【正文】 較小，通過蓄電池等儲能裝置或者與其他分布式能源發(fā) 電技術(shù)相結(jié)合，如風(fēng)力發(fā)電 /水電互補系統(tǒng)、風(fēng) /光互補系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電 /柴油機組聯(lián)合供電系統(tǒng)，它可以解決無電網(wǎng)的偏遠地區(qū)的供電問題。并網(wǎng)運行的風(fēng)力發(fā)電場可以得到大電網(wǎng)的補償和支撐 有利于更加充分地開發(fā)可利用的風(fēng)力資源，是國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電的主要 發(fā)展方向， 在日益開放的電力市場環(huán)境下，風(fēng)力發(fā)電的成本也將不斷降低，如果考慮到環(huán)境效益等因素，則風(fēng)力發(fā)電在經(jīng)濟上也具有很大的吸引力。據(jù)統(tǒng)計，全球可開發(fā)的風(fēng)能資源潛力約為目前全球用電量 5 倍。常規(guī)的石化能源是有限的，而風(fēng)能幾乎是取之不盡，用之不竭。風(fēng)力發(fā)電機組及其輔助設(shè)備具有模塊化的特點，設(shè)計和安裝簡單，單臺風(fēng) 力發(fā)電機組的運輸和安裝時間僅需幾個星期，可多臺同時安裝，互不干擾，且安裝一臺即可投產(chǎn)一臺。（ 4）占地面積小，對土地質(zhì)量要求低。風(fēng)力資源充足的地方往往是荒灘或山地等土地利用率低的地方。據(jù)歐洲風(fēng)能協(xié)會 2021 年統(tǒng)計 [8]，風(fēng)力發(fā)電機組單位 kW 的造價已經(jīng)降到 900 歐元，單位發(fā)電成本為 3～ 5 歐分/kWh。風(fēng)力發(fā)電以自然風(fēng)常規(guī)能源發(fā)電一樣根據(jù)負荷要求來改變風(fēng)力發(fā)電機組的出力。（ 2）不穩(wěn)定性。因此風(fēng)力發(fā)電機組的輸出功率也具有隨機性的特點。尺寸比相應(yīng)的水輪機大幾十倍，限制了風(fēng)力發(fā)電機組的單機容量和風(fēng)力發(fā)電場的規(guī)模。 利用風(fēng)能發(fā)電始于 19 世紀末，到上世紀 80 年代通過建立大型風(fēng)力發(fā)電場來大規(guī)模利用風(fēng)能，風(fēng)力發(fā)電運行技術(shù)及并網(wǎng)研究也得到較大發(fā)展。圖 是世界風(fēng)力發(fā)電裝機總?cè)萘康陌l(fā)展趨勢圖，可以看出，風(fēng)力發(fā)電裝機總?cè)萘吭?1999 年后上升很快，總裝機容量每年都在 20%以上的速度增長， 2021 年年底 達到 。歐洲風(fēng)能協(xié)會制定的風(fēng)能發(fā)展計劃 中預(yù)計到 2020 年風(fēng)力發(fā)電占到全球發(fā)電總量的 %。 2021年，歐洲風(fēng)力發(fā)電已占總發(fā)電量的 2%。風(fēng)力發(fā)電裝機較多的國家為：德國 12021MW、西班牙 4830MW、美國 4685MW、丹麥 2880MW 和印度 1702MW、中國 468MW。據(jù)國家氣象局勘測，全國風(fēng)能資源總儲量為 億 kW，僅次于美國和俄羅斯，居世界第三位?！吨腥A人民共和國可再生能源法》 [規(guī) 定了風(fēng)力發(fā)電的三項原則：（ 1）對風(fēng)力發(fā)電要實行保護性固定電價，在成本上，保證有合理的利潤；（ 2）電網(wǎng)無條件收購風(fēng)力發(fā)電，價差由所 在電網(wǎng)分攤；（ 3）國家財政設(shè)立專項資金，支持可再生能源發(fā)展。近年來，風(fēng)機制造的國產(chǎn)化率越來越高，600kW 風(fēng)力發(fā)電機組的國產(chǎn)化發(fā)電場的發(fā)電成本大約是 元 /kWh。到 2021 年末，我國已經(jīng)建成 44 座風(fēng)力發(fā)電場，累計風(fēng)力 發(fā)電 機組 1291 臺， 裝 機容量 764MW與 2021 年累計裝機 567MW 相比， 2021 年累計裝機增長率為 %。 . 并網(wǎng)型光伏發(fā)電 并 網(wǎng)型光伏發(fā)電特點 光伏發(fā)電系統(tǒng)是由光伏電池板、控制器和電能儲存及變換環(huán)節(jié)構(gòu)成的發(fā)電與 電能變換系統(tǒng)。圖 是一個典型光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 圖。獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)是不與常規(guī)電力系統(tǒng)相連而孤立運行的發(fā)電系統(tǒng)，通常建設(shè)在遠離電網(wǎng)的邊遠地區(qū)或作為野外移動式便攜電源，其建設(shè)的主要目的是解決無電問題。一般而言，系統(tǒng)在白天把太陽能轉(zhuǎn)化為電能，通過蓄電池將電能儲存起來，晚上再通過放電器把儲存在蓄電池里的電能釋放出來適當使用。（ 2）光伏電池可以始終運行在最大功率點處，由大電網(wǎng)來接納光伏發(fā)電所發(fā)的全部電能，提高了光伏發(fā)電的效率。 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是與電力系統(tǒng)連接在一起的光伏發(fā)電系統(tǒng)，像其他類型發(fā)電站一樣，可為電力系統(tǒng)提供有功和無功電能?？