǔ)償?shù)淖儔浩鞲倍说那闆r非常地類似。 風(fēng) 力發(fā)電和光伏發(fā)電放置在配電所 當(dāng)風(fēng)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(bǔ)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(cè)到的電流、電壓相應(yīng)地調(diào)整分接頭。 本章小結(jié) 在對(duì)以上環(huán)節(jié)進(jìn)行分析建模的基礎(chǔ)上，本章提出了含風(fēng)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(jī)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(fēng)力發(fā)電子系統(tǒng)的容量矢量， PWIND 是風(fēng)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(jī)組總是處在這兩 個(gè)狀態(tài)中的一個(gè)，而且在兩個(gè)狀態(tài)之間來(lái)回的跳轉(zhuǎn)，可以用時(shí)間離散的馬爾科夫過程來(lái)模擬這個(gè)連續(xù)的電力系統(tǒng)運(yùn)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(fù)率， m 為平均無(wú)故障工作時(shí)間 =MTTF=1/ λ ， r 為 平 均 維 修 時(shí) 間 =MTTR=1/ μ ， m + r 為 平 均 故 障 間 隔 時(shí) 間 =MTTR=1/ f ， f 為循環(huán)頻率=1/T， T=循環(huán)時(shí)間。模擬模型假設(shè)負(fù)荷每小時(shí)的變化是離散的，而且這個(gè)離散的值持續(xù)一個(gè)小時(shí)。根據(jù)系統(tǒng)日最大負(fù)荷運(yùn)行記錄繪制出來(lái)的一周、一月、一季或一年最大負(fù)荷持續(xù)曲線。此時(shí)，系統(tǒng)其他部分（輸電、配電網(wǎng)絡(luò)）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(yù)定的地點(diǎn)，而不致出現(xiàn)輸電瓶頸、過負(fù)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(shí)間區(qū)間內(nèi)系統(tǒng)不能滿足負(fù)荷需求的系統(tǒng)狀態(tài)全集， T 為給定的時(shí)間區(qū)間的小時(shí)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(fēng)速的變化情況，也可將風(fēng)速分解，采用四分量模型 ，即：基本風(fēng)、陣風(fēng)、漸變風(fēng)和隨機(jī)風(fēng)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的無(wú)功功率通常設(shè)定為端電壓恒定的控制方式，是靠控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流的大 小來(lái)實(shí)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(shí)現(xiàn)有功和無(wú)功功率的綜合控制，進(jìn)一步改善風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行性能 圖 風(fēng)輪機(jī)直接驅(qū)動(dòng)同步發(fā)電機(jī) 系統(tǒng) 圖 為雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組原理圖。其能量轉(zhuǎn)換過程是：風(fēng)能 — 機(jī)械能 — 電能。風(fēng)力發(fā)電單位裝機(jī)容量的建設(shè)成本比光伏發(fā)電要低很多，但其發(fā)電運(yùn)行穩(wěn)定性比光伏發(fā)電要差。 圖 24 相鄰線路故障時(shí)，風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電對(duì)保護(hù)的影響 風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電對(duì)重合閘的影響自動(dòng)重合閘是將因故障跳開后的斷路器按需要自動(dòng)投入的一種自動(dòng)裝置。假設(shè) Z d = α Z s ， Z l = β Z s ，速斷保護(hù)整定值 I set1 按線路末端 F 點(diǎn)兩相短路整定，可靠系數(shù)取 K k ，過流保護(hù)整定值 I set 2 按最大負(fù)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(fù)荷預(yù)測(cè)更加困難。本文將在第三章討 論風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)電壓分布的影響。（ 2）變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組雖然可采用電力電子技術(shù)來(lái)控制無(wú)功功率，但其定子側(cè)無(wú)功功率只能在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，受風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(dāng)?shù)陌惭b地點(diǎn)、容量和連接方式會(huì)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(shè)備。研究風(fēng)力發(fā)電并