刂破饕话阌蓡纹瑱C或數(shù)字信號處理芯片作為核心器件構(gòu)成，用以實現(xiàn)光伏電池最大功率點跟蹤及控制逆變器并網(wǎng)電流的頻率、波形和功率，使向電網(wǎng)轉(zhuǎn)送的功率與光伏陣列所發(fā)的最大功率電能平衡。無窮大的公共電網(wǎng)在這里可以視為扮演著儲能環(huán)節(jié)的角色。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的電能轉(zhuǎn)換效率要大大高于獨立系統(tǒng)，成為光伏發(fā)電的 最合理發(fā)展方向。光伏發(fā)電很少用到運動部件， 目前已有數(shù)千套光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行經(jīng)驗?？煽啃愿?，適合無人值守。不產(chǎn)生任何的固體，液體和氣體有害廢棄物，無環(huán)境污染和公害問題。 (4)兼容性好。 (5)標準化程度較高，可由組件的串并聯(lián)滿足不同用電的需要，通用性強。但光伏發(fā)電能量分散，占地面積大，間歇 性大，地域性強。 光伏 發(fā)電的發(fā)展和現(xiàn)狀 目前世界太陽電池生產(chǎn)量日本第一，推廣應(yīng)用光伏發(fā)電系統(tǒng)卻是德國領(lǐng)先全球太陽能電池年產(chǎn)量正在迅速增長， 2021 年的增長率超過 60%， 2021 年的增長率為 44%，太陽電池年產(chǎn)量達到 1656MW。 歐洲占世界總產(chǎn)量 28%。其中德國安裝了 838MW，比前一年增長了 53%，占世界安裝量的 57%。到 2021 年年末，全球累計安裝太陽電池組件容量比前一年增長了 39%，達到了 5GW。 2021 年 5 月，歐洲光伏工業(yè)協(xié)會發(fā)表的報告 “ 工業(yè)需要及路線圖 ” 預(yù)計： 2021 年前光伏發(fā)電市場平均年增長率為 27%， 2021 年～ 2020 年間增長率為 34%， 2020 年～ 2040 年間增長率為 15%。美國在 2021 年 9 月發(fā)表了 “ 我們太陽電力的未來： 2030 年及更久遠的美國光伏工業(yè)路線圖 ” ，提出美國在 2025 年新增加發(fā)電容量的一半由光伏發(fā)電提供。 表 歐洲、日本和美國制定的光伏發(fā)電發(fā)展計劃 （ GW） 國際光伏應(yīng)用中并網(wǎng)發(fā)電和光伏建筑集成（ BIPV）發(fā)展迅速，已成為光 伏市場的最大份額。據(jù)國際能源協(xié)會下屬光伏電力系統(tǒng)項目研究小組在 2021 年發(fā)布的報告“光伏發(fā)電應(yīng)用技術(shù)的趨 計勢”中統(tǒng)計： 2021 年中國光伏發(fā)電設(shè)備的年銷售量為 15MW，光伏系統(tǒng)的總裝機容量達85MW。根據(jù) 中國電力科學(xué)院的預(yù)測，到 2050 年中國可再生能源發(fā)電將占到全國總電力裝機的 25%，其中光伏發(fā)電將占 5%。目前，我國正在繼續(xù)培育國內(nèi)的光伏市場，加大城市屋頂和沙漠并網(wǎng)電站的研發(fā)和示范投入等；同時注意人才培養(yǎng)，抓緊技術(shù)平臺和隊伍的建設(shè)，積極研發(fā)新型電池生產(chǎn)和應(yīng)用技術(shù)，努力降低成本，并從稅收、信貸等方面扶植光伏產(chǎn)業(yè)。 表 中國太陽能年輻射的地區(qū)分布 我國《 19962021 年新能源和可再生能源發(fā)展綱要》中明確指出 [23]，要按社會主義市場經(jīng)濟的要求，加快新能源和可再生能源的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化的建設(shè)，要求采取措施調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，提高清潔能源在能源消費中所占比重，要求通過技術(shù)進 步來推動可 再 生能源事業(yè)的發(fā)展。綜上可知，我國的光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景是輝煌的。這樣擁有大容量風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的電力系統(tǒng)需要較高的發(fā)電備用容量，以及輸電網(wǎng)絡(luò)備用容量。由于風(fēng)力發(fā)電場和光伏發(fā)電所在地區(qū)往往人口稀少，處于供電網(wǎng)絡(luò)的末端，承受沖擊的能力較弱，隨著風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電規(guī)模的不斷擴大其特性對電網(wǎng)的影響也愈加顯著，成為制約 風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電容量和規(guī)模的嚴重障礙，研究風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電并網(wǎng)對系統(tǒng)造成的影響具有重要意義。國際電工委員會為研究風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響，成立了與之相關(guān)的工作組，并發(fā)表了一系列的報告和標準。IEC6410021 給出了并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機組電能質(zhì)量測量和評估的標準，為風(fēng)力發(fā)電電能質(zhì)量的測量和評估提供了一個統(tǒng)一的方法，其內(nèi)容包括：風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)機組電能質(zhì)量特征參數(shù)的定義和說明，電能質(zhì)量參數(shù)的測量過程，這些參數(shù)是否能滿足電網(wǎng)要求的評估方法。 孤島效應(yīng) 孤島效應(yīng)是指當電力公司的供電因故障事故或停電維修而中斷時，各個用戶端的風(fēng)力發(fā)電 和光伏發(fā)電系統(tǒng)未能及時檢測出停電狀態(tài)而將自身切離市電網(wǎng)路，從而形成由風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和周圍的負載構(gòu)成的一個電力公司無法掌握的自給供電孤島。一般認為，只要孤島電網(wǎng)不是為了提高供電可靠性故意配置的，都應(yīng)當避免。一般來說，孤島效應(yīng)可能對整個配電系統(tǒng)設(shè)備及用戶端的設(shè)備造成不利的影響： (1)對電力公司輸電線路維修人員產(chǎn)生安全危害。風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電形成孤島電網(wǎng)后，如果 重合閘非同期重合，會造成過電壓，并且形成很大的沖擊電流，影響設(shè)備安全和正常運行，導(dǎo)致保護誤動作 [35]。 (4)當電力公司供電恢復(fù)時所造成的相位不同步問題。孤島檢測方法一般可分為兩類：無源檢測方法和有源檢測方法。常見的有源檢測方法包括有源頻率偏移、滑模頻率偏移和輸出功率擾動三種。（ 2）風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電與配電網(wǎng)的繼電保護配合不好，可能使繼電保護誤動作，反而使可靠性降低。有利情況為：（ 1）風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電可部分消除輸配電網(wǎng)的過負荷和堵塞，增加輸配電網(wǎng)的輸電裕度。（ 3）特殊設(shè)計的 風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電可使它在大電力輸配電系統(tǒng)發(fā)生故障時仍能保持運行。 。風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電并網(wǎng)引起的穩(wěn)定問題主要是電壓穩(wěn)定問題，其對系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的影響主要包括以下幾個方面：（ 1）普通的風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電機組無功補償方式為電容器補償，補償量與接入點的電壓的平方成正 比，當系統(tǒng)電壓水平降低很多時，無功補償量下降很多，而風(fēng)力發(fā)電場對電網(wǎng)的無功需求反而上升，進一步惡化電壓水平，嚴重時會造成電壓崩潰，風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電機組被迫停機。（ 3）在故障和操作后未發(fā)生失穩(wěn)的情況下，部分風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電機組由于自身的保護而停機，風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電有功輸出相應(yīng)減少。（ 5）風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā) 電出力過高有可能降低電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定裕度，容易導(dǎo)致電壓崩潰。 綜上，并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電對電網(wǎng)穩(wěn)定性的一個主要威脅是風(fēng)速 波動性和隨機性引起風(fēng)力發(fā)電場出力變化過頻，以及光照強度隨日照、天氣、季節(jié)、溫度等自然因素變化引起的光伏發(fā)電輸出功率不穩(wěn)定。由于已有的方法大都采用確定性的分析方法，因此無法考慮風(fēng)力和光伏發(fā)電量的波動性和隨機性。 準入功率計算問題 確定一個給定電網(wǎng)最大能夠承受的風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電注入功率成為風(fēng)力發(fā)電場和光伏發(fā)電系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計階段迫切需要解決的問題。風(fēng)力發(fā)電穿透功率極限是指在滿足一定技術(shù)指標的前提下接入系統(tǒng)的最大風(fēng)力發(fā)電場裝機容量與系統(tǒng)最大負荷的百分比。風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的最大接入容量的確定受到諸多因素的制約，要確定風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的合理的建設(shè)規(guī)模和最大容量，應(yīng)該采用系統(tǒng)的、結(jié)合具體系統(tǒng)實際的計算分析方法，其數(shù)值的大小不僅取決于風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的運行特性和系統(tǒng)中其它發(fā)電設(shè)備的調(diào)節(jié)能力，還與風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電接入的系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等諸多因素密切相關(guān)。如：當風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電運行時，與配電系統(tǒng)相連的配電變壓器和電纜線路常常因負荷小而輕載，導(dǎo)致配電系統(tǒng)部分 設(shè)備成為相應(yīng)的風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的備用設(shè)備，從而使配電網(wǎng)的成本增加，供電局的效益下降。風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電影響系統(tǒng)的潮流分布，因為電網(wǎng)的損耗主要取決于系統(tǒng)的潮流，因此風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的接入必然影響電網(wǎng)的損耗。文獻 [42]提出的兩種網(wǎng)損分配方案：臨界損耗系數(shù)法和直接損耗系數(shù)法，彌補了傳統(tǒng)置換法的不足。 配電網(wǎng)故障問題 風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電并網(wǎng)對線路保護靈敏度和保護范圍的影響如果一個風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電接在距線路末端 x 處，當線路末端發(fā)生短路故障后，它將向故障點送出短路電流，減小了線路保護 K 檢測到的故障電流值 I k ，從而降低了保護 K 的靈敏度。 圖 本線故障時風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電對保護的影響 其中， Z s 為電網(wǎng)的阻抗（ pu） Z l 為線路阻 抗，（ pu） Z d 為變壓器阻抗（ pu）。在 x 取不同值時，線路末端發(fā)生兩相短路故障時，計算保護 K 檢測到的故障電流值 I k 。尤其在線路的某些位置，速斷保護根本無法啟動，形成速斷保護死區(qū)，使線路故障不 能及時切除。若調(diào)減速斷保護整定值，則可能造成速斷、過流保護和其他風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電在相鄰線路故障時引起所在線路保護誤動作圖 數(shù)值同上，若相鄰線路在距離母線 x′ 處發(fā)生三相短路故障時，計 ′ 算保護 K 檢測到的故障電流值 I k 。分析保護 K 檢測到的故障電流曲線，發(fā)現(xiàn)如果故障發(fā)生在距離母線 較近的 部 分，由于風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的作用，保護 K 檢測到的故障電流值將大于其整定值，而引起誤動作，使風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電所接線路發(fā)生無故障跳閘。電力系統(tǒng)運行經(jīng)驗表明，配電網(wǎng)的故障 80%～ 90%的部分是瞬時性的。在輻射式配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)下，重合閘在迅速恢復(fù)瞬時 性故障線路供電時，不會對配電系統(tǒng)產(chǎn)生任何沖擊和破壞。 3. 風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電并網(wǎng)基本模型和可靠性技術(shù)研究 概述 風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電都受自然條件、天氣限制，帶有一定的局限性，但它們之間存在一定的互補性。另一方面，風(fēng)力由于其能量密度相對較高，現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機組容量已達兆瓦級。對于比較重要的或供電穩(wěn)定性要求較高的負載，需要考慮采用由包括微型燃氣輪機、內(nèi)燃機、太陽能電池、風(fēng)力發(fā)電機等組成的混合供電系統(tǒng)，或者并網(wǎng)運行。風(fēng)力發(fā)電是一個包含多個學(xué)科的復(fù)雜系統(tǒng)：槳葉的制造基于 空氣動力學(xué)；傳動系統(tǒng)和塔架的建設(shè)涉及到機械理論和結(jié)構(gòu)學(xué)；發(fā)電機實現(xiàn)機電能量的轉(zhuǎn)換；控制和保護系統(tǒng)則廣泛涉及控制原理與電氣相關(guān)方面知識。影響光伏發(fā)電功率輸出的因素包括：電池元件的模型、功率轉(zhuǎn)化率以及元件的溫度等。風(fēng)力發(fā)電流程是：自然風(fēng)吹轉(zhuǎn)葉輪，帶動輪轂轉(zhuǎn)動，將風(fēng)能 轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能